DE2726522A1 - Gasturbinentriebwerk und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

Gasturbinentriebwerk und verfahren zum betreiben desselben

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DE2726522A1
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bleed
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf ein Verfahren zum Betreiben derselben, um Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu reduzieren.
In der heutigen Zeit des Umweltbewußtseins wurden Regierungsvorschriften geschaffen, die die zulässigen Abgasemissionen von Gasturbinentriebwerken beschränken. Einige der strengeren Erfordernisse beziehen sich auf Emissionen bezüglich des Kohlenmonoxid (CO) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC). Diese Emissionen sind in üblicher Weise besonders groß bei Bodenleerlaufbedingungen, wo die Brennereinlaßtemperatur sowie der Druck und das Treibstoff-Luft-Verhältnis des Brenners relativ klein sind.
Da mit Gasturbinen angetriebene Flugzeuge für einen Betrieb in Verbindung mit kürzeren Rollbahnen ausgelegt sind, werden die Emissionsprobleme gravierender. Der diesbezügliche Grund liegt darin, daß Kurzstartflugzeuge im Vergleich zu mehr herkömmlich abhebenden und landenden Flugzeugen leistungsmäßig überdimensioniert sein müssen (das heißt es ist ein größeres Schub/ Flugzeuggewicht-Verhältnis vorgesehen). Beispielsweise muß wäh-
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rend des Rollbetriebes (taxi operation) die Triebwerksleistungseinstellung anormal reduziert werden, um eine Überlastung der Flugzeugbremsen insbesondere auf vereisten Rollbahnen zu vermeiden. Wenn der Triebwerksgashebel zu dieser anormalen Position zurückgezogen wird, fällt die Brennereinlaßtemperatur (aufgrund der niedrigeren Leistungszufuhr des Kompressors), was zu einer unwirtschaftlichen Verbrennung und vergrößerten Abgasemissionspegeln führt. Ein ähnlicher Zustand liegt während des Landezyklus vor, wenn das Flugzeug ein Halteprogramm aufrechterhält, da dann wiederum der Leistungspegel wegen des großen installierten Schubpegels anormal niedrig (auf einer prozentualen Schubbasis) sein muß.
Das Problem ist jedoch noch weiter verwickelt, da die niedrige Brennereinlaßtemperatur nicht nur zu vergrößerten Abgasemissionen führt sondern auch die Wirksamkeit des Flugzeugenteisungssystems verschlechtert. Gewisse Flugzeug- und Triebwerksoberflächen werden durch einen Luftabzapf von dem Brennereinlaß normal erwärmt, und wenn diese Luft zu kühl ist, funktioniert der Erwärmungsprozeß nicht richtig.
Dementsprechend ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen, um die CO und HC Emissionen bei niedrigen Leistungseinstellungen zu reduzieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Gasturbinentriebwerks mit reduzierten CO und HC Emissionen bei niedrigen Leistungseinstellungen.*
Diese und andere Ziele sowie Vorteile ergeben sich klarer aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und spezifischen Ausführungsformen, die alle nur beispielhaften Charakter haben und den Rahmen der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränken sollen.
Zusammengefaßt werden die obigen Ziele in einem Gasturbinentriebwerk erreicht, bei dem heiße Luft von dem Triebwerk an einer ersten Stelle desselben abgezapft und in das Triebwerk an einer zweiten Stelle zurückgeführt wird. Hierbei besteht die Bedingung, daß die Temperatur der Luft an der ersten Stelle dieje-
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nige an der zweiten Stelle übersteigt und daß sich die Wiedereintrittsstelle zumindest so weit stromaufwärts wie der Brennerein-IaB befindet. Wenn somit die heiße Luft im Umlauf geführt wird, erfolgt ein schnelles Ansteigen der Brennereinlaßtemperatur bei einem gegebenen Triebwerksschubpegel, wodurch die CO und HC Abgasemissionen reduziert werden.
Bei einer Ausführungsform ist eine Leitung vorgesehen, um heiße Luft von einer Quelle, wie dem Kompressorauslaß, dem Brennerauslaß oder dem Turbinenauslaß( stromaufwärts beispielsweise zum Kompressoreinlaß zu überführen. Ein in der Leitung befindliches Ventil, das mittels eines Signals von der Treibstoffsteuerungseinrichtung des Triebwerks oder dem Leistungshebel betätigt wird, ist vorgesehen, um die Umlaufgeschwindigkeit bzw. das Umlaufmaß der erhitzten Luft zu steuern. Alternativ kann es möglich sein, auf ein solches Steuerungsventil zu verzichten, indem eine Kombination von Heißluftquellen und Wiedereintrittsstellen gefunden wird, die es ermöglichen, daß Abzapfluft bei niedrigen Leistungseinstellungen und nicht bei großen Leistungseinstellungen fließt. In einem solchen Fall verhindert ein einfaches Rückschlagventil einen umgekehrten Umlauf.
Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einer schematischen, teilweise geschnittenen Ansicht ein Gasturbinentriebwerk nach der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 - in einem vergrößerten Schnitt einen Teil des Gasturbinentriebwerks aus Figur 1 und Figur 3 - in einer Figur 1 ähnelnden, teilweise geschnittenen, schematischen Ansicht ein Gasturbogebläsetriebwerk gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche Hinweiszahlen einander entsprechende Elemente. Es wird zunächst auf Figur 1 verwiesen, wo ein allgemein mit der Hinweiszahl 1o bezeichnetes und die vorliegende Erfindung verkörperndes Triebwerk schematisch dargestellt ist. Dieses Triebwerk kann so betrachtet werden, daß es
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allgemein ein Kerntriebwerk 12, einen Gebläseaufbau 14 mit einer Stufe von Gebläseschaufeln 16 und eine Gebläseturbine 18 aufweist, die mit dem Gebläseaufbau 14 durch eine Welle 2o verbunden ist. Das Kerntriebwerk 12 enthält einen Axialstromkompressor 22 mit einem Rotor 24. In einen Einlaß 26 eintretende Luft wird anfänglich von dem Gebläseaufbau· 14 verdichtet. Ein erster Teil dieser komprimierten Luft gelangt in einen Gebläsebypasskanal 28, der zum Teil vom Kerntriebwerk 12 und dem umschreibenden Gebläserumpf 3o bestimmt wird, und es erfolgt ein Abströmen durch eine Gebläsedüse 32. Ein zweiter Teil der komprimierten Luft gelangt in einen Einlaß 34, wird durch den Axialstromkompressor 22 weiter verdichtet und strömt dann zu einem Brenner 36, wo Treibstoff verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase zu bilden, die eine Turbine 38 antreiben. Die Turbine 38 treibt ihrerseits in der für ein Gasturbinentriebwerk üblichen Weise den Rotor 24 über eine Welle 4o an. Die heißen Verbrennungsgase gelangen dann zur Gebläseturbine 18, um diese anzutreiben, wobei die Gebläseturbine 18 ihrerseits den Gebläseaufbau 14 antreibt. Es ergibt sich somit eine Antriebsbzw. Vorschubkraft durch die Wirkung des Gebläseaufbaues 14, der Luft von dem Gebläsebypasskanal 28 durch die Gebläsedüse 32 ausstößt, und durch das Ausstoßen von Verbrennungsgasen von einer Kerntriebwerksdüse 42, die zum Teil von einem Kegel (plug) 44 bestimmt wird. Die vorstehende Beschreibung ist typisch für viele heutige Gasturbinentriebwerke und ist in keiner Weise als beschränkend aufzufassen, wie es aus der nachfolgenden Beschreibung leicht ersichtlich wird, wonach die vorliegende Erfindung bei irgendeinem Gasturbinentriebwerk anwendbar und nicht notwendigerweise auf Gasturbinentriebwerke vom Turbogebläsetyp beschränkt ist. Die vorstehende Beschreibung der Betriebsweise des in Figur 1 dargestellten Triebwerks ist deshalb lediglich als beispielhaft für eine Anwendungsart der vorliegenden Erfindung aufzufassen.
Für die meisten Gasturbinentriebwerksbrenner wurde festgestellt, daß der Wert der Gasemissionen bei Triebwerksbetriebsbedingungen des Leerlaufs (oder darunter) durch Vergrößern der Temperatur der in den Brenner eintretenden Luft reduziert werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur der in den Brenner eintretenden Luft dadurch vergrößert, daß die erhitzte
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Luft auf irgendeinem der nachfolgend zu beschreibenden Wege in einen Umlauf gebracht wird. Allgemein wird an einer ersten Stelle ein Teil der Luft von dem Triebwerk abgezapft und an einer zweiten Stelle in das Triebwerk zurückgeführt, wobei dieser Vorgang zwei Bedingungen unterworfen ist:
(1) Die Temperatur der durch das Triebwerk gelangenden Luft (des Antriebsfluids) muß an der Abzapfquelle (der ersten Stelle) größer als an der Wiedereintrittsstelle (der zweiten Stelle) sein, und
(2) die Wiedereintrittsstelle muß sich zumindest so weit stromaufwärts wie der Einlaß zum Brenner befinden.
Es sei beispielsweise der Aufbau aus Figur 1 betrachtet, wo Luft vom Auslaß 45 des Kompressors 22 abgezapft und mittels Leitungen 46, 48 zum Kerntriebwerkseinlaß 34 geführt wird, wo die Luft wieder zurück in den primären Strom geleitet wird. Da die Temperatur am Kompressorauslaß größer als diejenige am Einlaß ist, und zwar wegen der Energiezufuhr durch den Kompressor, wird die mittlere Kompressoreinlaßtemperatur vergrößert. Wenn der Triebwerkszyklus in der bekannten Weise neu ausgeglichen ist, um einen spezifischen Leerlauf- oder Unterleerlaufschub zu liefern, ist das resultierende Ergebnis eine Vergrößerung in der Brennereinlaßtemperatur um ein die Zunahme in der Einlaßtemperatur übersteigendes Maß. Hierdurch werden wiederum die CO - bzw. Kohlenmonoxid - und HC - bzw. Kohlenwasserstoff - Emissionen bedeutend reduziert.
Eine einfache Abschätzung der Wirksamkeit des Prinzips bei einem handelsüblichen Gasturbogebläsetriebwerk mit großem Bypassverhältnis zeigt, daß eine Vergrößerung der Kernkompressoreinlaßtemperatur um 27,8°C (5o°F) bei einem Leerlaufzustand mit einem 5 % Schub zu einer Vergrößerung der Brennereinlaßtemperatur um 41,7°C (75°F) führt. Dies wiederum ergibt eine Verminderung der CO Emissionen um etwa 28 %, und zwar sogar nach Berücksichtigung eines vergrößerten TreibstoffStroms von etwa 4 %, der zum erneuten Ausgleichen des Zyklus erforderlich ist. Die zum Anheben der Kompressoreinlaßtemperatur um 27,8 C (5o F) erforderliche Größe des Kompressorabzapfes beträgt etwa 14 % der gesamten durch den Kernkompressor gelangenden Luft. Es ist festzustellen, daß diese Abschätzungen nicht die Wirkung des Abzapfes auf den Zyklus, sondern
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nur die Einlaßtemperaturwirkung beinhalten. Die Wirkung des Kompressorabzapfes selbst ohne Umlauf ist eine Erhöhung der Turbineneinlaßtemperatur und des Brenner-Treibstoffluftgemisches, was erforderlich ist, um einen gegebenen Pegel eines LeerlaufSchubes zu liefern. Dies trägt ferner zu verminderten Emissionen bei, und die zwei Effekte bzw. Wirkungen ergänzen sich gegenseitig. Somit addieren sich die durch Anheben der Kompressoreinlaßtemperatur erreichte Verbesserung bezüglich der Leerlaufemissionen und die Wirkung des Kompressorablaßabzapfes.
Im Prinzip kann die Größe bezüglich der Steigerung der Kompressoreinlaß- und -auslaßtemperaturen irgendeinen angemessenen Wert erhalten, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweils benutzten bestimmten Triebwerk, von der beabsichtigten Leistungseinstellung und von praktischen Erwägungen, wie maximalen Temperaturgrenzen des Kompressoreinlasses, der Größe des erforderlichen Kanalgebildes und der Mittel, die erforderlich sind, um Abzapfluft abzuziehen und diese in den Kompressoreinlaß zurückzuführen.
Die normale Lage für die Abzapfstelle bei der Abwandlung bestehender Triebwerke ist die Kompressorauslaßstelle (45 aus Figur 1), wie es oben erörtert wurde. Hierbei werden Abzugsöffnungen benutzt, die sich bereits in dem Triebwerk befinden, und zwar für herkömmliche Zwecke, wie für die Unterdrucksetzung der Flugzeugkabine oder zum Enteisen. Jedoch können für die heiße Luft zahlreiche andere Quellen angezapft werden, und zwar in Abhängigkeit von der erwünschten Flußmenge und des erwünschten Temperaturanstiegs. Diese Quellen bzw. Abzapfstellen sind in Figur 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt, die zu der Leitung 48 führen. Im einzelnen gehören hierzu ein Kompressorzwischenstufenabzapf 5o, ein Brennereinlaßabzapf 52, ein Brennerauslaßabzapf 54, ein Turbinenzwischenstufenabzapf 56 und ein Turbinenauslaßabzapf 58. Selbstverständlich führt ein Abzapfen aus dem Turbinenbereich, in dem die Luft eine sehr viel höhere Temperatur hat, bei einer gegebenen Abzapfungsströmungsrate zu einem sehr viel größeren Anstieg der Kompressoreinlaß- und -auslaßtemperatur. Wenn in dem vorherigen Beispiel Kompressorauslaß-Abzapfluft bei einer Temperatur von 426,7 C (8oo F) benutzt würde, würde die Menge der Abzapfluft, die zum Steigern der Kompressoreinlaßtemperatur um 27,8 C
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(5o°F) erforderlich wäre, nur etwa 4,5 % der gesamten, das Triebwerk durchlaufenden Luft betragen. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß der Wiederanpassungseffekt des Zyklus für jede Abzugsstelle unterschiedlich ist.
Figur 1 zeigt die normale Wiedereintrittsstelle am Kernkompressoreinlaß 34. Während das Prinzip in Figur 1 nur schematisch dargestellt ist, kann die Geometrie bzw. Abmessung der Wiedereinführungsmittel in Abhängigkeit von einzelnen Triebwerksunterschieden und Auslegungsvorzügen variieren. Beispielsweise zeigt Figur 2 einen möglichen Aufbau, bei dem die Abzapfluft in einen Aufspalter (splitter) 6o geleitet wird, der den Kerneinlaßkanal 34 von dem Gebläsebypasskanal 28 trennt. In diesem Glied wird die Abzapfluft in einen Raum 62 geleitet und aus diesem durch entsprechende Öffnungen 64 ausgestoßen, um mit der ankommenden Luft des Einlasses 34 gemischt zu werden. Alternativ könnte die heiße Abzapfluft zu einer Vielzahl von Gebläseverstrebungen 66 geleitet werden, die in typischer Weise das Aufspalt- bzw. Abzweigglied 6o in der passenden Abstandsbeziehung zum Kerntriebwerk 12 abstützen, um von den Hinterkanten der Gebläseverstrebungen 66 ausgestoßen zu werden. In jedem Fall sollte die jeweilige Gestaltung für ein passendes Vermischen der Gase mit dem primären Kerntriebwerksstrom sorgen, und dieser Mischvorgang sollte frühzeitig bzw. anfänglich im Kompressionsvorgang auftreten.
In der Leitung 48 ist ein Ventil 68 vorgesehen, um es zu ermöglichen, daß die heiße Abzapfluft nur bei den oben erörterten anormal niedrigen Leistungseinstellungen in den Kompressoreinlaßhauptstrom eingeführt wird. In typischer Weise würde ein solches Ventil durch die Haupttriebwerkstreibstoffsteuerung 7o gesteuert, die ihrerseits von dem Piloten über den Gashebelblock bzw. die Gashebelführung 72 gesteuert wird. Die jeweilige Ventilart und Steuerungsmethode liegen im Ermessen des Triebwerkkonstrukteurs, und die Einzelheiten müssen an dieser Stelle nicht herausgearbeitet werden.
In einigen Fällen kann es möglich sein, auf das Ventil 68 zu verzichten, indem eine Heißluftquelle gefunden wird, die sich bei niedrigen Leistungseinstellungen auf einem höheren Druck als der Wiedereintrittspunkt und bei großen Leistungseinstellungen
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auf einem niedrigen Druck befindet. Ein solcher Aufbau ist in Figur 3 dargestellt, wo die Abzapfluft stromabwärts von der Turbine bei 73 abgezogen und in den ersten Kompressorstufen bei 74 wieder eingeführt wird. Ein solcher Aufbau ist möglich, da der Druckpegel in den ersten Kompressorstufen bei niedrigen Leistungseinstellungen unteratmosphärisch ist, und jeglicher Abzapfstrom erfolgt naturgemäß in Figur 3 von rechts nach links, während der Strom bei
höheren Leistungseinstellungen umkehrt und rückwärts (von links
nach rechts) fließt. Dieser unerwünschte Rückstrom kann durch ein einfaches Rückschlagventil 76 vermieden werden, wenn dieses erwünscht ist.
Somit wurde ein Verfahren zum Reduzieren von CO und HC
Emissionen in einem Gasturbinentriebwerk geschaffen, indem ein
Teil des Antriebstluids (beispielsweise Luft) von einer ersten
Stelle abgezapft und an einer zweiten Stelle in den Triebwerksantriebsstrom wieder eingeführt wird, solange die Abzapfluft eine
höhere Temperatur als der Antriebsstrom an der Wiedereintrittsstelle hat und sich diese zumindest so weit stromaufwärts wie der Brennereinlaß befindet.
Dem Fachmann ist es klar, daß gewisse Änderungen und
Abwandlungen der oben beschriebenen Erfindung im Rahmen derselben durchgeführt werden können. Während beispielsweise die Führung
des Abzapfstroms in den Figuren 1-3 nur schematisch dargestellt ist, ist festzustellen, daß solche Leitungs- bzw. Führungsvorgänge im Rahmen der vorliegenden Erfindung entweder im Inneren des Triebwerks oder außerhalb desselben erfolgen können. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Gasturbinentriebwerken anwendbar, beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung hierauf,
auf Turbostrahl- und verstärkte Turbogebläseeinrichtungen.
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Claims (14)

  1. Ansprüche:
    Vi.!Verfahren zum Reduzieren der Abgasemissionen in einem Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor zum Verdichten eines Antriebsfluidstroms, ferner mit einem stromabwärts von dem Kompressor befindlichen Brenner und mit einer mit dem Kompressor antriebsmäßig verbundenen Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Antriebsfluids von einer ersten Triebwerksstelle bei einer relativ hohen Temperatur abgezapft und dann an einer zweiten Stelle stromaufwärts des Brenners, wo das Antriebsfluid in bezug auf den Abzapfteil eine relativ niedrige Temperatur hat, zurück in den Antriebsfluidstrom des Triebwerks geleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzapfteil des Fluidstroms stromaufwärts τηττί yijjfiTfctranr wieder in den Antriebsfluidstrom des Triebwerks eingeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Stelle stromabwärts vom Kompressor befindet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Stelle stromabwärts von dem Brenner befindet.
  5. 5. Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor zum Verdichten eines Antriebsfluidstroms, mit einem stromabwärts vom Kompressor befindlichen Brenner und mit einer mit dem Kompressor antriebsmäßig verbundenen Turbine, gekennzeichnet durch Mittel (46, 5o, 52, 54, 56, 58) zum Abzapfen eines Teils des Antriebsfluids von einer ersten Triebwerksstelle (45, 73) bei einer relativ
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    ORIGINAL INSPECTED
    hohen Temperatur und durch Mittel (48, 74) zum Wiedereinführen des Teils in den Antriebsfluidstrom des Triebwerks an einer zweiten Stelle stromaufwärts von dem Brenner (36) , wo das Antriebsfluid in bezug auf den Abzapfteil eine relativ niedrigere Temperatur hat.
  6. 6. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Triebwerksstelle stromaufwärts von dem Kompressor (22) befindet.
  7. 7. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Stelle stromabwärts von dem Kompressor (22) befindet.
  8. 8. Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Stelle stromabwärts von dem Brenner (36) befindet.
  9. 9. Triebwerk nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch Ventilmittel (68) in Reihenstroroschaltung zwischen den Abzapfmitteln (46, 5o, 52, 54, 56, 58) und den Wiedereinführungsmitteln (48, 74) und durch auf die Triebwerksleistungseinstellung ansprechende Steuerungsmittel (7o) zum Positionieren der Ventilmittel (68), um den Abzapfstrom auf einen Triebwerksbetrieb niedriger Leistung zu beschränken.
  10. 10. Triebwerk nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch Rückschlagventilmittel (76) in Reihenstromschaltung zwischen den Abzapfmitteln (46, 5o, 52, 54, 56, 58) und den Wiedereinführungsmitteln (48, 74), wobei sich die erste Triebwerksstelle bei einem Triebwerksbetrieb niedriger Leistung auf einem höheren Druck als die zweite Stelle und bei einem Triebwerksbetrieb bei höherer Leistung auf einem niedrigeren Druck als die zweite Stelle befindet.
  11. 11. Triebwerk nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (22) ein mehrstufiger Kompressor ist und daß sich die zweite Stelle in den vorderen Kompressorstufen befindet.
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  12. 12. Triebwerk nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von hohlen stationären Verstrebungen (66) stromaufwärts von den Kompressormitteln (22), wobei die Wiedereinführungsmittel eine Leitung zum Leiten des Abzapfstroms zum Inneren der Verstrebungen (66) enthalten, und durch eine Vielzahl von Öffnungen zum Ausstoßen des AbzapfStroms von den Verstrebungen (66) in den Antriebsfluidstrom.
  13. 13. Triebwerk nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zwischen zwei koaxialen ringförmigen Wandungen gebildeten ringförmigen Einlaßkanal (34) zum Leiten des Antriebsfluids in den Kompressor (22), wobei die Wiedereinführungsmittel eine Leitung zum Leiten eines Abzapfstroms zu einem an eine der Wandungen angrenzenden Raum (62) und Mittel (64) zum Ausstoßen des Abzapfstroms von dem Raum (62) in den Antriebstluidstrom enthalten.
  14. 14. Triebwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wandung die radial äußere Wandung ist und daß die Ausstoßmittel (64) eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, die eine Fluidströmungsverbindung zwischen dem Raum (62) und dem Antriebsfluidstrom herstellen.
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