DE2909394A1

DE2909394A1 - Gasturbinenanlage, vorzugsweise -triebwerk, insbesondere zum antrieb eines kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE2909394A1
Application number: DE19792909394
Authority: DE
Inventors: Josef Ing Grad Hueller; Wolfram Dipl Ing Krockow
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1979-03-09
Filing date: 1979-03-09
Publication date: 1980-09-18
Also published as: JPS55160127A; JPS5920853B2; GB2044361A; DE2909394C2; GB2044361B; US4307568A

Description

Gasturbinenanlage, vorzugsweise -triebwerk-, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Gasturbinenanlagen sind allgemein bekannt. Im genannten Wärmetauscher wird ein Teil der"Wärme, die im Turbinenabgas enthalten ist, der vom Verdichter kommenden Luft vor ihrem Eintritt in die Brennkammer zugeführt. Dadurch hat die Gasturbinenanlage einen besseren spezifischen Brennstoffverbrauch. Es können spezifische Brennstoff verbrauche erreicht werden, die etwa so klein wie oder kleiner als die eines Dieselmotors sind, so daß z. B. Gasturbxnentrxebwerke zum Antrieb von Kraftfahrzeugen im allgemeinen einen solchen Wärmetauscher aufweisen.

Durch die dadurch relativ hohen Brennkammereintrittstemperaturen hat diese Luft eine relativ geringe Kühlkapazität,

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um die vorwiegend aus Blech bestehenden Brennkammerwände vor den heißen Gasen zu schützen und wirtschaftliche, d. h. genügend lange Standzeiten dieser Wände zu erzielen.

Ein weiteres Problem stellt sich durch die zunehmende Verschärfung der Abgasvorschriften bzw. die zunehmend schärfere Limitierung (Begrenzung) der Schadstoffmengen, weil z. B. die Emission (der Ausstoß) von Stickoxiden (NO ) durch die- exponentielle Temperaturabhängxgkeit dieser Emission bei der Verwendung vorgewärmter Luft stark zunimmt .

Es ist bekannt (US-PS 37 05 492)^ einen Teil der vom Verdichter kommenden Luft vor dem Wärmetauscher abzuzweigen und dem vorderen Gebiet der Brennkammer zuzuführen und den anderen Teil im Wärmetauscher zu erwärmen und der Brennkammer weiter hinten zuzuführen. Auf diese Weise wird die Erzeugung von Stickoxiden vermindert, und zwar wegen der niedrigeren Höchsttemperatur in der Verbrennungszone. Ähnliches ist bekannt (US-PS 38 26 078, 39 86 347^vund 40 12 902), um die Erzeugung von Stickoxiden und Kohlenmonoxid (CO) und die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) zu vermindern. In allen Fällen ergibt sich aber, wegen der vor dem Wärmetauscher erfolgenden Abzweigung von Luft für die Brennkammer, ein kleinerer

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thermischer Wirkungsgrad bzw. ein Leistungsverlust der Gasturbinenanlage bzw. des Gasturbinentriebwerks.

Die anfangs genannte Lufttemperaturabnahme (ungleichmäßige Lufttemperaturverteilung, inhomogenes Lufttemperaturfeld) über den Luftaustritt ergibt sich beim Drehregenerator durch das verhältnismäßig langsame Drehen seines Rotors (Läufers) bzw. seiner Matrix. Es ist die Aufheizung der Luft dort am größten, wo die aufgeheizte Matrix in die Luftseite eintritt. Auf dem Weg durch die Luftseite gibt die Matrix Wärme an die Luft ab, so daß über den Luftaustritt die Lufttemperatur in Drehrichtung der Matrix abnimmt. Der Unterschied zwischen dem Höchstwert und dem Tiefstwert dieser Luftaustrittstemperatur ist von der Auslegung des Wärmetauschers abhängig, wobei dieser unterschied bei einem sich langsam drehenden Drehregenerator größer ist als bei einem sich schneller drehenden. Beim Kreuzstromrekuperator ist die Aufheizung der Luft längs der Abgaseintrittsseite am größten und, da das Abgas auf seinem Weg zur Abgasaustrittsseite Wärme abgibt, längs der Abgasaustrittsseite am kleinsten, so daß längs des Luftaustritts die Lufttemperatur auf diesem Weg bzw. in dieser Richtung abnimmt.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, einen Schutz des Brennkammerkopfes vor zu großer Hitze und eine Verminderung der

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Erzeugung von Stickoxiden (NO ) oder überhaupt eine schadstoffvermindernde Verbrennung ohne oder mit weniger Leistungsverlust der Gasturbinenanlage bzw. des Gasturbinentriebwerks als vorn erwähnt zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst,-

Durch diese Erfindung können von dem Wärmetauscher-Luftaustritt bzw. der Unterteilung bzw. differenzierten Unterteilung des inhomogenen Luftaustrittstemperaturfelds her die niedrigen Temperaturen zum einen zur Brennkammerkopf-Kühlung und zum anderen zur Verminderung der NO -Erzeugung in der Brennkammerprimärzone und die hohen Temperaturen in den hinteren Brennkammerzonen zum Zwecke der Reduzierung der Emission von Kohlenmonoxid und der Reduzierung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Genannte Abzweigluft von vor dem Wärmetauscher kann geringer sein oder in Wegfall kommen, so daß ein kleinerer oder kein Leistungsverlust eintritt.

Die Brennkammer der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ist im allgemeinen eine Einrohrbrennkammer/ eine Ringbrennkammer (Hohlring mit rohrartigem Querschnitt) oder eine Rohr-Ringbrennkammer (Einrohrbrennkammern über 360°

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verteilt angeordnet), in allen diesen Fällen axial bzw. ringaxial durchströmt.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung und der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. Es handelt sich um baulich relativ einfache, ferner sinnvolle und recht praktische und gedrängte Ausführungen bzw. Gesamtausführungen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Temperaturverläufen bei den Wärmetauschern und des erfindungsgemäßen Gegenstands schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt für einen Regenerativwärmetauscher, und zwar Drehregenerator mit scheibenförmiger Matrix, ein Diagramm, in dem die Matrixtemperaturen und die Eintritts- und die Austrittstemperaturen des Abgases und der Luft über dem Umfang aufgetragen sind;

Fig. 2 zeigt bei einem KreuzStromrekuperator Diagramme, in denen die Eintritts- und die Austrittstemperaturen des Abgases und der Luft längs der Eintritte und Austritte in Abgas- bzw. Luftdurchströmrichtung aufgetragen sind;

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Pig. 3 zeigt die Erfindung bei einem Drehregenerator;

Fig. 4 zeigt die Erfindung bei einem KreuzStromrekuperator;

Fig. 5 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit zwei Drehregeneratoren , in einem Längsschnitt,

Fig. 6 zeigt dies in einem darauf senkrecht stehenden Längsschnitt VI-VI (Fig. 5) ,

Fig. 7 zeigt dies in einem Querschnitt VII-VII (Fig. 5), und

Fig. 8 zeigt dies in einem Querschnit VIII-VIII (Fig. 7);

Fig. 9 zeigt ein weiteres Gasturbinentriebwerk, mit zwei Kreuzstromrekuperatoren, in einem Längsschnitt, und

Fig. 10 zeigt dieses Triebwerk in einer Ansicht aus der axialen Richtung X.

In Fig. 1 geben die Pfeile χ an, daß das Abgas und die Luft die Matrix einander entgegengesetzt durchströmen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß in Umfangs- und Drehrichtung die Matrixtemperaturen ti bis ti über der

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Abgasseite kontinuierlich von einem Tiefstwert auf einen Höchstwert ansteigen und die Matrixtemperaturen t₁ bis t^ über der Luftseite kontinuierlich von diesem Höchstwert auf diesen Tiefstwert abnehmen. Gleichartig verhält es sich mit den Abgas-· und Lufttemperaturen in der Matrix, die das Diagramm aber nicht enthält, und mit der Abgastemperatur über dem Abgasaustritt, also mit t^^asAA' ^und/ ^{was fü}*" die Erfindung wichtig ist, mit der Lufttemperatur über dem Luftaustritt, also mit t -ρ-μά* ^D^^e ^kgastemperatur über dem Abgaseintritt, also t - _sa-"> ^^st konstant, desgleichen die Lufttemperatur über dem Lufteintritt, also ^LuftLE'

Die im Rekuperator 10 von Fig. 2 eingetragenen Pfeile deuten den Kreuzstrom an. Der Abgasstrom und' der Luftstrom nehmen jeweils die volle zugehörige Breite des Rekuperators 10 ein. Aus den Diagrammen ist ersichtlich, daß die Abgaseintrittstemperatur konstant und die Abgasaustrittstemperatur nicht konstant ist und daß die Lufteintrittstemperatur konstant ist und, was für die Erfindung wichtig ist, die Luftaustrittstemperatur längs des Luftaustritts in Abgasdurchströmrichtung abnimmt.

Gemäß Fig. 3 tritt die Luft in den Drehregenerator bzw. dessen scheibenförmige, sich in Richtung des Pfeils 13

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um eine Achse 14 drehende Matrix 11 in Richtung der Pfeile 29 ein und in erwärmtem Zustand aus der Matrix 11 in Richtung der Pfeile 30 aus. Der Luftaustritt ist in Bereiche 15 bis 18 unterteilt, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen, wobei deren mittlere Luftaustrittstemperaturen T₁ bis T. in Richtung des Pfeils 13 gemäß T₁ < T₂ <T₃-i-T. abnehmen. Von den Bereichen 15 bis 18 führen voneinander getrennte Luftkanäle 19 bis 22 zu Gebieten 24 bis 27 einer rohrförmigen Brennkammer (Rohrbrennkammer) 23. In diese Gebiete 24 bis 27 treten die betreffenden Luftströme etwa mit den Temperaturen T₁ bis T. ein. Die Brennkammer 23 hat überall kreisförmigen Querschnitt. Die Gebiete 24 bis 27 folgen in rohraxialer, durch den Pfeil 31 angegebener Richtung aufeinander. Der Luftkanal 19 mit der kühlsten Luft (T.) führt zum Gebiet 24 bzw. zum Brennkammerkopf 28, der Luftkanal 20 (T₂) ^zum anschließenden Gebiet 25, der Luftkanal 21 (T ) zum Gebiet 26 und der Luftkanal 22 mit der wärmsten Luft (T.) zum Gebiet Die Gebiete 25 bis 27 weisen in der Brennkammerwand jeweils eine 36O°-Umfangsreihe Luftöffnungen 12 auf, durch die die Luft aus den Luftkanälen 20 bis 22 in das Innere der Brennkammer 23 eintritt. Auch der Brennkammerkopf 28 weist Luftöffnungen auf, die aber nicht dargestellt sind; die dortige Lufteinströmung ist durch die Pfeile 79 und 80 angedeutet.

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Die Größe der Bereiche 15 bis 18 nimmt von Bereich zu Bereich in Richtung der Zunahme der Luftaustrittstemperatur von T₁ auf T₄ zu. Das Gleiche gilt für die rohraxiale Breite der Gebiete 25 bis 27 in Richtung des Pfeils 31. Das Gebiet 24 jedoch ist rohraxial breiter als das Gebiet 25, unter anderem weil der Brennkammerkopf 28 rohraxial ausladend ist. Auch die Summe der Querschnitte der Luftöffnungen 12 je Gebiet 25 bis 27 nimmt in Richtung des Pfeils 31 zu, was nicht besonders dargestellt ist.

Die Luftkanäle 19 bis 22 sind durch Außenwände 32 und 36 und Trennwände 33 bis 35 gebildet. Es sind jeweils zwei benachbarte Luftkanäle durch ein und dieselbe Trennwand voneinander getrennt, z. B. die Luftkanäle 20 und 21 durch die Trennwand 34. Die Breiten der Gebiete 24 bis 27 reichen jeweils von einer Trennwand zur nächsten Trennwand.

Es handelt sich gemäß Fig. 3 mit anderen Worten um eine differenzierte Unterteilung des inhomogenen Lufttemperaturfelds im Wärmetauscher-Luftaustritt mit daran anschließenden, durch Trennwände geführten Luftstrombahnen verschiedener Lufttemperaturen zu bestimmten Gebieten der Brennkammer. Die Luft dient im Inneren der Brennkammer unter anderem der differenzierten Schadstoffverminderung, und zwar die

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Luft in den Gebieten 24 und 25, die beide"die Brennkammerprimärzone darstellen oder einschließen, der NO -Verminde-

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rung und die Luft in den Gebieten 26 und 27 der Verminderung der CO-Emission und der Verminderung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Die im Gebiet 24 ankommende Luft dient ferner der Kühlung des Brennkammerkopfes 28. Dem Brennkammerkopf 28 wird auch Brennstoff zugeführt. Mit 81 ist der Heißgasaustritt der Brennkammer 23 bezeichnet.

In Fig. 4 deuten die Pfeile 37 den Abgasstrom und die Pfeile 39 den Luftstrom durch den KreuzStromrekuperator 38 an, aus dem die erwärmte Luft in Richtung der Pfeile 40 herausströmt. Der Luftaustritt des Rekuperators 38 ist in Bereiche 41 unterteilt, die in Richtung des genannten Abgasstroms aufeinanderfolgen und deren mittlere Luftaustritts- · temperaturen T₁ bis T. in dieser Richtung gemäß T₁<T₂<T₃<T- abnehmen. Für die Brennkammer 23, die Gebiete 24 bis 27, die Luftkanäle 19 bis 22, die Wände 32 bis 36, die Luftöffnungen 12 und die Zwecke der verschiedentemperaturigen Luftzuströme in den Gebieten 24 bis 27 gilt das, was bei Fig. 3 ausgeführt ist.

Gemäß Fig. 5 bis 8 handelt es sich um ein Zweiwellentriebwerk mit einem Gaserzeuger und einer einstufigen, axialen

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Nutzleistungsturbine (Freiturbine). Der Gaserzeuger weist einen einstufigen Radialverdichter für die Luft, eine
Rohrbrennkammer 23 und eine einstufige, axiale Gaserzeugerturbine auf. Das Laufrad 43 des Radialverdichters und das Laufrad 44 der Gaserzeugerturbine sitzen auf einer gemeinsamen Welle 45. Diese fluchtet mit der Welle 46, auf der
das Laufrad 47 der Nutzleistungsturbine sitzt. Die Brennkammer 23 ist vertikalstehend in einer die Welle 45 enthaltenden Vertikalebene oberhalb der Welle 45 angeordnet. Der Brennkammerkopf 28 liegt über dem Brennkammeraustritt (Heißgasaustritt). Die beiden Drehregeneratoren 48 und 49 sind gleich und haben jeweils einen scheibenförmigen Rotor bzw. eine scheibenförmige Matrix, und die beiden Achsen
dieser Rotoren fluchten miteinander und liegen horizontal und senkrecht zur Achse der Wellen 45 und 46. Die beiden
Regeneratoren 48 und 49 sind auf zwei Längsseiten des
Triebwerks bzw. der Gasturbinen symmetrisch zu den Wellen 45 und 46 angeordnet. Die Luftaustritte bzw. -austrittsbereiche (15 bis 18) der beiden Regeneratoren 48 und 49
sind einander zugewandt.

Durch den Radialverdichter (43) wird die Luft - siehe den Pfeil "Luft" in Fig. 5, 6 und 8 - angesaugt, verdichtet
und den Regeneratoren 48 und 49 - siehe die Pfeile 5O und in Fig. 6 - zugeführt, die sie etwa matrixaxial durch-

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strömt- lind aus denen sie vom Abgas erwärmt in vier Strömen - siehe die vier Pfeile 52 und die vier Pfeile 53 in Fig. 7 - durch vier Luftkanäle 19 bis 22 hindurch zu den genannten Zwecken in die Brennkammer 23 strömt. Für die-Luftaustrittsbereiche (15 bis 18) jedes der beiden Regeneratoren 48 und 49, die Brennkammer 23, die Brennkammergebiete (24 bis- 27)y die Luftkanäle 19 bis 22; die Wände 32 bis 36 - siehe Fig. 7 und 8 - und die Luftöffnungen 12 gilt das, was: bei Fig. 3 ausgeführt ist. Bei der vorgegebenen Drehrichtung - siehe den Pfeil 54 in Fig. 5 und 8 - der Matrixscheiben und mit den Trennwänden 33 bis 35 ergibt sich, daß die kühlste Luft des Luftaustrittsbereichs (15 bis 18) dem Brennkammerkopf 28 zugeführt wird usw. - siehe die abgestufte (differenzierte) Zuführung gemäß Fig. 3. Die der Brennkammer 23 aus den Luftkanälen 19 bis 22 zugeführte Luft dient der Verbrennung von Brennstoff mit Schadstoff verminderung und der Kühlung der Brennkammer 23, wobei mit Luftüberschuß gearbeitet wird, so daß das die Brennkammer 23 verlassende Heißgas ein Gemisch von Verbrennungsgasen und überschußuft ist. Dieses Heißgas ist schadstoffvermindert und strömt durch, einen Gasverteiler 55 und dann als Treibmittel hintereinander durch die Gaserzeugerturbine (44) und die Nutzleistungsturbine (47), wonach das Abgas durch die Regeneratoren 48 und 49 strömt und dann durch Abgasstutzen hindurch das Triebwerk verläßt - siehe die

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Pfeile "Abgas" in Fig. 5 und 6. Die Leistung'der Nutz- -leistungsturbine- (47) wird von der Welle 46-über ein Untersetzungsgetriebe 42-.abgegeben. - In entsprechender oder ähnlicher Bauweise■läßt sich ein Triebwerk mit nur .einem einzigen Drehregenerator und den erf xndungs gemäßen Herkraalen verwirklichen.

Das Triebwerk gemäß Fig. 9 und 10 ist ein Einwellentriebwerk. Seine Rohrbrennkammer 56 ist mit der betreffenden Welle 57 fluchtend und strömungsmäßig vor dejfc zweistufigen Axialturbine 58 angeordnet. Die beide Kreuzstromrekuperatoren 59 und 60 sind gleich und auf zwei Längsseiten des Triebwerks bzw. der Axialgasturbine 58 längs desselben bzw. derselben und symmetrisch zur Welle 57 angeordnet und haben im weIlensenkrechten Querschnitt (und in der Ansicht gemäß Fig. 10) jeweils die Form eines Kreissegments mit Mittelpunkt auf der Achse der Welle 57. Sie werden von der vom Radialverdichter 61 gelieferten Luft der Länge nach und entgegen der axialen Durchströmrichtung der Axialturbine 58 und vom Abgas von radial innen nach radial außen durchströmt. Durch die Pfeile 62, 63 und 77 ist der Weg der Luft angedeutet. In den Rekuperatoren 59 und 60 durchströmt sie Längskanäle 64. Durch die Pfeile 65 bis 70 ist der Weg des Abgases angedeutet. Das Abgas verläßt das Trieb-

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werk durch zwei Abgasschächte 71 und 72. Durch.die genannte Abgasströmung in den Rekuperatoren 59.und 60 wird die Luft in* ihnen nach radial außen hin geringer aufgeheizt, so daß also die Lufttemperatur über den dortigen Luftaustritt in Richtung dieser Abgasströmung abnimmt. Es gibt wieder Vier zugehörige Lüftkahäle, 73, und dafür zwei Außenwände 74 und 75 und drei Trennwände 76. Die Pfeile 78 deuten den Eintritt der vier zugehörigen Luftströme in die vier Brennkammergebiete oder -zonen an. Wie auch gemäß Fig. 5 bis 8 sind auch die brennkammerseitigen Enden der Luftkanäle 73 durch die drei Trennwände 76 voneinander getrennt. Auch gemäß Fig. 9 und 10 beaufschlagt die Luft des kühlsten LuftStroms den Brennkammerkopf. Auch in der Brennkammer 56 findet durch diese differenzierte Luftzuführung die schon früher erläuterte schadstoff reduzierende Verbrennung statt. - Die Nutzleistung wird wie gemäß Fig. 5 bis 8 abgegeben.

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Claims

Patentansprüche

Gasturbinenanlage, vorzugsweise -triebwerk, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit Luftverdichter und Gasturbine, einem Abgas-Luft-Wärmetauscher, über dessen Luftaustritt die Lufttemperatur in einer Richtung abnimmt, besonders Drehregenerator oder Kreuzstromrekuperator dieser Art, und einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß von Bereichen des Wärmetauscher-Luftaustritts, die in der genannten Richtung (Pfeile 13 und 37) aufeinanderfolgen, voneinander getrennte Luftkanäle zu verschiedenen Gebieten der Brennkammer (23) führen, und zwar der Luftkanal mit der kühlen Luft zum vorderen, der Luftkanal (20) mit der nächstwärmeren Luft zum anschließenden Gebiet der Brennkammer (23) und gegebenenfalls so weiter.

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2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß von vier genannten Bereichen (15 bis 18; 41) vier genannte Luftkanäle (19 bis 22) zu vier, genannten Brennkammergebieten (24 bis 27) führen, und zwar der Luftkanal (19) mit der kühlsten Luft zum Gebiet (24) des Brennkammerkopfes (28) , der Luftkanal (20) mit der nächstwärmeren Luft zum anschließenden Gebiet (25) der Brennkammer (23) usw.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von benachbarten genannten Bereichen (16, 17; 41, 41) ausgehende genannte Luftkanäle (20, 21) bis zu den Brennkammergebieten (25, 26) durch ein und dieselbe Trennwand (34) voneinander getrennt sind.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von genannten Luftaustrittsbereichen (15 bis 18), die zu zwei auf zwei Längsseiten der Gasturbine (Laufräder 44 und 47) angeordneten Drehregeneratoren (48, 49) gehören, genannte Luftkanäle (19 bis 22) zu den genannten Gebieten einer Brennkammer (Rohrbrennkammer (23)) führen, die in einer die Gasturbinenachse (Wellen 45 und 46) enthaltenden, zwischen den beiden Drehregeneratoren

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(48, 49) liegenden Ebene senkrecht oder schräg zur Gasturbinenachse (45, 46) angeordnet ist.
5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von genannten Luftaustrittsbereichen, die zu zwei auf zwei Längsseiten der Gasturbine (58) angeordneten, vom Abgas von radial innen nach radial außen (Pfeile 65 bis 69) und von der Luft längs und entgegen (Pfeil 77) der axialen Einströmrichtung der Gasturbine (58) durchströmten Kreuzstromrekuperatoren (59, 60) gehören, genannte Luftkanäle (73) zu den genannten Gebieten einer insbesondere gasturbinenaxial angeordneten Brennkammer (Rohrbrennkaramer (56)) führen.

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