DE3308416A1

DE3308416A1 - Lageraufbau fuer die verbrennungseinrichtung eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE3308416A1
Application number: DE19833308416
Authority: DE
Inventors: Peter Weston on Trent Derby Havercroft; Harry Duffield Derby Henshaw; Sidney Edward Foston Derbys Slattery
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-03-20
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1983-09-29
Also published as: JPH0114489B2; GB2117102A; FR2523646B1; GB2117102B; JPS58173316A; US4487015A; FR2523646A1

Description

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Lageraufbau für die Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lageranordnung für die Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinen-' triebwerks. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Anordnung zur Lagerung eines ringförmigen Flammrohres innerhalb eines Trägergehäuses, welches im radialen Abstand außerhalb des Falmmrohres liegt.

Die Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks ist hohen Temperaturen und thermischen Beanspruchungen unterworfen, die sich bei unterschiedlichen Triebwerksarbeitsbedingungen ändern. Während der Beschleunigung des Triebwerks steigt die Temperatur in der Verbrennungseinrichtung an und dies bewirkt, daß das Flammrohr und das Trägergehäuse in radialer Richtung expandieren. In gleicher Weise sinkt während der Verzögerung des Triebwerks die Temperatur in der Verbrennungseinrichtung und dies bewirkt, daß das Flammrohr und das äußere Gehäuse sich radial zusammenziehen. Das ringförmige Flammrohr und das Trägergehäuse haben unterschiedliche radiale thermische Expansionsbzw. Kontraktionsraten und bei der Verbrennungseinrichtung, in der das ringförmige Flammrohr starr auf dem Trägergehäuse gelagert ist, führt diese Differenz in den thermischen Ausdehnungs- bzw. Kontraktionsraten Spannungen in das ringförmige Flammrohr und das Trägergehäuse ein, und diese können zu einer Verzerrung oder Rissebildung des Flammrohres oder des Trägergehäuses führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lageraufbau für eine Verbrennungseinrichtung zu schaffen, die die Probleme der Verzerrung und Rissebildung in dem ringförmigen Flammrohr und dem Trägergehäuse infolge differentieller thermischer radialer Ausdehnung bzw. Zusammenziehung von ringförmigem Flammrohr und Trägergehäuse vermeidet.

Die Erfindung geht aus von einem Lageraufbau für die Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerkes mit einem ringförmigen Flammrohr, einem Trägergehäuse, das radial außerhalb des Flammrohres im Abstand zu diesem angeordnet ist und löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß ein relativ flexibler Trägeraufbau mit allgemein U-förmigem Querschnitt radial zwischen dem ringförmigen Flammrohr und dem Trägergehäuse angeordnet ist, daß ein erster Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus an dem ringförmigen Flammrohr und ein zweiter Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus am Trägergehäuse festgelegt ist, und daß der flexible Trägeraufbau eine relative Radialbewegung zwischen ringförmigem Flammrohr und Trägergehäuse gewährleistet

Das ringförmige Flammrohr kann an dem ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus durch mehrere Streben festgelegt sein, die von dem ringförmigen Flammrohr nach einer äußeren Diffuserwand vorstehen, die radial außerhalb des ringförmigen Flammrohres im Abstand zu diesem angeordnet ist, und es erfolgt eine Befestigung mit dem ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus.

Die äußere Diffuserwand kann an mehreren Verkleidungen befestigt sein, die in Radialrichtung verlaufen, wobei

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jede Verkleidung an dem ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus befestigt ist.

Die äußere Diffuserwand kann an mehreren Verkleidungen festgelegt sein, die in Radialrichtung verlaufen, wobei jede Verkleidung durch einen Schlitz in dem ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus hindurchsteht und wobei die Verkleidungen nicht am ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus befestigt sind.

Die Verkleidungen können an dem ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus an einer Stelle stromauf jener Stelle befestigt sein, wo die äußere Diffuserwand an dem ersten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus befestigt ist.

Das stromabwärtige Ende der äußeren Diffuserwand kann am stromabwärtigen Ende des ersten Schenkels des flexiblen Trägeraufbaus befestigt sein.

Das stromabwärtige Ende der äußeren Diffuserwand kann einen integralen Arm aufweisen, der nach stromauf gerichtet und am stromabwärtigen Ende des ersten Schenkels des flexiblen Trägeraufbaus festgelegt ist.

Das Trägergehäuse kann an dem zweiten Schenkel des flexiblen Trägeraufbaus über mehrere Bolzen festgelegt sein, die durch entsprechende Augen im Trägergehäuse hindurchgeführt sind und die einen Brenner an einer jeweiligen Brennerlagerplatte festlegen, wobei die Brennerlagerplatte an dem zweiten Schenkel des flexiblen

Trägeraufbaus festgelegt ist.

Die äußere Diffuserwand kann im radialen Abstand innerhalb des Trägergehäuses angeordnet sein.

Der flexible Trägeraufbau kann im Schnitt einen vollständigen Ring bilden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks, bei dem die Verbrennungseinrichtung ersicht-1 ich ist;

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 2 bei einer ersten Ausführungsform einer Lageranordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie C-C in Fig. 2;

Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung;

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Fig. 6 eine der Fig. 3 entsprechende Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Lageranordnung gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 umfaßt in Strömungsrichtung hintereinander einen Frontfan 12 und ein Kerntriebwerk 14. Das Kerntriebwerk 14 weist einen Kompressor 16, eine Verbrennungseinrichtung 18, eine Turbine 20 und eine Abgasdüse 22 auf. Im Betrieb wird Luft in das Gasturbinentriebwerk 10 eingesaugt und anfänglich durch den Fan komprimiert. Dann wird die Luftströmung in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster Teilstrom der Luft, die sogenannte "Kernluft" strömt in den Kompressor 16 ein, wo sie weiter komprimiert wird bevor sie in die Verbrennungseinrichtung 18 abfließt. Der in die Verbrennungseinrichtung 18 eingespritzte Brennstoff wird mit der Kernluft vermischt und das Brennstoff-Luftgemisch wird verbrannt, um heiße Gase zu erzeugen. Die heißen, durch die Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches erzeugten Gase strömen in die Turbine 10 ab und treiben diese an, die ihrerseits den Fan 12 und den Kompressor 16 antreibt. Dann verlassen die heißen Gase das Gasturbinentriebwerk durch die Abgasdüse 22. Der zweite Teilstrom der Luft strömt durch einen Ringkanal, der das Kerntriebwerk 14 umschließt.

Der Ausschnitt in Fig. 1 zeigt einen Teil der Verbrennungseinrichtung 18, die ein äußeres Gehäuse 24, ein Trägergehäuse 26, ein ringförmiges Flammrohr 28 und ein inneres Gehäuse 30 umfaßt.

Im folgenden wird auf die Fig. 2 bis 4 Bezug genommen, die eine Lageranordnung für die Verbrennungseinrichtung 18 zeigen.

Das ringförmige Flammrohr 28 besitzt einen Lufteinlaß 38 am stromaufwärtigen Ende und außerdem einen Kopf 32, der in Umfangsrichtung angeordnete öffnungen 34 aufweist. Eine Luftsprüh-Brennstoff-Brennerdüse ist koaxial in jeder Öffnung 34 angeordnet und spritzt ein Brennstoff-Luftgemisch in die Primärzone 36 des Flammrohres 28. Das Trägergehäuse 26 ist im radialen Abstand außerhalb des ringförmigen Flammrohres 28 angeordnet und ein äußerer Luftkanal 46 wird zwischen dem Trägergehäuse 26 und dem ringförmigen Flammrohr 28 definiert. In gleicher Weise liegt das Innengehäuse 30 im radialen Abstand innerhalb des ringförmigen Flammrohres 28 und ein innerer Luftkanal 48 wird zwischen dem inneren Gehäuse 30 und dem ringförmigen Flammrohr 28 definiert. Mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Kompressorauslaßleitschaufeln 40 richten die komprimierte Luft aus dem Kompressor 16 in den Lufteinlaß 38 des ringförmigen Flammrohres 28 und in die äußeren bzw. inneren Luftkanäle 46 bzw. 48. Eine innere Diffuserwand 44 erstreckt sich vom stromabwärtigen Ende der Auslaßleitschaufeln 40 nach dem stromaufwärtigen Ende des inneren Gehäuses 30 und eine äußere Diffuserwand 42 liegt im Abstand zum stromabwärtigen Ende der Auslaßleitschaufeln 40 und verläuft in Strömungsrichtung nach hinten und in Richtung nach außen nach dem Trägergehäuse, jedoch im radialen Abstand von diesem Trägergehäuse.

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Ein zylindrischer Aufbau 50, der einen konischen Querschnitt besitzt, sichert das stromaufwärtige Ende der Auslaßleitschaufeln 40 am Trägergehäuse 26.

Die äußere Diffuserwand 42 ist am stromaufwärtigen Ende des ringförmigen Flammrohrs 28 durch mehrere Streben 60 befestigt, die radial über den äußeren Luftkanal 46 verlaufen. Mehrere Verkleidungsaufbauten 56 sind an der Diffuserwand 42 angeordnet und erstrecken sich in Richtung von dieser äußeren Diffuserwand 42 nach außen nach dem Trägergehäuse 26 hin, aber im radialen Abstand zu diesem Trägergehäuse 26.

Ein relativ flexibler Trägeraufbau in Gestalt eines relativ flexiblen Ringes 54 weist einen U-förmigen Querschnitt auf und umfaßt einen inneren bzw. einen äußeren Schenkel 62 bzw. 64. Der Ring 54 ist radial zwischen dem äußeren Ende des Verkleidungsaufbaus 56 und dem Trägergehäuse 26 angeordnet und der innere Schenkel 62 des Rings ist am äußeren Ende des Verkleidungsaufbaus 56 und außerdem am stromabwärtigen Ende der äußeren Diffuserwand 42 befestigt. Ein Flansch 66 an dem äußeren Schenkel 64 des Ringes 54 ist am Trägergehäuse 26 befestigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der innere Schenkel 62 des Ringes 54 an dem Verkleidungsaufbau 56 und der äußeren Diffuserwand 42 durch Verlötung befestigt, jedoch können auch andere geeignete Verfahren angewandt werden. Der äußere Schenkel 64 des Ringes 54 ist durch Hartverlöten oder andere Maßnahmen mit einer Anzahl von Brennerlagerplatten 58 verbunden, die an einem entsprechen· den Vorsprung 52 im Trägergehäuse 26 über eine Anzahl von Bolzen getragen werden, die auch jeden Brenner in seiner

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Lage festhalten.

Der innere Schenkel 62 besitzt mehrere öffnungen, damit die Brenner innerhalb des ringförmigen Flammrohres festgelegt werden können.

Im Betrieb strömt komprimierte Luft vom Kompressor durch die Auslaßleitschaufeln 40 in den Einlaß 38 des ringförmigen Flammrohres 28 und durch die Luftsprühdüsen in die Primärzone 36, wo Primärluft mit Brennstoff vermischt wird, der aus den Brennerdüsen austritt und diese Mischung wird verbrannt.

Die durch die Verbrennung dee Brennstoff-Primär-Luftmischung erzeugte Hitze bewirkt, daß sich das ringförmige Flammrohr 28 und das ringförmige Trägergehäuse 26 radial ausdehnen. Wenn das Gasturbinentriebwerk beispielsweise unter Reisebedingungen arbeitet, nehmen ringförmiges Flammrohr 28 und Trägergehäuse 26 eine feste Beziehung zueinander ein, aber während der Beschleunigung und der Verzögerung des Gasturbinentriebwerks, d.h. wenn die Hitzeerzeugung im ringförmigen Flammrohr nicht konstant ist, dann dehnt sich das ringförmige Flammrohr mit einer größeren Geschwindigkeit aus als das ringförmige Trägergehäuse 26 und umgekehrt zieht es sich schneller zusammen als dieses.

Bei vielen modernen Gasturbinentriebwerken ist das ringförmige Flammrohr starr am Trägergehäuse durch einen Verkleidungsaufbau festgelegt, der jenem nach Fig. 3 entspricht, der jedoch sich in Radialrichtung nach außen von der äußeren Diffuserwand nach dem Trägergehäuse

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ausdehnen kann, und es sind mehrere Streben vorgesehen, die radial vom Flammrohr nach der äußeren Diffuserwand vorstehen. Die Verkleidungsaufbauten besitzen integrale Befestigungsmittel und mehrere Bolzen sichern die integralen Befestigungsmittel eines jeden Verkleidungsaufbaus und die entsprechenden Brennstoffbrenner an einem entsprechenden Ansatz oder Auge im Trägergehäuse.

Diese starre Befestigung des ringförmigen Flammrohres am äußeren Trägergehäuse führt dazu, daß Spannungen in das ringförmige Flammrohr, das Trägergehäuse und insbesondere in. die Streben eingeführt werden, und dies führt oft zu einer Verzerrung oder Rissebildung des ringförmigen Flammrohres, der äußeren Diffuserwand oder des Trägergehäuses.

Die vorliegende Erfindung löst die Probleme, die sich durch eine Verzerrung oder Rissebildung des ringförmigen Flammrohres 28 oder des Trägergehäuses 26 ergeben, dadurch, daß der Ring 54 zwischen das äußerste Ende des Verkleidungsaufbaus 56 und das Trägergehäuse 26 eingebaut wird. Der äußere Schenkel 64 des Rings 54 ist am Trägergehäuse 26 befestigt, und der innere Schenkel 62 ist am Verkleidungsaufbau 56 und an der äußeren Diffuserwand 42 festgelegt, während das stromabwärtige Ende der äußeren Diffuserwand 52 radial im Abstand zu dem Trägergehäuse 26 liegt.

Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 beschleunigt wird, dann dehnt sich das ringförmige Flammrohr 28 mit einer größeren Geschwindigkeit als das Trägergehäuse 26 aus, und

dies führt dazu, daß die Streben 60 und die äußere Diffuserwand 42 sich in Radialrichtung nach außen bewegt.

Die äußere Diffuserwand 42 ist in ihrer Radialbewegung nicht behindert, da ein Raum zwischen dem stromabwärtigen Ende der Diffuserwand 42 und dem Trägergehäuse besteht, und der Ring 54, der einen U-förmigen Querschnitt besitzt biegt sich, damit die äußere · Diffuserwand 42 sich radial nach außen' bewegen kann. Wenn das Triebwerk 10 abgebremst wird, dann zieht sich in gleicher Weise das äußere Flammrohr 28 mit einer größeren Geschwindigkeit als das Trägergehäuse 26 zusammen, und dies bewirkt, daß die Streben 60 und die äußere Diffuserwand 42 sich in einer Richtung radial nach innen bewegen. Die äußere Diffuserwand 42 ist an dieser Radialbewegung nicht gehindert, da der Ring 54 sich durchbiegt, so daß die äußere Diffuserwand 42 sich radial nach innen bewegen kann.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Lageranordnung, wobei das Lager im wesentlichen identisch ist dem Lager nach Fig. 3 mit dem Unterschied, daß der Ring 54 einen abgewandelten Querschnitt besitzt. Der äußere Schenkel 64 des Rings 54 besitzt keinen Flansch und der äußere Schenkel 64 biegt sich in Richtung nach außen und stößt gegen die Augen 52 des Trägergehäuses 26 an. Die Brennerlagerplatten 58 sind an der inneren Oberfläche des Schenkels 64 angelötet und am Trägergehäuse 26 durch Bolzen festgelegt, die die Brenner 34 in den Trägergehäusen 26 festlegen und in die Brennerlagerplatten 58 eingeschraubt sind.

Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der Lageranordnung, wobei der Trägeraufbau im wesentlichen identisch der Fig. 3 ist, mit dem Unterschied, daß der Ring 54 einen nochmals abgeänderten Querschnitt besitzt und die äußere Diffuserwand 42 abgewandelt wurde. Die äußere Diffuserwand 42 besitzt einen Arm 68, der in Richtung stromauf von dem stromabwärtigen Ende der äußeren Diffuserwand 42 verläuft, und der innere Schenkel 62 ist an seinem stromabwärtigen Ende abgebogen, damit er an dem Arm 68 anstößt, an dem er stumpf angeschweißt ist.

Um eine größere Flexibilität des Ringes 54 zu erreichen erstreckt sich das äußere Ende des Verkleidungsaufbaus 56 durch einen Schlitz 80 in dem ersten Schenkel 62 des Rings 54 und das äußere Ende des Verkleidungsaufbaus 56 ist nicht an dem ersten Schenkel 62 festgelegt. Dadurch wird es möglich, daß der gesamte erste Schenkel 62 des Rings 54 sich frei in Radialrichtung bewegen kann.

Der relativ flexible Trägeraufbau ist in mehreren Abschnitten hergestellt, die durch Stumpfschweißung miteinander verbunden sind. Es können jedoch zur Verbindung auch andere geeignete Verfahren benutzt werden. Der Ring 54 in Fig. 3 und 6 besteht aus zwei Teilen, wobei der erste Teil den inneren Schenkel 62 umfaßt, der aus Blech besteht, und der zweite Teil den äußeren Schenkel 64 und den Flansch 66 umfaßt, die als Schmiedewerkstück ausgebildet sind.

Der Ring 54 gemäß Fig. 5 besteht aus drei Abschnitten, nämlich dem ersten Abschnitt 70, der den Hauptteil des inneren Schenkels 62 umfaßt und aus Blech hergestellt

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ist, dem zweiten Abschnitt 72, der das stromaufwärtige Ende des inneren Schenkels 62 umfaßt und dem dritten Abschnitt 74, der den äußeren Schenkel 64 umfaßt. Der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt 72 bzw. 74 sind als Schmiedewerkstücke hergestellt.

Claims

Patentanwälte · ·\.·.: : -Dipt.!-1 ag. Curt Wallach

Europäische Patentvertreter '"* "' '"'''0IPt-^O- 6ünther Koch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tlno Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

9. März 1983

Datum:
Rolls-Royce Limited Unser Zeichen: 17 633 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Lageraufbau für die Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks

Patentansprüche:

Lageraufbau für die Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks mit einem ringförmigen Flammrohr, einem Trägergehäuse, das radial außerhalb des Flammrohres im Abstand zu diesem angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein relativ flexibler Trägeraufbau (54) mit allgemein U-förmigem Querschnitt radial zwischen dem ringförmigen Flammrohr (28) und dem Trägergehäuse (26) angeordnet ist, daß ein erster Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) an dem ringförmigen Flammrohr. (28) und ein zweiter Schenkel (64) des flexiblen Trägeraufbaus (54) am Trägergehäuse (26) festgelegt ist, und daß der flexible Trägeraufbau (54) eine relative Radialbewegung zwischen ringförmigem Flammrohr (28) und Trägergehäuse (26) gewährleistet

2. Lageraufbau nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Flammrohr (28) am ersten Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) über mehrere Streben (60) fest· gelegt ist, die von dem inneren Flammrohr (28)

nach einer äußeren Diffuserwand (42) vorstehen, die im radialen Abstand außerhalb des ringförmigen Flammrohres (28) angeordnet und an dem ersten Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt ist.

3. Lageraufbau nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende der äußeren Diffuserwand (42) am stromabwärtigen Ende des ersten Schenkels (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt ist.

4. Lageraufbau nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende der äußeren Diffuserwand (42) einen integralen Arm (68) aufweist, der sich in Richtung stromauf erstreckt und am stromabwartigen Ende des ersten Schenkels (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt ist.

5. Lageraufbau nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Diffuserwand (42) an mehreren Verkleidungen (56) festgelegt ist, die in Radialrichtung verlaufen, wobei jede Verkleidung am ersten Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt ist.

6. Lageraufbau nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Diffuserwand (42) an mehreren Verkleidungen (56) festgelegt ist, die in Radialrichtung verlaufen, wobei jede Verkleidung (56) durch einen Schlitz (80) in dem ersten Schenkel (62) des flexiblen

Trägeraufbaus (54) hindurchsteht, und daß die Verkleidungen (56) nicht am ersten Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt sind.

7. Lageraufbau nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (56) an dem ersten Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) an einer Stelle stromauf jener Stelle festgelegt sind, wo die äußere Diffuserwand (42) an dem ersten Schenkel (62) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt ist.

8. Lageraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergehäuse (26) am zweiten Schenkel (64) des flexiblen Trägeraufbaus (54) durch mehrere Bolzen festgelegt ist, die durch entsprechende Augen (52) im Trägergehäuse (26) gesteckt sind, und einen Brenner (34) an der jeweiligen Brennerlagerplatte (58) festlegen, und daß die Brennerlagerplatte (58) an dem zweiten Schenkel (64) des flexiblen Trägeraufbaus (54) festgelegt ist.

9. Lageraufbau nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Diffuserwand (42) radial nach innen gegenüber dem Trägergehäuse (26) distanziert ist.

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10. Lageraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Trägeraufbau (54) von einem geschlossenen Ring gebildet ist.

11. Gasturbinentriebwerk,

dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgerüstet ist.