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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Gasturbinen-Brennkammer. Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung eine
Gasturbinen-Vorschaltbrennkammer, die in erster Linie durch
indirektes Erhitzen in einer Feuerung, der einen festen
Kraftstoff verbrennt, befeuert wird.
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Hochleistungsstarke, mit niederen Kapitalkosten und kurzer
Vorlaufzeit behaftete, auf der Grundlage von Gasturbinen
betriebene Systeme sind schon immer als Mittel zur Erzeugung
von elektrischer Energie für elektrische Vorrichtungen
attraktiv gewesen. Herkömmlicherweise ist Gasturbinenbetrieb
jedoch auf teuere, manchmal auch knappe, Kraftstoffe
beschränkt - in der Hauptsache Destillatöl und Naturgas.
Wegen der leichteren Verfügbarkeit und der niedrigeren Kosten
für Kohle wurden bereits beträchtliche Bemühungen darauf
verwendet, ein Gasturbinensystem zur Erzeugung elektrischer
Energie zu entwickeln, das Kohle als Primärkraftstoff
einsetzen kann.
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Leider führt das Verbrennen von Kohle direkt im Heißgas, das
durch den Turbinenabschnitt der Gasturbine strömen soll, zu
einer Reihe von Problemen wie z.B. die Erosion der
Turbinenschaufeln aufgrund der Partikelmaterie, die vom Gas
mitgerissen wird, und Korrosion infolge verschiedener
Verunreinigungen in der Kohle. Aus diesen Gründen hat sich das Interesse
in erster Linie auf die indirekte Erwärmung des sich im
Turbinenabschnitt auszudehnenden Gases durch Leiten der
verdichteten Luft aus dem Verdichterabschnitt der Gasturbine
durch einen Wärmeaustauscher, der in einer kohlebefeuerten
Feuerung, wie z.B. in einer Wirbelbett-Brennkammer,
angeordnet ist. Solche Wärmeaustauscher sind jedoch nicht in der
Lage, die in die Turbine einströmende Luft auf die für einen
Hochleistungswirkungsgrad in modernen Turbinen erforderliche
Temperatur zu erwärmen.
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Es wurde also vorgeschlagen, eine Vorschaltbrennkammer
einzusetzen, die einen herkömmlichen Gasturbinenkraftstoff
(d.i. Naturgas oder Destillatöl Nr. 2) verbrennt, um das vom
Wärmeaustauscher kommende Gas weiter aufzuheizen. Ein
solches Schema wird in US-Patent Nr. 4,369,624 gezeigt.
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Leider sind herkömmliche Gasturbinenbrennkammern zum Einsatz
als Vorschaltbrennkammer aus verschiedenen Gründen nicht
geeignet. Zunächst benötigen sie Verbrennungsluft zum Kühlen.
Bei herkömmlichen Gasturbinen ist das kein Problem, weil die
Verbrennungsluft ganz einfach die aus dem Verdichterabschnitt
ausströmende verdichtete Luft ist. Die Temperatur dieser Luft
liegt in der Regel bei nur 370ºC (700ºF) und ist daher für
Kühlzwecke geeignet. Hingegen benutzen die
Vorschaltbrennkammern Luft aus dem Kohlenofen-Wärmeaustauscher als
Verbrennungsluft, und die Temperatur dieser Luft muß verhältnismäßig
hoch sein, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, in der
Regel 980ºC (1800ºF). Daraus ergibt sich, daß eine
herkömmliche Gasturbinenbrennkammer für eine annehmbare Lebensdauer
nur unzureichend gekühlt würde, wenn sie als
Vorschaltbrennkammer eingesetzt wird. Zweitens fördert die hohe Temperatur
der an die Vorschaltbrennkammer geleiteten Verbrennungsluft
die Bildung von Stickoxiden (NOx), eine schädliche
Luftverschmutzung.
Daher ist der mit einer solchen Hochtemperatur-
Verbrennungsluft einhergehende, von einer herkömmlichen
Gasturbinenbrennkammer produzierte NOx-Gehalt unzulässig.
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Somit ist Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung das
Bereitstellen einer Vorschaltbrennkammer für eine indirekt
befeuerte Gasturbine, die heiße, verdichtete Luft aus einem
Wärmeaustauscher als Verbrennungsluft benutzt und die doch
eine ausreichende Kühlung für eine gute Lebensdauer erzielt
und die Bildung von NOx minimiert.
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Im Hinblick auf diese Aufgabe beruht die vorliegende
Erfindung auf einem Gasturbinen-Kraftwerk, enthaltend: Eine
Gasturbine mit einem Verdichterabschnitt zum Verdichten von
Luft sowie einen Turbinenabschnitt zum Ausdehnen eines
Heißgases; eine Festkraftstoff-Feuerung einschließlich des
damit verbundenen Wärmeaustauschers, der wenigstens einen
ersten Teil der verdichteten Luft aus dem Verdichterabschnitt
aufnimmt und dabei heiße verdichtete Luft produziert; und
eine Vorschaltbrennkammer, die so angeschlossen ist, daß sie
die heiße Verdichterluft aufnimmt, und so eingerichtet ist,
daß sie flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff verbrennt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschaltbrennkammer einen
inneren Kanal aufweist, der eine Reaktionszone zum Verbrennen
des flüssigen bzw. gasförmigen Kraftstoffs aufweist, um die
Temperatur der heißen, verdichteten Luft zu erhöhen, bevor
sie in den Turbinenabschnitt und zu einem Außenkanal geführt
wird, der einen ringförmigen Durchgang zur
Strömungsverbindung mit dem Verdichterabschnitt und mit dem Wärmeaustauscher
aufweist, so daß ein erster Teil der verdichteten Luft durch
den Durchgang strömt; und daß ein Brenner im inneren Kanal
angeordnet ist und eine Plattenbaugruppe enthält, auf der
eine Vielzahl von Kraftstoffdüsen montiert sind, und die in
Strömungsverbindung mit dem Verdichterabschnitt steht, so daß
ein zweiter Teil dieser verdichteten Luft, die von dem
Verdichterabschnitt erzeugt wird, durch diese Plattenbaugruppe
und in die Kraftstoffdüsen geführt wird.
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Die Erfindung wird leichter verständlich aus der
nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die
beispielhaft in den begleitenden Zeichnungen gezeigt wird, in
diesen ist
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer indirekt
befeuerten Gasturbine in einem Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus,
die eine solchen Vorschaltbrennkammer nach dem Stand der
Technik anwendet.
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Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht durch die obere Hälfte
einer Gasturbine, der die Vorschalt-Brennkammer gemäß der
vorliegenden Erfindung in eine herkömmliche Gasturbine
integriert zeigt.
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Fig. 3 ist eine detaillierte Ansicht des Teils der
Vorschaltbrennkammer, die in Fig. 2 im Kreis III eingeschlossen
dargestellt wird.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in
Fig. 3.
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Fig. 5 ist eine isometrische Ansicht der in Fig. 3 gezeigten
Kraftstoffdüse.
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In Fig. 1 wird eine indirekt befeuerte Gasturbine eines
Kraftwerks im kombinierten Zyklus gemäß Stand der Technik
gezeigt. Umgebungsluft 11 tritt in den Verdichterabschnitt 2
einer Gasturbine 1 ein. Die vom Verdichterabschnitt 2
verdichtete Luft 16 tritt in einen Wärmeaustauscher 13 ein, der
in einer Feuerung 5 angeordnet ist, der festen Brennstoff 10
wie z.B. Kohle verbrennt. Die Feuerung 5 kann vom
atmosphärischen Wirbelbett-Typ sein. Wie bereits besprochen, ist als
praktisches Beispiel der Wärmeaustauscher nur in der Lage,
die Luft auf etwa 980ºC (1800ºF) aufzuheizen. Daher wird die
heiße, verdichtete Luft 22 aus dem Wärmeaustauscher 13 zu
einer vorgeschalteten Brennkammer 6 geleitet, die mit einem
herkömmlichen Brennstoff 12, wie z.B. Naturgas oder
Destillattöl Nr. 2 beschickt wird. Die Vorschaltbrennkammer 6 hebt
die Temperatur der verdichteten Luft auf eine Höhe an, die
dem hohen Wirkungsgrad im Turbinenabschnitt 3, typisch etwa
1290ºC (2350ºF), entspricht. Das in der Vorschaltbrennkammer
6 produzierte Heißgas 17 wird dann zum Turbinenabschnitt 3
der Gasturbine 1 geleitet, wo es sich ausdehnt und dabei die
Kraft zum Antrieb eines elektrischen Generators 4 erzeugt.
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Das aus dem Turbinenabschnitt 3 ausströmende Abgas wird zu
einem Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger 7 (HRSG) geführt, in
dem viel von der latenten, im Abgas 18 verbleibenden Wärme
dazu benutzt wird, Speisewasser 20 über einen
Wärmeaustauscher 14 in Dampf 21 umzuwandeln. Der im HRSG 7 erzeugte
Dampf 21 wird in eine Dampfturbine 8 gleitet, die den Dampf
entspannt und dabei die Energie gewinnt, um einen zweiten
Stromgenerator 4 anzutreiben. Der entspannte Abdampf 59 wird
dann zu einem Kondensator 9 geführt. Das aus dem HRSG 7
ausströmende Abgas 58 wird zu einer Feuerung 5 geführt, wo es
Sauerstoff zum Verbrennen des festen Kraftstoffs 10 liefert.
Das aus der Feuerung 5 abgeführte Gas 19 wird über den
Schornstein 15 ins Freie geblasen. Wie Fig. 1 zeigt, kann
eine Teil des durch den HRSG 7 strömenden Gases auch
unmittelbar dem Schornstein 15 zugeführt werden und so die
Feuerung umgehen.
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Fig. 2 zeigt die Integrierung der Vorschaltbrennkammer 6
gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Gasturbinen 1.
Erfindungsgemäß ist im Außenmantel der Gasturbine 1 ein
Abzugsrohr 35 ausgebildet, das die aus dem Verdichter
ausströmende Luft 16 in die Vorschaltbrennkammer 6 leitet. Zwar
ist in Fig. 2 nur eine einzige Vorschaltbrennkammer 6
dargestellt, jedoch muß hier verstanden werden, daß auch eine
Vielzahl von Abzugsrohren 35 um den Außenmantel angeordnet
sein kann, von denen jedes verdichtete Luft einer von
mehreren Vorschaltbrennkammern 6 zuführen kann.
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Wie in Fig. 2 gezeigt wird, beinhaltet die
Vorschaltbrennkammer 6 einen inneren und einen äußeren Mantel 29 bzw. 30 und
eine Brennerbaugruppe. Die Brennerbaugruppe besteht aus einer
Vielzahl von Kraftstoffmodulen 43, die in eine
Kraftstoffverteiler-Plattenbaugruppe 37 montiert sind, die sich quer in
den Innenmantel erstreckt. Der Innenmantel 29 dient als Kanal
zum Leiten der Strömung der heißen, verdichteten Luft 22 aus
der Feuerung 5 zur Brennerbaugruppe, wie nachstehend noch
genauer diskutiert wird. Der Innenmantel 29 dient ferner als
Kanal zum Leiten des Heißgasstroms 17 von der
Brennerbaugruppe zu einem Toroidkanal 34, der das Heißgas um die
Einlässe zum Turbinenabschnitt 3 verteilt, Dementsprechend
weist der Innenmantel verengte Teile 56 und 57 an seinem
oberen und an seinem unteren Ende auf, die einen
Verbrennungslufteingang bzw. einen Heißgasausgang bilden. Der
Innenmantel dient ferner zum Einschließen der Reaktionszone
36 in Strömungsrichtung nach der Brennerbaugruppe, in der die
Verbrennung erfolgt.
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Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung
schließt der Außenmantel 30 den Innenmantel 29 ein und bildet
auf diese Weise einen ringförmigen Durchgang 31 zwischen den
beiden Mänteln. Das Abzugsrohr 35 leitet die verdichtete Luft
16, die aus dem Verdichterabschnitt 2 strömt, zum Eingang 54
des ringförmigen Durchgangs 31. Die verdichtete Luft 16
strömt durch den ringförmigen Durchgang und von dort zum
Wärmeaustauscher 13. Daraus ergibt sich, da, obwohl die
heiße, verdichtete Luft 22 aus der Feuerung 5 die
Verbrennungsluft für die Vorschaltbrennkammer 6 ist, die relativ
kühle (d.i. in der Regel weniger als 370ºC (700ºF) heiße)
verdichtete Luft 16 aus dem Verdichter zum Kühlen des
Innenmantels 29 der vorgeschalteten Brennkammer dient. Ferner, wie
in Fig. 2 gezeigt wird, läuft die Strömung der relativ kühlen
Luft 16 im Gegenstrom zur Strömung der Heißluft 22 und des
Verbrennungsgases 17, so daß die kühlste Luft die heißesten
Teile des Innenmantels 29 bestreicht.
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Zwar zeigt Fig. 2 die verdichtete Luft 16 als nur über die
Außenfläche des Innenmantels 29 streichend, jedoch kann es in
bestimmten Fällen erwünscht sein, einen Teil der Luft durch
den Innenmantel zu führen, um ihn mit einer Schleierkühlung
oder einer Schwitzkühlung zu versehen.
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Wie in Fig. 2 gezeigt wird, wird ein Teil 25 der verdichteten
Luft 16 aus dem ringförmigen Durchlaß 31 abgezogen und durch
das Rohr 64 zu einem Zusatzverdichter 24 und zu Luft/Luft-
Kühlern 60 geführt. Die Luft/Luft-Kühler sind stromaufwärts
und stromabwärts vom Zusatzverdichter 24 angeordnet und
übertragen Wärme aus der verdichteten Luft 25 in die
Umgebungsluft 23. Daraus entsteht in einer bevorzugten
Ausführungsform, daß die verdichtete Luft 25 auf etwa 150ºC (300ºF)
gekühlt wird und ihr Druck durch etwa 138 kPa (20 psi)
verstärkt wird. Die gekühlte, weiter verdichtete Luft 25 wird
dann in zwei Teile 26 und 27 aufgeteilt. Teil 26 wird zur
Kraftstoffverteilerplatte 37 und Teil 27 wird zu einem
Kraftstoffrohrummantelung 33 geführt.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist eine Vielzahl von
Kraftstoffeinspritzmodulen 43 in der Plattenbaugruppe 37 ausgebildet.
Wie in Fig. 3 gezeigt wird, besteht die Plattenbaugruppe 37
aus oberen und unteren, im wesentlichen planaren
kreisförmigen Platten 39 bzw. 40. Der Durchmesser der Platten 39 und 40
ist nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des
Innenmantels 29. Somit strömt im wesentlichen die gesamte in die
Brennkammer 6 eintretende Heißluft 22 durch die
Plattenbaugruppe 37. Ferner stehen die Platten 39 und 40 parallel
zueinander und sind beabstandet, um einen Kühlluftdurchgang
41 zwischen ihnen auszubilden, der sich quer durch den
Innenmantel 29 erstreckt. Teil 26 der weiteren verdichteten
gekühlten Luft strömt durch den Kühlluftdurchgang 41 und
kühlt dabei die Plattenbaugruppe 37.
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Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, besteht jedes
Kraftstoffmodul
43 aus einer Kraftstoffdüse 50 und sieben
Verbrennungsluftdurchgängen 53. Wie aus den Fig. 3, 4 und 5
ersichtlich, besteht jede Kraftstoffdüse aus einem
Kraftstoffzufuhrstutzen 61, der Kraftstoff 12 aus der Kraftstoffzufuhrleitung
32 aufnimmt, und einem Düsenkörper 52. Der Düsenkörper 52
umgibt das abgelegene Ende des Stutzens 61 und bildet mit ihm
einen ringförmigen Durchgang 48. Wie aus der Fig. 3
ersichtlich, sind in der bevorzugten Ausführungsform in jedem
Düsenkörper 52 sieben radial ausgerichtete Lufteinlaßöffnungen 49
ausgebildet. Die Lufteinlaßöffnungen 49 dienen zum Ausrichten
der gekühlten Luft 26, die durch die Plattenbaugruppe 37 in
den ringförmigen Durchgang 48 in den einzelnen
Kraftstoffdüsen 50 strömt. Die Kühlluft 26, die in die ringförmigen
Durchgang 48 eintritt, wird in zwei Teile gespalten (46 und
47). Teil 46 wird dazu benutzt, die Platte 39 zu kühlen, wie
weiter unten noch ausgeführt wird, während sich der Teil 47
direkt mit dem Kraftstoff 12 mischt.
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Wie in den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, sind sieben radial
ausgerichtete Öffnungen 42 im abgelegenen Ende jedes
Rohrstutzens 61 ausgebildet. Die Öffnungen 42 dienen zum Mischen
des in den Rohrstutzen 61 in den Teil 47 der gekühlten Luft
strömenden Kraftstoffs 12, der in den ringförmigen Durchgang
48 eingetreten ist. Als Ergebnis wird ein reiches
Kraftstoff/Luftgemisch 44 gebildet, das aus dem ringförmigen
Durchgang 48 durch sieben radial ausgerichtete
Ausströmöffnungen 51 austritt, die um den Kraftstoffdüsenkörper 52
angeordnet und mit den Öffnungen 42 ausgerichtet sind.
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Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden die
Verbrennungsluftdurchgänge 53 in der Plattenbaugruppe 37 durch
einmontierte Manschetten 45 ausgebildet. Wie in Fig. 4
ersichtlich, liegen die sieben Luftdurchgänge 53 gleichmäßig
beabstandet in einem Kreis, der konzentrisch zur Kraftstoffdüse
50 angeordnet ist. Ferner sind die Luftdurchgänge 53 mit den
Austrittsöffnungen 51 im Kraftstoffdüsenkörper 52 radial
ausgerichtet. Die Luftdurchgänge 53 dienen zur Verteilung der
Verbrennungsluft 22 um jede Kraftstoffdüse 50 und um axiale
Heißluftstrahlen 22 auszubilden, die mit den Radialstrahlen
aus Kraftstoff/Luftgemisch 44 zusammenwirken, die von den
Austrittsöffnungen 51 gebildet werden. Daraus ergibt sich
eine heftige Vermischung der Verbrennungsluft 22 mit dem
reichen Kraftstoff/Luftgemisch 44 in der Reaktionszone 36 in
Strömungsrichtung hinter der Plattenbaugruppe 37. Dieses
Vermischen führt zu einem ultra-mageren
Kraftstoff/Luftverhältnis in der Reaktionszone 36.
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Wie auf dem Stand der Technik wohl bekannt, minimiert die
ultra-magere Verbrennung die Bildung von NOx. Bei der
vorliegenden Erfindung findet eine Verbrennung mit einem
allgemeinen Äquivalenzverhältnis von etwa 0,15 statt. (Das
Äquivalenzverhältnis ist ein Relativwert, der zur
Kennzeichnung der Reich/Mager-Natur eines Verbrennungsprozesses dient.
Eine stöchiometrische Verbrennung wird als ein
Äquivalenzverhältnis von 1,0 bezeichnet, während herkömmliche
Gasturbinenbrennkammern in der Regel bei einem allgemeinen
Äquivalenzverhältnis von etwa 0,37 arbeiten.) Eine solche ultra-magere
allgemeine Verbrennung wird erzielt durch die Streuung einer
groben Anzahl Kraftstoffmodule 43 um die Plattenbaugruppe 37
mit dem örtlichen Kraftstoff/Luftverhältnis in der Nähe der
einzelnen Kraftstoffmodule, das gerade noch hoch genug liegt,
um die Verbrennung aufrechtzuerhalten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Flammenstabilität
bei diesen mageren Kraftstoff/Luftverhältnissen durch zwei
Faktoren ermöglicht. Der erste und bedeutsamste Faktor ist
die hohe Temperatur der Verbrennungsluft 22, die durch die
Plattenbaugruppe 37 strömt. In der bevorzugten
Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 13 so konstruiert, daß die
Verbrennungsluft 22 auf etwa 980ºC (1800ºF) aufgeheizt wird.
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Der zweite Faktor, der eine gute Flammenstabilität
ermöglicht, ist die geringe Geschwindigkeit des Verbrennungsgases
17 in der Reaktionszone 36 in Strömungsrichtung hinter der
Plattenbaugruppe 37. Der Durchmesser des Innenmantels 29 ist
so bemessen, daß seine Strömungszone - d.i. der Bereich in
einer Ebene, die senkrecht auf der Strömungsrichtung durch
den Innenmantel steht - in der Reaktionszone 36 zur
durchschnittlichen Bezugsgeschwindigkeit (die durchschnittliche
Bezugsgeschwindigkeit ist definiert als die Geschwindigkeit
durch die Brennkammer berechnet auf der Grundlage von
Stetigkeitsüberlegungen unter Verwendung von Temperatur, Druck und
Dichte des Kraftstoff/Luftgemisches unter
Brennereingangsbedingungen) des Gases 17, das hindurchströmt und relativ hoch
ist (d.i. etwa 30 m/s (100 fps)). Jedoch blockiert die
Plattenbaugruppe 37 einen wesentlichen Teil dieses
Strömungsbereichs durch Begrenzen der Strömung der Verbrennungsluft 22
in der Nachbarschaft der Plattenbaugruppe auf die
Luftdurchgänge 53. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Größe
und Anzahl der Luftdurchgänge 53 so, daß der Teil des
Durchströmbereichs, der durch die Plattenbaugruppe 37 blockiert
ist, in der Größenordnung von etwa 65 bis 70% liegt. Diese
Strömungsblockierung bewirkt eine ungleichförmigen
Geschwindigkeitsverteilung im Reaktionsbereich 36 und die Ausbildung
von Wirbelströmen in Strömungsrichtung hinter der
Plattenbaugruppe 37. Diese Wirbelströme bilden Zonen geringer
Geschwindigkeit aus (d.i. etwa 3 m/s (10 fps)) - manchmal
zusammenfassend als "Geschützte Zone" bezeichnet - die verhindern,
daß die Flamme im Reaktionsbereich 36 ausgeblasen wird.
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Wie in Fig. 3 gezeigt wird, strömt derjenige Kühlluftanteil
46 der Kühlluft 26, der durch die Lufteinlaßöffnung 49 in die
Luftdüse eintritt, der sich aber nicht mit dem Kraftstoff 12
mischt, oben am ringförmigen Durchgang 48 aus und wird durch
ein Luftleitblech 38, das am Kraftstoffleitungsstutzen 61
angebracht ist, so gelenkt, daß er über die Oberfläche der
oberen Platte 39 der Plattenbaugruppe strömt und auf diese
Weise eine Schleierkühlung für die Plattenbaugruppe bewirkt.
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Wie in Fig. 2 gezeigt wird, wird ein zweiter Teil 27 der
gekühlten, weiter verdichteten Luft 25 zu einer ringförmigen
Durchführung geleitet, die von einer Ummantelung 33 gebildet
wird, die den Teil der Kraftstoffzufuhrleitung 32 umgibt, die
sich durch den Innenmantel 29 erstreckt, und kühlt dabei das
Rohr. Wie in Fig. 3 gezeigt wird, bildet die
Kraftstoffrohrummantelung 33 einen Ausgang 62 in Strömungsrichtung gerade
vor der Plattenbaugruppe 37 an jeder Kraftstoffmodulstelle
43. Nach dem Kühlen des Kraftstoffrohrs 32 strömt der Teil 27
der Kühlluft aus dem Ausgang 62 und strömt über die obere
Platte 39 der Plattenbaugruppe 37 und sorgt auf diese Weise
für zusätzliche Kühlung.