DE2606704A1

DE2606704A1 - Brennkammer fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2606704A1
Application number: DE19762606704
Authority: DE
Inventors: Adolf Fehler; Guenter Dr Ing Kappler; Guenter Dipl Ing Kirschey; Jost Dipl Ing Schmidt
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1976-02-19
Filing date: 1976-02-19
Publication date: 1977-09-01
Also published as: JPS52101310A; FR2341742A1; US4133633A; FR2341742B1; GB1514449A

Description

HOTOEEN- UND TüHBIKEN-ΐΙΝΙΟΝ

MÖNCHEN GMBH. 2606704

München» den 12. Februar -1976

Brennkammer für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, das von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus mit Primärsowie Mischluft beaufschlagbar ist und im stromaufwärtigen Bereich mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen aufweist, denen jeweils ein Brennstoffröhrchen für die gleichzeitige Zufuhr von Brennstoff zum Primärluftanteil zugeordnet ist, wobei die Flammrohrrückwand - im Radialschnitt gesehen - im wesentlichen halbkreisförmig nach außen gewölbt ausgebildet ist.

Bei .bekannten Ausführungsformen von Brennkammern, für Gasturbinentriebwerke wird der Brennstoff beispielsweise durch sogenannte "Simplex- und Duplexdüsen" unter hohem Druck fein zerstäubt und in die Primärzone eingespritzt, wo er aufbereitet, d.h. in einen dampfförmigen Zustand gelangt, um schließlich zu verbrennen oder er gelangt mittels Luftzerstäuberdüsen in die Pri-

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märzone, wobei dem Brennstoff meist schon innerhalb der Düse Luft zugemischt wird, um den Aufbereitungsprozeß zu verkürzen.

Bekannt ist auch die Brennstoffzuführung und Aufbereitung mittels verschiedener Arten sogenannter "Verdampfer-Brenner", in denen der Brennstoff aufgrund einer vom Verbrennungsprozeß verursachten hohen Wandtemperatur und der Strömungsverhältnisse im Brenner einen gasförmigen Zustand erreicht und mit Luft vorgemischt wird.

Die Verdampfer-Brenner sehen u.a. T-förmige oder stock-griffähnlich ausgebildete Verdampferrohrkörper vor.

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Verdampfer-Brenner wird darin gesehen, daß die Verdampferrohrkörper - unter Beanspruchung eines relativ großen Einbauvolumens innerhalb der Brennkammer - trotzdem nur eine relativ geringe Oberfläche zur Brennstoffverdampfung bereitstellen, so daß in der Regel nur. etwa 8 bis 10 % des zugeführten Brennstoffes tatsächlich verdampft werden kann.

Die erwähnten Brennstoffeinspritz- und Aufbereitungssysteme haben den ΐν-eiteren Nachteil, daß die Verbrennimg mehr oder weniger von einem Punkt ausgeht, so daß nur durch einen erheblichen Bauaufwand mögliche Erzwingung der Mischvorgänge ein gleichmäßiges Temperaturaustrittsprofil erzielbar ist.

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Weiter erfordert diese Art von punktweiser Brennstoffeinspritzung relativ lang bauende Brennkammern, um eine räumlich gleichmäßige Brennstoff auf bereitung und damit gleichmäßige Verbrennung zu erhalten oder aber erfordert allzu ausgeprägte Primärzonenwir"bel von Kraftstoff- und Luftanteilen, um schon in der Primärzone eine relativ gleichmäßige Verbrennung zu erzwingen, mit der weiteren Eolge erhöhter Druck- und damit LeistungsVerluste.

Im Rahmen einer durch die DT-OS 23 41 904 bekannten Brennkammer nach der eingangs genannten Gattung sollen "bereits Nachteile, welche bei den vorgenannten Brennkammern mit Einrichtungen zur Zuführung und Aufbereitung des Brennstoffes entstehen, beseitigt werden, insbesondere mit der Maßgabe einer verbesserten Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemisches für eine gleichförmige, an Schadstoffen arme Verbrennung sowie eines gleichförmigen Temperaturprofils am Brennkammeraustritt, und zwar unter Beanspruchung eines möglichst geringen Brennkaimnervolumens bzw. einer geringen Brennkammerlänge.

Weiterhin soll im bekannten Fall nach der DT-OS 23 41 904 eine höhere Brennkammerbelastung ermöglicht werden können.

Zur Lösung des vorstehend umrissenen Problemkreises seien hiermit die wichtigtsten Merkmale der Erfindung nach der DT-OS 23 41 904 wie folgt zusammengefaßt:

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Die Luftsufuhröffnungen sollen unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand in den seitlichen Wandabschnitten des Flammrohrs angeordnet sein und die Austrittsöffnungen der Brennstoffröhrchen sollen insbesondere geringfügig hinter dem der Flammrohrrückwand am nächsten liegenden Vandabschnitt einer jeden Luftzufuhröffnung in diese einmünden. Beim Zusammentreffen der über die Luftzufuhröffnungen unter relativ hoher Geschwindigkeit gegeneinander gerichteten Luftstrahlen sollen dann im bekannten Fall nach der DT-OS 23 41 904 weiter etwa von der Flammrohrmitte aus gegen die Flammrohr rückwand re zirkulier ende Primärzonenwirbel gebildet werden, in welche der unter relattiv niedrigem Druck, d.h. nahezu drucklos zugeführte Brennstoff eingebettet und mit der Primärluft vermischt wird. Ein verbleibender Anteil der über die Luftzufuhröffnungen gegeneinander gerichteten Luftstrahlen soll im Bereich der Flammrohr-Eitte als Kischluft in die Richtung der Hauptströmung abgelenkt v/erden, wobei weiter eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luftstrahlen von bis zu 5o m/sek. oder gar etwas darüber zugrundegelegt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammerkonzeption insbesondere im Rahmen des zur bekannten ■ Brennkammer nach der DT-OS 25 41 904 behandelten Problemkreises weiter zu verbessern.

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Ausgehend von einer Brennkammer nach der eingangs genannten Gattung, sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe hauptsächlich vor, daß seitlich außen an der stromaufwärtigen Flammrohrwand gegen die Verdichterluftströmung geöffnete, im wesentlichen in Kammerlängsrichtung sich erstreckende Strömungsführungskörper angeordnet sind, deren gegen die Kammermitte hin abgebogene Außenwandabschnitte die unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand angeordneten Luftzufuhrbohrungen stromaufvfärtig überdecken und damit gleichzeitig gegenüber der Verdichterluftströmung im Eingraum abgeschirmte Zuströmquerschnitte der Strömungsführungskörp er zum Flammrohrinnern hin bereitstellen, wobei in jeden Strömungsführungskörper ein eigenes Brennstoffzumeßröhrchen hineinragt.

Der Vort'eil der erfindungsgemäßen Brennkammer äußert sich darin, daß bereits vor dem Eintritt ins Flammrohr genau definierte Brennstoff-Luft-Anteile pro Zuströmquerschnitt des Flammrohrs bereitgestellt werden können sowie weiter hauptsächlich darin, daß vorm Eintritte in die Brennzone im Flammrohr eine intensivere Vermischung und Aufbereitung dieser Jeweiligen Brennstoff-Luft-Anteile stattfindet.

Insbesondere gegenüber der durch die DT-OS 23 4-1 904- bekannten Brennkammer ergibt sich demnach eine erheblich verlängerte Aufbereitungszone für die jeweils zuzumessenden Brennstoff-Luft-

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Anteile, im Interesse einer homogenen, an Schadstoffen weitestgrehend freien Verbrennung.

Ein "weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkammer äußert sich darin, daß die relativ lange Aufbereitungszone ohne zusätzliche Einbauten innerhalb des Flammrohrs erzielt werden kann, daß weiter die hierfür insbesondere vorgesehenen Ströffiungsführungskörper zum einen keinen nennenswerten zusätzlichen konstruktiven Bauaufwand darstellen und zum anderen infolge deren Anordnung seitlich außen an der gewölbten Flammrohrrückwand keine zusätzliche radiale Aufweitung der Brennkammer in die Wege geleitet werden muß.

In den Zeichnungen ist die Erfindung einschließlich dieselbe weiter ausgestaltender Merkmale nach den übrigen Unteransprüchen beispielsweise weiter erläutert; es zeigen

Fig. 1 die erste Ausführungsform eines als Mittellängsschnitt dargestellten, im wesentlichen die gesamte Verbrennungszone mit umfassenden Brennkammerabschnitts,

Fig. 2 die zweite Ausführungsform eines als Mittellängsschnitt dargestellten, im wesentlichen die gesamte Verbrennungszone mit umfassenden Brennkammerabschnitts,

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Fig. 3 eine vergrößert wiedergegebene Einzelheit in Blickrichtung χ der Brennkammer nach. J¹Ig. 2 und

!"ig. 4- die vergrößert wiedergegehene Einzelheit nach jffig. 3 als Mittellängsschnitt dargestellt.

Gemäß Fig. 1 "besteht die Brennkammer aus einem Außengehäuse 1 und einem darin eingesetzten Flammrohr 2, das von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse 1 gebildeten Ringraum 3 aus mit Primär- sowie Kischluft beaufschlagbar ist.

Im stromaufwärtigen Bereich weist das Flammrohr 2 mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen 4, V auf, denen jeweils ein Brennstoff röhrchen 5, 6 für die gleichseitige Zufuhr von Brennstoff B zu einem ersten Primärluftanteil L zugeordnet ist. Die Flammrohrrückwand 70 soll - im fiadialschnitt gesehen - im wesentlichen halbkreisförmig nach außen gewölbt ausgebildet sein.

Seitlich außen sind au der stromaufwärtigen Flammrohrwand bzw. an der Flammrohrrückwand 70, gegen die Verdichter luftströmung V geöffnete, im wesentlichen in Kammerlängsrichtung sich erstreckende Strömungsführungskörper 7·, 8 angeordnet, deren gegen die Kammermitte hin abgebogene Außenwandabschnitte 9, 10, die unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand 70 angeordne-

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ORIGINAL INiFaTTSn

ten Luftzufuhrbohrungen 4-, V stromaufwartig überdecken. Die Außenwandabschnitte 9? ΊΟ stellen damit gleichzeitig gegenüber der Verdichterluftströmung V im Ringraum 3 abgeschirmte Zuströmquerschnitte 11, 12 für die Strömungsführungskörper 7> 8 zum Flammrohrinnern hin bereit.

In jeden Strömungsführungskörper 7, 8 ragt ein eigenes Brennstoff zumeßröhrchen $, 6. Im Interesse einer mit Bücksicht auf die Lage der Zuströmquerschnitte 11, 12 intensiven Vermischung des Brennstoffes B mit dem jeweiligen ersten Primärluftanteil L sind die Brennstoffröhrchen 5» 6 gegen-. über den im wesentlichen parallel zur Kämmerlängsachse verlaufenden Außenwandabschnitten 9? 10 der Strömungsführungskörper 7, geneigt angeordnet.

Im übrigen ist die Anordnung und der Aufbau der Strömungsführungskörper 7, 8 so getroffen, daß das darin aus den Brennstoff-Luft-Anteilen B, L gebildete Gemisch aufgrund der sich zu den jeweiligen Zuströmquerschnitten 11, 12 hin ergebenden zunehmenden Kanalverengung zunehmend beschleunigt wird, vödurch zusätzlich der von den ersten Primärluftanteilen L verursachte "Mitreißeffekt¹· gegenüber den Brennstoffanteilen B erhöht wird.

Die innerhalb der Strömungsführungskörper 7, 8 erzielbare Geschwindigkeitserhöhung der Brennstoff-Luft-Anteile B, L ist

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weiter vorteilhaft im Hinblick auf die innerhalb der Primärzone P zu gewährleistende Flammstabilität bzw. die gleichförmige Flammausbreitung.

Die Anordnung und der Aufbau der Strömungsführungskörper 7> 8 sowie der Brennstoffröhrchen 5> 6 ermöglichen weiter, daß kleinste Brennstoff mengen mit einer Geschwindigkeit 5 1 m/s noch gleichmäßig, zusammen mit den ersten Primärluftanteilen L über die hier jeweils von den Außenwandabschnitten 9» 10 gegenüber dem Ringraum 3 abgeschirmten Zuströmquerschnitte 11, 12 in den Seitenwandungen des Flammrohrs 2 der Brennzone zugeführt werden können. Bereits vor dem Eintritt in das Flammrohr 2 vermischt sich also der Brennstoff B intensiv mit den zugeführten ersten Primärluftanteilen L.

Die relativ hohe Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches L, B beim Einströmen in die Verbrennungszone verhindert weiter u.a. ein Entzünden des Gasgemisches außerhalb des Brennraums.

Das über die Zuströmquerschnitte 11, 12 zugeführte Brennstoff-Luft-Gemisch trifft unter einem relativ spitzen Winkel auf die mit relativ hoher Zuströmgeschwindigkeit über die Luftzufuhröffnungen 4, 4' radial gegen die Kammermitte einströmenden Luftstrahlen D.

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Die im Bereich der Flammrohrmitte aufeinandertreffenden Luftscrahlen D reißen zum einen das Brennstoff-Luft-Gemisch, mit (Pfeile L, B, D) und stellen damit die aus einem innig aufbereiteten Brennstoff-Luft-Gemisch bestehenden Primär zonenwirbel V bereit unter Gewährleistung einer gewünscht langen Aufbereitungszone.

Zum anderen zerfallen die jeweils gegeneinander gerichteten Luftstrahlen D in stromabwärtig abfließende Mischluftanteile M, welche so eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Flammrohrquerschnitt erzielen lassen sollen.

Der gegenüber dem ersten Primärluftanteil L wesentlich größere, die Flammstabilisierung herbeiführende zweite Primärluftanteil wird somit von den in Eichtung der Flammrohrrückwand 70 abgelenkten Anteilen der Luftstrahlen D bereitgestellt.

Die Primärzonenwirbel W füllen die im wesentlichen innerhalb der I¹Iammrohrrückwand TÖbefindliche Primärzone P nahezu vollständig aus und verhindern somit weiterhin Verkokungen von Brennstoff resten an der Flaminrohrrückwand 7 und damit etwaige Eußbildung.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, sind den Luftzuführöffnungen 4·, 4' an deren stromabwärtigen Enden radial gegen

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die Haupt Strömling im Flammrohr 2 gerichtete Leitbleche 13, 14 zugeordnet, welche die Entstehung des eingezeichneten Ströinungsbildes im Flammrohr 2 insbesondere dahingehend unterstützen sollen, daß die Luftstrahlen gegen die Kammermitte hin gerichtet sind und eine genaue Aufteilung hinsichtlich des benötigten Primärluftanteils und des benötigten Mischluftanteils (Pfeile D) erfolgt.

zu erreichen, daß der Brennstoff stets nahezu drucklos ■· und gleichförmig verteilt zumeßbar ist, sind in die Brennstoffröhrchen 5» 6 aus einem porösen Werkstoff, vorzugsweise einem aus Keramik oder im Sinterverfahren hergestellten hochwarinfesten, korrosionsfesten Werkstoff gefertigte Körper 15₅ 16 eingebaut. Weiter können die Körper 15_t 16 als sogenannter "metallischer Schwamm" auf der Basis einer Uickel-Chrom-Legierung hergestellt sein. Im übrigen kann den Körpern 15j 16 eine Drosselblende 171 18 vorgeschaltet sein.

Zur Intensivierung der Brennstoff-Luftverinischung innerhalb der Strömungsführungskörper 7_? 8 sind die Brennstoff röhrchen 5, 6 gegen die Primärluftströmung (Pfeile L) bzw. gegen die Außenwandabschnitte 9» 10 geneigt angeordnet, wobei die Intensität der Brennstoff-Luft-Aufbereitung weiter infolge der gegen die Strömung gerichteten Flammrohraußenkante 19 gesteigert werden kann.

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Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen gegenüber Fig. 1 unveränderte Einzelheiten erläutert Fig. 2 eine Brennkanunerausfuhrung, "bei der den unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand 20 angeordneten Luft zufuhr "bohrungen 21, 21' des Flammrohrs 22 im Bereich deren jeweiliger Endkante verlaufende, radial gögen die Hauptströmung im Flammrohr geneigte, im-Sinne dieser Endkante gekrümmte Leitbleche 23, 24- so zugeordnet sind, daß zwischen dieser Endkante und dem gekrümmten Leitblech ein ringsegmentförmiger Luftzuströmschlitz 25, 26 gebildet ist.

Wie weiter deutlicher aus Fig. 3 ersichtlich, können die Luft zuf uhr öffnungen, z.B. 21' des Flammrohrs 22, in Richtung Hauptströmung in der Brennkammer aufeinanderfolgend, aus einer quadratischen 27 in eine kreisförmige Durchströmfläche übergehend ausgeführt sein, wobei etwa 2/3 der quadratischen Durchströmfläche 27 vom jeweils einwärts gekrümmten Endabschnitt der Außenwand 10 des Strömungsführungskörpers 8 überdeckt sind. Hierbei kann zweckmäßig weiter die quadratische. Durchströmfläche 27 sm Übergangsende (Bo) zur kreisförmigen Durchströmfläche 28 gegenüber dem Ausgangsmaß (By.) gleich oder breiter ausgeführt sein, d.h., B_? = B^..

Der infolge der hinter den Strömungsleitblechen 23» 24 angeordneten ringsegmentförmigen Schlitze 25, 26 ins Flammrohr 2 einströmenden Luft (Pfeile F, F') kommt die Aufgabe zu, gegebenen-

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falls hinter den Leitblechen 23, 24- sich einstellende Turbulenzen in der Strömung zu beseitigen, damit das für eine homogene Verbrennung erforderliche Strömungsbild (Pfeile L, B, D, ¥ sowie N - Fig. 1) nicht gestört wird.

Der Vfesentliche Vorteil der insbesondere aus den Fig. 3 und M-ersichtlichen Ausführung ist darin zu sehen, daß der innerhalb der Strömungsführungskörper 7, 8 zugeführte Brennstoff B weder in Richtung auf die Randzone der jeweiligen Zuströmquerschnitte 11, bzw. 12 noch in Richtung auf den jeweils quadratischen Abschnitt, z.B. 27 - Fig. 3 - hin abgelenkt werden soll; es soll also auf Jeden Fall verhindert werden können, daß Brennstoffpartikel in die nach stromabwärts abfließenden Zumischluftanteile M gelangen.

Im übrigen v/eicht das Ausführungsbeispxel nach Fig~ 2 von demjenigen nach Fig. 1 dahingehend ab. daß sowohl die Flammrohrrückwand 20 sowie auch die seitlichen Wandungen des Flammrohrs von Zuströmschlitzen 29 bzw. 30 durchsetzt sind, um das Flammrohr 22 gezielt zu kühlen sowie auch, um keine unerwünschten Verzögerungen der Brennstoff-Luft-Gemisch-Strömung bzw. der Verbrennungsgase in den wandnahen Gebieten des Flammrohrs 22 entstehen zu lassen.

Las in Fig. 1 ausführlich aufskiζzierte Strömungsbild innerhalb des Flammrohrs 2 (Pfeile D; L, B, D; W sowie M) wäre sinngemäß auch für Fig. 2 zugrundezulegen.

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Die Aus führung s"b ei spiele nach l?ig. 1 und 2 stellen. Einzelbsv;. Rohrbrennkammern dar,

Die Erfindung eignet sich durchaus aber auch für anderweitige Brennkammertypen, so z.B. kombinierte Ring-/Rohrbrennkammern, bei denen das Brennkammeraußengehäuse koaxial zur Längsachse eines Gasturbinentriebwerks verlaufend angeordnet ist und
innerhalb des Außengehäuses mehrere Flammrohre in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.

Perner ist die Erfindung auch bei reinen Ringbrennkaimnern anv/endbar.

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Claims

MOTOREN- TJHD TURBINEN-UNION

MÖNCHEN GMBH. ? R 067 Ω Α

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Pat entansprüche

1.1 Brennkammer für Gasturbinentriebwerke, die aus einem Außengehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Flammrohr besteht, das von einem zwischen diesem und dem Außengehäuse gebildeten Ringraum aus mit Primär- sowie Mischluft beaufschlagbar ist und im stromaufwärtigen Bereich mehrere jeweils seitlich einander gegenüberliegende Luftzufuhröffnungen aufweist, denen jeweils ein Brennstoffröhreben für die gleichzeitige Zufuhr von Brennstoff zum Primärluftanteil zugeordnet ist, wobei die Flammrohrrückwand - im Radialschnitt gesehen im wesentlichen halbkreisförmig nach außen gewölbt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich außen an der stromaufwärtigen Flammrohrwand gegen die Verdichterluftströmung geöffnete, im wesentlichen in Kammerlängerichtung sich erstreckende Strömungsführungskorper (7, 8) angeordnet sind, deren gegen die Kammermitte hin abgebogene Außenwandabschnitte (9, 10) die unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand (70) angeordneten Luftzufuhrbohrungen (4, 4-') stromaufwärtig überdecken und damit gleichzeitig gegenüber der

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Verdienterluftströmung (V) im Ringraum (3) abgeschirmte Zuströmquerschnitte (11, 12) der Strömungsführungskörper zum Flammrohrinnern hin bereitstellen, wobei in jeden Strömlings fuhr ungskör ρ er ein eigenes Brennstoffzumeßrohrchen (5, 6) hineinragt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffröhrcheh (5, 6) gegenüber den im wesentlichen parallel zur Kammer längs achse verlaufenden Außenwandabschnitten (9, 10) der StrömungsführungskÖrper (7, 8) geneigt in die letzteren hineinragen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand (20) angeordneten Luftzufuhröffnungen (21, 21') des Flammrohrs (22) im Bereich deren jeweiliger Endkante verlaufende, radial gegen die Hauptströmung im Flammrohr geneigte, im Sinne dieser Endkante gekrümmte Leitbleche (23» 24) so zugeordnet sind, daß zwischen dieser Endkante und dem gekrümmten Leitblech ein rings egmentförmiger Luft zuströmschlitz (25 ₅ 26) gebildet ist.

4. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar hinter der Flammrohrrückwand (20) angeordneten Luftzufuhröffnungen (21, 21') des Flammrohrs (22), in .Richtung Hauptströmung in der Brennkammer

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aufeinanderfolgend, aus einer quadratischen, in eine kreisförmige Durchströmfläche übergehend ausgeführt sind, wobei etwa 2/3 der quadratischen Durchströmflache (27) vom jeweils einwärts gekrümmten Endabschnitt der Außenwand (iO) eines Strömungsführungskörpers (8) überdeckt sind. .

5· Brennkammer nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die quadratische". Durchströmfläche (27) am Übergangsende (Bo) ^zur kreisförmigen Durchströmfläche (28) gegenüber dem Ausgangsmaß (B-) gleich oder breiter ausgeführt ist, d.h., Bg = B^.

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