DE8207038U1

DE8207038U1 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE8207038U1
Application number: DE19828207038
Authority: DE
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1982-03-12
Filing date: 1982-03-12
Publication date: 1986-06-12

Description

KRAFWEBK UlTION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Mülheim a_s d. Ruhr VPA 82 P 6255

Gasturbinenbrennkammer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Oberbegriff des -Mnspruchs "·.

Eine derartige Gasturbinenbrennkammer ist aus der DE-OS 2P? 60 709 bekannt. Bei dieser bekannten Gasturbinenbrennkammer sind die Zuströmquerschnitte für die Primärluft durch einen den Primärluftöffnungen zugeordneten ersten Stellring und die Zuströmquerschnitte für die Sekundärluft durch einen den Sekundärluftöffnungen zugeordneten zweiten Stellring veränderbar. Die beiden in axialem Abstand zueinander das Flammrohr umschließenden Stellringe sind durch Stangen zu einer gemeinsamen Verstelleinrichtung verbunden, wobei sich die Stangen über den Umfang des Flammrohres verteilt in axialer Richtung erstrecken. Durch axiales Verschieben dieser gemeinsamen Verstelleinrichtung kann dann das Verhältnis von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge lastabhängig gesteuert werden. Somit kann bei jeder Laständerung die Aufteilung der Gesamtluftmenge in Primärluftmenge und Sekundärluftmenge an die zur Reduzierung der Emissionen erforderlichen Bedingungen angepaßt werden. Andererseits ist jedoch bei der bekannten Gasturbinenbrennkammer die zur Steuerung der Luftmengenverteilung erforderliche Verstelleinrichtung mit einem erheblichen baulichen Aufwand verbunden. Außerdem ergibt sich durch die große Anzahl der beweglichen Teile eine gewisse Störanfälligkeit der Verstelleinri chtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art die Ver-

KIk 2 Fl/1O.O3.1982

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Stelleinrichtung so auszubilden, daß mit geringem baulichen Aufwand eine gegen Störungen unempfindliche Steuerung der J-Uftmengenverteilung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des -jmspruohs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer besteht Ί0 die Verstelleinrichtung aiSü jclüx· xxüch aus emeis einzigen

das Flammrohr umschließenden Stellring, welcher sowohl die _λ den Primärluftöffnungen zugeordneten Primärluft-Steuerflächen als auch die den SekundärluftÖffnungen zugeordneten Sekundärluft-Steuerflächen trägt. Diese einfache und "Tp. gegen Störungen unempfindliche Ausgestaltung der Verstelleinrichtung wird hierbei dadurch ermöglicht, daß der axiale Abstand zwischen den Primärluftöffnungen und/oder den Sekundäröffnungen durch axial am Flammrohr verlaufende Primärluftkanäle und/oder Sekundärluftkanäle überbrückt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.

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Tin folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einem im Bereich der SekundärluftÖffnungen angeordneten Stellring und am Flammrohr angeordneten Primärluftkanälen in stark vereinfachter schematischer Darstellung,

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Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie 11-11 der Fig. 1,

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Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einem im Bereich zwischen den Primärluft öffnungen und den Sekundärluftöffnungen angeordneten Stellring sowie am Flammrohr angeordneten Primärluftkanälen und Sekundärluftkanälen in stark vereinfachter schematischer Darstellung,

!Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einem im Bereich der Primärluftöffnungen in angeordneten Stellring vnö. am F] ammrohr angeordneten Se-Vundärluftkanälen ebenfalls in stark vereinfachter schematischer Darstellung und

. 5 die konstruktive Ausbildung eines im Bereich der Sekundärluftöffnungen angeordneten Stellringes und der zugehörigen "Primärluftkanäle.

Die Fig. 1, 3 und 4 zeigen jeweils eine Gasturbinenbrennkammer mit einem zylindrischen Brennkammergehäuse 1, welches an seinem äußeren stirnseitigen Ende mit einer

Abschlußhaube 2 versehen ist und an seinem inneren stirnseitigen Ende über einen Flansch 3 an das Gehäuse einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gasturbine angeflanscht werden kann. Koaxial innerhalb des Brermframmer- ) 25 gehäuses 1 ist ein Flammrohr 4 angeordnet, in dessen äußeren stimseitigen Bereich mindestens ein Brenner 5 einmündet und in dessen Mantel im Bereich der Yerbrennungszone Primärluftöffnungen 6 und im Bereich der Vermischungszone Sekundärluftöffnungen 7 eingebracht sind.

Die Primärluftöffnungen 6 und die Sekundärluftöffnungen 7 bilden dabei in axialem Abstand zueinander in cmfangsrichtung des Flammrohres 4 verlaufende Lochreihen. Der zwischen dem Brennkammergehäiise 1 und dem Flammrohr 4 gebildete Ringraum wird vom Verdichter der Gasturbine mit einer Gesamtluftmenge beaufschlagt, welche in eine in die Verbrennungszone des Flammrohres 4 einzuleitende Prxmäriuftmenge und eine in dxe Vermischungszone des Flamm-

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rolires 4 einzuleitende Sekundärluftmenge aufgeteilt wird. Die Primärluft gelangt dabei durch, eine Dralleinrichtung δ des Brenners 5 und durch die Primärluftöffnungen 6 in die Yerbrenrungszone, während die Sekundärluft durch d±e Sekundärluftöffnugnen 7 in die Yermischungszone geführt wird.

Beil? Betrieb der Gasturbine muß zur Verringerung der Stiekoxydemission der Luftüberschuß in der Verbrennungs-

Ί0 zone gesteigert vierden. Bei gleicher Luftmengenverteilung wurde dies aber bei Teillast oder beim Leerlauf mil; einer C entsprechend reduzierten Brennstoffzufuhr zum Ansteigen der SOp- und CO-Saission und zu Flammeninstabilitäten führen. Aus diesem Grunde muß im Teillastgebiet oder im

IJ Leerlauf auch die Luffcnengenvert eilung derart geändert werden, daß sich die Primärluftmenge verringert und die Sekundärluftmenge erhöht. Für diese bei jeder Laständerung vorzunehmende Änderung der Luftmengenverteilung sind bei den in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Gasturbinenbrennkammern jeweils verschieden aufgebaute Verstelleinrichtungen vorgesehen.

Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß Fig. 1 besteht die / Verstelleinrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge aus einem das Flammrohr 4 im Bereich der Sekundärluftöffnungen 7 umschließenden Stellring S1, v/elcher den Sekundärluftöffnungen 7 zugeordnete Öffnungen 9 aufweist und auf seiner den Primärluftöffnungen 6 zugewandten Seite queraxial zum Flammrohr 4 ausgerichtete Primärluft-Steuerflächen PSI trägt. Jede dieser Primärluft-Steuerflächen :?S1 kann durch Drehung des Stellringes S1 ganz oder teilweise vor die Öffnung eines Primärluftkanales Pk 1 geschwenkt werden, welcher am Außenumfang des Flammrohres 4 befestigt ist und in axialer Pachtung zu der zugeordneten Primärluftöffnung 6 führt. Die zwischen den Öffnungen 9 liegenden Bereiche am Innenumfang des Stellringes S1 wirken

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als Sekundärluft-Steuerflächen SS1, durch welche "bei einer entsprechenden Drehung des Stellringes S1 die Se-Tnmdärluftöi'ficungen 7 ganz oder teilweise -verschließbar sind. Durch Drehung des Stellringes S1 kann also über eine Veränderung der Zuströmquerschnitte für die Primärluft "und für die Sekundärluft eine Steuerung des Verhältnisses von Primärluft zu Sekundärluft bewirkt werden. Zur Verdeutlichung dieser Steuerung sind die Zuströmquerschnitte für die Primärluft und die Sekundärluft im oberen 5?eil des Schnittbildes der Fig. 1 geöffnet und im unteren Seil geschlossen dargestellt, während in dem teilweisen Querschnitt der Pig. 2 eine Stellung dargestellt ist, in welcher eine Primärluft-Steuerfläche PS1 die Öffnung eines Primärluftkanales Pk1 teilweise verschließt.

Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß Fig. 3 besteht die Verstelleinrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge aus einem das Flammrohr 4 umschließenden Stellring S2, weleher den Primärluftöffnungen 6 zugeordnete Primärluft-Steuerflächen PS2 sowie den Sekundärluftöffnungen 7 zugeordnete Sekundärluft-Steuerflächen SS2 trägt. Der Stellring S2 ist dabei in einem zwischen den Primärluftöffnungen 6 und den Sekundärluftöffnungen 7 liegenden Bereich angeordnet. Der axiale Abstand zwischen den Primärluftöffnungen 6 und den zugeordneten Primärluft-Steuerflächen PS2 ist durch axial am Flammrohr 4 verlaufende Primärruftkanäle Pk2 überbrückt, während der axiale Abstand zw±sehen den Sekundärluftöffnungen 7 uiid den zugeordneten Sekundärluft-Steuerflächen SS2 durch axial am Flammrohr 4 verlaufende Sekundärluftkanäle Sk2 überbrückt ist. Zur Verdeutlichung der Steuerung der Luftmengenverteilung durch den Stellring S2 sind die Zuströmquerschnitte für die Primärluft und die Sekundärluft im oberen Teil des Schnittbildes der Fig. 3 geöffnet und im unteren Teil geschlossen dargestellt.

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Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß I¹Xg. 4 besteht die YeI¹S^-Celleinrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge aus einem das Flammrohr 4 im Bereich, der Primärluftöffnungen ί 5 6 umschließenden Stellring SJ, welcher den Primärluftöff- \ nungen 6 zugeordnete Öffnungen 10 aufweist und auf seiner

den Sekundärluftöffnugnen 7 zugewandten Seite queraxial ZXGa Flammrohr 4 ausgerichtete Sekundärluft-Steuerflächen SS3 trägt. Die zwischen den Öffnungen 10 liegenden Be- ! 10 reiche am lnaenumfang des Stellringes S3 wirken als PrimärluTt-Steuerflachen PS3, durch welche bei einer ent-

\ (~ \ sprechenden Drehung des Stellringes S3 die Primärluftöffnungen 6 ganz oder teilweise verschließbar sind» Die Sekundärluft-Steuerflachen SS3 können durch Drehung des Srellringes S 3 ganz oder teilweise vor die Öffnungen von Sekundärluftkanälen Sk3 geschwenkt werden, welche am Außenumf^ng des ilammrohres M- befestigt sind und in axialer Eichtung zu den zugeordneten Sekundärluftöffnungen 7 führen. Zur Verdeutlichung der Steuerung der Luftmengenverteilung durch den Stellring S3 sind die Zuströmquerschnitte für die Primärluft und die Sekundärluft im oberen Teil des Schnittbildes der 3?ig. 4 geöffnet und im unseren Teil geschlossen dargestellt,

Die in Fig. 4 dargestellte Ausbildung der Verstelleinrichtung ist dann besonders günstig, wenn die vom Verdichter zugeführte Gesamtluftmenge auf der Seite des Brenners 5 in den zwischen dem Brennergehäuse 1 und dem Flammrohr 4 gebildeten Ringraum eingeleitet wird und die Öffnungen der Sekundärluftkanäle Sk3 ohne Umlenkung des Luftstromes beaufschlagbar sind. In diesem Fall wird die in Fig. 4 strichpunktiert dargestellte Abschlußhaube 2 durch ein diffusorartiges Einlaßteil 20 ersetzt, wobei die Zufuhr der Gesamtluftmenge durch einen Pfeil L angedeutet ist.

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Die in Fig. 1 dargestellte Ausbildung der Verstellein-) ."richtung' ist dann besonders günstig, werüx - wie im darge-

1 » * ISIS

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stellten Fall - die vom Verdichter"zugeführte Gesamtluftmenge auf der dem Brenner 5 gegenüberliegenden Seite der Brennkammer zugeführt wird und die Öffnungen der Primärluftkanäle Pk1 ohne Umlenkung des Luftstromes beaufsehlag "bar sind. Diese Voraussetzungen sollen in entsprechender Weise auch "bei der in 5¹Xg. 5 dargestellten Ausbildung einer Verstelleinrichtung vorliegen.

5 zeigt ein im Längsschnitt nur teilweise dargestelltes !Flammrohr 40, mit einer hochtemperaturbeständigen Innenauskleidung 41, mit in die Verbrennung;', zone einmündenden Primärlaftöffnungen 60 und mit in axialem Abstand dazu in die Vermischungszone einmündenden Sekundärluftöffnungen 70. Dabei ist die Verbrennungszone durch die Kontur einer Brennerflamme P angedeutet, während die durch die Primärluftöffnungen 60 zugeführte Primär}uft durch einen Pfeil P, die heißen Verbrennungsgase durch einen Pfeil V und die durch die Sekundärluftöffnungen 70 zugeführte Sekundärluft durch einen Pfeil S angedeutet sind.

Die Verstelleinrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verhältnisses von Primärluftm-jige zu Sekundärluftmenge besteht aus einem das Flammrohr 40 im Bereich der Sekundärluftöffnungen 70 mit Abstand umschließenden Stellring SiO, welcher den Primärluftöffnungen 60 zugeordnete Primärluft-Steuerflächen PS10 und den Sekundärluftöffnungen 70 zugeordnete Sekundärluft-Steuerflächen SS10 trägt. Die queraxial zum Flammrohr 40 ausgerichteten und am Innenumfang des Stellringes Sin befestigten Primärluft-Steuerflächen PS10 können durch Drehung des Stellringes SIO ganz oder teilweise vor die Öffnung eines Primärluftkanals PkiO geschwenkt werden, welcher am Außenumfang des Flammrohres 40 befestigt ist und in axialer Richtung zu der zugeordneten Primarluftoffnung 60 führt. Die sich in ümfangsrichtung des Flammrohres 40 erstreckenden und

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am Innenumfang des Stellringes S1O über Distanzrohre 11 befestigten Sekundärluft-Steuerflächen SS1O könnea durch Drehung des Stellringes S1O ganz oder teilweise vor die zugeordneten Sekundärluftöffnungen 70 geschwenkt werden.

Die Zuströmquerschnitte für die Primärluft P und die Zuströmquerschnitte für die Sekundärluft S können auch durch axiale Verschiebung des Stellringes S10 oder durch eine Kombination von Drehung und axialer Verschiebung verändert werden.

( Um eine Überhitzung der Sekundärluft-Steuerflächen SS10 zu vermeiden, sind sie mit einer Vielzahl von Kühlluftbohrungen 12 versehen, durch welche aber nur eine geringe Luftmenge in das Flammrohr 40 gelangt. Der im Querschnitt polygonal ausgebildete Stellring S1O ist am Flammrohr 40 rollend gelagert, was zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung nicht ersichtlich ist. Die Steuerung der Luftmengenverteilung durch Drehung des Stellringes S10 ist durch einen Doppelpfeil D angedeutet. Aus der Zeichnung ist ferner ersichtlich, daß durch den polygonalen Querschnitt des Stellringes S10 der zwischen seinem Innenumfang und dem Außenumfang des Flammrohres 40 für die Zufuhr der Primärluft P bzw. der Sekundärluft S zur Verfugung stehende Raum vergrößert wird.

Die Primärluftsteuerflächen PS10 und die Sekundärluftsteuerflächen SS10 sind an dem Stellring S1O derart angeordnet, daß bei einer Steigerung der Sirbinenlast und einer entsprechenden Verdrehung des Stellringes S10 zunächst die Zuströmquerschnitte für die Sekundärluft S teilweise verschlossen werden, bevor die Öffnung der Zuströmquerschnitte für die Primärluft P beginnt. Durch diese Maßnahme kann bei einer Steigerung der Turbinenlast zunächst der durch die Dralleinrichtung des Brenners zugeführte Primärluft anteil erhöht xverden.

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Die Drehung des Stellringes S10 kann mittels eines motorischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebes erfolgen, welcher außerhalb des Brennkammergehäuses angeordnet und über ein entsprechendes Gestsinge an einer Stel le des Stellringes S10 angelenkt ist.

10 nsprüehe
5 figuren

- 13 - ?PA 82 P 6255 DE Zusammenfassung

Das Flammrohr (40) weist in die Verbrennungszone einmündsnde PrimärluftÖffnungen (60) und in die Vermischungszone einmündende Sekundärluftöffnungen (70) auf, wobei die Zuströmquerschnitte der Primärluftöffnungen (60) und Äer Sekundärluftöffnungen (70) jeweils durch zugeordnete Primärluft-Steuerflächen (PS10) bzw. Sekundärluft-Steuerflächen (SS10) veränderbar sind. Zur lastabhängigen Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge ist ein einziger, das Flammrohr (40) um-•chließender Stellring (S10) vorgesehen, welcher sowohl die Primärluft-Steuerflächen (PS10) als auch die Sekundärluft-Steuerflächen (SS10) trägt. Der axiale Abstand »wischen den Primärluftöffnungen (60) und/oder den Sekundärluftöffnungen (70) und den zugehörigen Steuerflächen (PS10) ist dabei durch axial am Flammrohr (40) verlaufende Primärluftkanäle (PkiO) und/oder Sekundärluftkanäle überbrückt. Es wird mit geringem Aufwand eine gegen Störungen unempfindliche lastabhängige Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge und damit eine Reduzierung der Emissionen ermöglicht.

Claims

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) - 10 - "VPA 82 P 6255 DE

. Π-ffβϊπίτΉϊ-nftnTyppTTnira-mmfiT· mit folgenden Merkmalen:

a) das Flammrohr weist in die Yerbrennungszone einmündende Primärluftöffnungen und in axialem Abstand dazu in die Vermischungszone einmündende Sekundärluftöffnungen auf,

d) di^ Zuströmquersehnitte für die Primärluft sind durch den Priaärl-aftoffnüngen zugeordnete Prisärluft-Steuerflachen veränderbar,

c) die Zuströmqusrschnitte für die Sekundärluft sind durch den Sekundärluftöffnungen zugeordnete Sekundärluft-Steuerflächen veränderbar,

d) das Verhältnis von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge ist durch ein--~ gemeinsame Verstelleinrichtung der Primärluft-Steuerflächen und der Sekundärluft-Steuerflächen lastabhängig steuerbar,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) die Verstelleinrichtung aus einem einzigen, das Flammrohr (4, 40) umschließenden Stellring (S1',S2;S3'_?S1O) besteht, welcher sowohl die Primärluft-Steuerflächen (PS1; PS2; PS3;PS1O) als auch die Sekundärluft-Steuerflächen (SS1; SS2; SS^; SS10) trägt,

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f) der axiale Abstand zwischen den Primärluftöffnungen (6; 60) und/oder den Sekundärluftöffnungen (7; 70) und den zugeordneten Steuerflächen (SS1 ; SS2; SS3; SSIO; PSi; PS2; PSJ; PS10) durch axial am ilammrohr (A-; 40) verlaufende Primärluftkanäle (Pk1; Pk2; PkIO) und/oder Sekundärluftkanäle (Sk2; Sk3) überbrückt ist.

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2. Gasturbinenbr ennkammer nacii Anspruch 1, dadurch gekennz ei chnet, daß der Stellring (S1; S2; S3; SIO) zur Steuerung des Verhältnisses von Priüärluftmensre zu Sekundärluftmenge um das Flammrohr (4; 40) dreh-"bar und/oder axial verschiebbar ist.
3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft-Steuerflachen (PSI; PS2; PS3; PS10) und die Sekundärluft--Steuerflächen (SS1 ; SS2; SS3; SS10) derart an dem Stellring

(S1; S2; S3; S10) angeordnet sind, daß bei Bewegte:^ des "Λ Stellringes (S1; S2; S3; S10) in der einen Bichtung die Zuströmquerschnitte für die Primärluft (P) fortschreitend vergrößert und die Zuströmquerschr.i tte für die Sekundärluft (S) fortschreitend verringert werden und umgekehrt.
4» Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft-Steuerflächen (PS10) und die Sekundarluft-Steuerflachen (SSIO) derart an dem Stellring (S10) angeordnet sind, daß bei Bewegung des Stellringes (S1O) in der einen Richtung zunächst <?ie Zuströmquerschnitte für die Sekundärluft teilweise verschlossen werden, bevor die Öffnung der Zuströmquerschnitte für die Primärlufτ beginnt.

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5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftkanäle (PS1; PS2; PS3; PSIO) und/oder Sekundärluftkanäle (SS1; SS2; SS3; SSIO) am Außenumfang des Flammrohres (4, 40) angebracht sind.
6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (S1O) das Flammrohr (40) mit Abstand umschließt und daß die Primärluft-Steuerflächen (PSIO) und die Sekundärluft-Steuerflächen (SSIO) am Innenumfang des Stellringes (SIO) befestigt sind*

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7. Gasturbinenbrennkammer nacli Anspruch 6,. dadur ch gekennz ei chnet, daß der Stellring (S1O) im Querschnitt polygonal ausgebildet ist.
8. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 6 oder 7₅ d a durch gekennzeichnet, daß die Primärluft-Steuerflächen (PS10) queraxial zum Flammrohr (40) angeordnet sind.
9^ Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 6 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sekundärluftöffnungen (70) unmittelbar zugeordneten Sekundärluft-Steusrfiächen (SSiO) sich in ümfangsrichtung des Flammrohres (40) erstrecken.
10. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 9₅ dadurch gekennzeichne t,daß in die Sekundärluf-t-Steuerflachen (SS1O) eine Vielzahl von Eühlluftbohrungen (12) eingebracht ist.