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WO2015158489A1 - Burner with swirl vane - Google Patents

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WO2015158489A1
WO2015158489A1 PCT/EP2015/055812 EP2015055812W WO2015158489A1 WO 2015158489 A1 WO2015158489 A1 WO 2015158489A1 EP 2015055812 W EP2015055812 W EP 2015055812W WO 2015158489 A1 WO2015158489 A1 WO 2015158489A1
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burner
swirl
fuel
hub
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Andreas Böttcher
Boris Ferdinand Kock
Tobias Krieger
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D2900/14Special features of gas burners
    • F23D2900/14021Premixing burners with swirling or vortices creating means for fuel or air

Definitions

  • Burner with swirl vane The invention relates to a burner and relates to the improved mixture of fuel and air.
  • the mixture of fuel and air is of central importance in the combustion process. Significantly, the quality of the mixture determines the nitrogen oxide (NO x ) and carbon monoxide (CO) emissions, the thermoacoustic properties of the flame and the flame shape and shape.
  • NO x nitrogen oxide
  • CO carbon monoxide
  • thermoacoustic behavior of the burner acoustic stimuli. Depending on their amplitude and frequency as well as the natural frequency of the combustion chamber structure, these vibrations are either damped or amplified. Fall the frequencies of the thermoacoustic
  • Vibrations coincide with the natural frequencies of the structure in phase, resulting in high mechanical vibration amplitudes, which can have a critical effect on the life of the components.
  • the fuel is usually added via injection holes in the swirl generator blades of the burner where it is mixed with the warm compressor air.
  • the gas jet penetrates at different depths into the surrounding compressor air. The resulting "penetration ⁇ deep" has a direct influence on the radial profile of the
  • the bore diameter is designed so that a certain penetration depth ⁇ A and a specific mixture profile be achieved. It is common for all Eindüsungsbohrungen to use the same diameter. This approach is due to the fact that different hole diameters on the changing pressure loss would also have a differing ⁇ che division of the fuel gas to the various drilling result.
  • the quality of the mixture depends essentially on the depth of penetration of the gas jet into the surrounding air.
  • the object of the invention is to provide a burner in which the quality of the mixture is further improved.
  • the invention solves this problem by providing that in a burner with a substantially annular in cross-section, in the operation of air and fuel perfused Heilzubow- and Vormischkanal, which is formed by an outer shell and a hub and in which more
  • Swirl vanes are arranged, which extend from the hub to the outer shell in the radial direction and have a deflection surface with a trailing edge, the trailing edge is interrupted several times, the trailing edge of a
  • Swirl blade is designed stepped in the flow direction and the grading is carried out as a result of rectangular or triangular recesses.
  • a grading is easy to produce, for example, by punching and can be carried out, for example, as a result of rectangular or triangular recesses.
  • the multiple interruption of the trailing edge leads to ver ⁇ like small-scale eddies.
  • These vortices can be used to further improve the mixing, whereby the axial vortex formation between the outflow vortices leads to a changed mixture and a change in the penetration depth due to entrainment effects in the axial vane direction.
  • the trailing edge of a swirl blade has cracks in terms of a Outflow angle on.
  • a transition of the deflection surface to the trailing edge is smooth, so that a first derivative of a surface curvature is continuous. As a result, unwanted vortex formation is avoided before the trailing edge.
  • Drum shovels on fuel openings wherein a number of interruptions of the trailing edge exceeds a number of fuel ⁇ openings. Since small-scale turbulences are to be generated, it is expedient if measures for interrupting the outflow edge are provided only in the downstream third of the swirl blades. With the multiple interrupted trailing edge of the swirl generator blades improved or adjustable Mi ⁇ tion of fuel and air can be achieved. In particular, the mixing field in the wake of the blade can be influenced with such a trailing edge. This leads to lower emissions and improved stamen stability.
  • FIG. 1 shows a burner
  • Figure 2 is a swirl blade according to the prior art
  • Figure 3 is a swirl blade with punched outflow edge according to the invention
  • Figure 4 shows a swirl blade with alternately up or down bent blade ends.
  • FIG. 1 shows schematically and exemplarily a soan- provides a burner 1 with an annular cross section in Wesentli ⁇ surfaces, through which flow in the operation of air and fuel air supply and premixing channel 2, which is formed by an outer shell 3 and a hub 4 and in a plurality of swirl blades 5, 6, 16 are arranged, which extend from the hub 4 to the outer casing 3 in the radial direction.
  • FIG. 2 An example of a swirl blade 16 according to the prior Tech ⁇ technology is shown in FIG. 2
  • the swirl blade 16 is designed as a hollow blade and has deflection surfaces 7 with a trailing edge 8, and fuel openings 13, which are supplied via fuel channels 17.
  • the outflow edge 8 of the swirl blade 16 is substantially straight or slightly curved .
  • FIG. 3 shows a swirl blade 6 in which the outflow edge 8 is stepped in the direction of flow, as a result of rectangular recesses 12.
  • FIG. 4 shows a swirl blade 5, which has cracks with respect to an outflow angle 9, wherein the outflow edge 8 of the blade 5 is bent alternately in opposite transverse directions 10.
  • a transition 11 of the deflection surface 7 to the outflow edge 8 is smooth, so that a first derivative of a surface curvature is continuous.
  • the swirl vanes 5, 6 of FIGS. 3 and 4 have fuel openings 13.
  • the number of interruptions of the trailing edge 8 exceeds the number of Brennstofföffnun conditions 13.
  • the comparatively frequent interruption of the trailing edge 8 a small-scale turbulence is generated, which improves the mixture of fuel and air on the twist addition.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

The invention relates to a burner having an air supply and premix duct which is of essentially annular cross-section and through which flow, in operation, air and fuel, and which is formed by an outer jacket and a hub and in which there are arranged multiple swirl vanes (6) that extend in the radial direction from the hub to the outer jacket and have a deflection surface (7) with a trailing edge (8), wherein the trailing edge (8) has multiple interruptions, wherein the trailing edge (8) of a swirl vane (6) is of stepped design in the flow direction and the stepped form is designed as a sequence of rectangular or triangular recesses (12).

Description

Beschreibung description

Brenner mit Drallschaufel Die Erfindung betrifft einen Brenner und bezieht sich auf die verbesserte Mischung von Brennstoff und Luft. Burner with swirl vane The invention relates to a burner and relates to the improved mixture of fuel and air.

Der Mischung von Brennstoff und Luft kommt im Verbrennungs- prozess eine zentrale Bedeutung zu. Maßgeblich werden durch die Mischungsqualität die Stickoxid (NOx) - und Kohlenmonoxid (CO) -Emissionen, die thermoakustischen Eigenschaften der Flamme sowie die Flammenform und -läge bestimmt. The mixture of fuel and air is of central importance in the combustion process. Significantly, the quality of the mixture determines the nitrogen oxide (NO x ) and carbon monoxide (CO) emissions, the thermoacoustic properties of the flame and the flame shape and shape.

So bietet eine möglichst homogene Mischung den Vorteil nied- riger NOx-Emissionen . Weiterhin beeinflusst die Mischung jedoch auch das thermoakustische Verhalten des Brenners. So entstehen in der Brennkammer durch den Verbrennungsprozess verursachte akustische Anregungen. Abhängig von deren Amplitude und Frequenz sowie der Eigenfrequenz der Brennkammer- Struktur, werden diese Schwingungen entweder gedämpft oder verstärkt. Fallen die Frequenzen der thermoakustischen Thus, the most homogeneous mixture possible offers the advantage of low NO x emissions. Furthermore, the mixture also influences the thermoacoustic behavior of the burner. Thus, in the combustion chamber caused by the combustion process acoustic stimuli. Depending on their amplitude and frequency as well as the natural frequency of the combustion chamber structure, these vibrations are either damped or amplified. Fall the frequencies of the thermoacoustic

Schwingungen mit den Eigenfrequenzen der Struktur phasengleich zusammen, entstehen hohe mechanische Schwingungsamplituden, die sich kritisch auf die Lebensdauer der Bauteile auswirken können. Vibrations coincide with the natural frequencies of the structure in phase, resulting in high mechanical vibration amplitudes, which can have a critical effect on the life of the components.

Bei drallstabilisierten Brennern wird der Brennstoff üblicherweise über Eindüsungsbohrungen in den Drallerzeugerschaufeln des Brenners zugegeben und dort mit der warmen Verdichterluft vermischt. Abhängig von Brenngasqualität und Brenngastemperatur sowie vom Durchmesser der Eindüsungsbohrungen dringt der Gasstrahl unterschiedlich tief in die umgebende Verdichterluft ein. Die sich ergebende "Eindring¬ tiefe" hat direkten Einfluss auf das radiale Profil der In spin stabilized burners, the fuel is usually added via injection holes in the swirl generator blades of the burner where it is mixed with the warm compressor air. Depending on the fuel gas quality and the combustion gas temperature as well as the diameter of the injection holes, the gas jet penetrates at different depths into the surrounding compressor air. The resulting "penetration ¬ deep" has a direct influence on the radial profile of the

Brenngas-Luft-Mischung. Je nach Brenngasqualität wird der Bohrungsdurchmesser so ausgelegt, dass eine bestimmte Ein¬ dringtiefe und damit ein bestimmtes Mischungsprofil erreicht werden. Dabei ist es üblich, für alle Eindüsungsbohrungen denselben Durchmesser zu verwenden. Dieses Vorgehen ist dem Umstand geschuldet, dass unterschiedliche Bohrungsdurchmesser über den sich ändernden Druckverlust auch eine unterschiedli¬ che Aufteilung des Brenngases auf die verschiedenen Bohrungen zur Folge hätte. Fuel gas-air mixture. Depending on the fuel gas quality, the bore diameter is designed so that a certain penetration depth ¬ A and a specific mixture profile be achieved. It is common for all Eindüsungsbohrungen to use the same diameter. This approach is due to the fact that different hole diameters on the changing pressure loss would also have a differing ¬ che division of the fuel gas to the various drilling result.

Die Qualität der Mischung ist im Wesentlichen von der Eindringtiefe des Gasstrahls in die umgebende Luft abhängig. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner anzugeben, bei dem die Mischungsqualität weiter verbessert ist. The quality of the mixture depends essentially on the depth of penetration of the gas jet into the surrounding air. The object of the invention is to provide a burner in which the quality of the mixture is further improved.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem Brenner mit einem im Querschnitt im Wesentlichen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal , der durch einen Außenmantel und eine Nabe gebildet ist und in dem mehrere The invention solves this problem by providing that in a burner with a substantially annular in cross-section, in the operation of air and fuel perfused Luftzufuhr- and Vormischkanal, which is formed by an outer shell and a hub and in which more

Drallschaufeln angeordnet sind, die sich von der Nabe bis zum Außenmantel in radialer Richtung erstrecken und eine Umlenk- fläche mit einer Abströmkante aufweisen, die Abströmkante mehrfach unterbrochen ist, wobei die Abströmkante einer Swirl vanes are arranged, which extend from the hub to the outer shell in the radial direction and have a deflection surface with a trailing edge, the trailing edge is interrupted several times, the trailing edge of a

Drallschaufel in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt ist und die Stufung als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen ausgeführt ist. Swirl blade is designed stepped in the flow direction and the grading is carried out as a result of rectangular or triangular recesses.

Eine Stufung ist beispielsweise durch Ausstanzen einfach herzustellen und kann beispielsweise als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen ausgeführt sein. Die mehrfache Unterbrechung der Abströmkante führt zu ver¬ gleichsweise kleinskaligen Wirbeln. Diese Wirbel können zur weiteren Mischungsverbesserung genutzt werden, wobei die axiale Wirbelbildung zwischen den Ausströmwirbeln zur geänderten Mischung und Veränderung der Eindringtiefe durch Mitnahmeef- fekte in axialer Schaufelrichtung führt. A grading is easy to produce, for example, by punching and can be carried out, for example, as a result of rectangular or triangular recesses. The multiple interruption of the trailing edge leads to ver ¬ like small-scale eddies. These vortices can be used to further improve the mixing, whereby the axial vortex formation between the outflow vortices leads to a changed mixture and a change in the penetration depth due to entrainment effects in the axial vane direction.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Brenners weist die Abströmkante einer Drallschaufel Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels auf. Indem die Strömung durch unterschiedliche "Abströmung" an der Schaufelhinterkante "geleitet" wird, lässt sich die Mischung und Verteilung des Brennstoffes stromab der Schaufel besonders gut einstellen. In an advantageous embodiment of the burner, the trailing edge of a swirl blade has cracks in terms of a Outflow angle on. By "directing" the flow through different "outflow" at the blade trailing edge, the mixing and distribution of the fuel downstream of the blade can be adjusted particularly well.

Dabei ist es zweckmäßig, weil am einfachsten umzusetzen, wenn die Sprünge alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen erfolgen. Vorteilhafter Weise ist ein Übergang der Umlenkfläche zur Abströmkante hin glatt, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist. Dadurch wird unerwünschte Wirbelbildung vor der Abströmkante vermieden. In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die It is expedient because the easiest way to implement, if the jumps take place alternately in opposite transverse directions. Advantageously, a transition of the deflection surface to the trailing edge is smooth, so that a first derivative of a surface curvature is continuous. As a result, unwanted vortex formation is avoided before the trailing edge. In an advantageous embodiment, the

Drallschaufeln BrennstoffÖffnungen auf, wobei eine Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante eine Anzahl an Brennstoff¬ öffnungen übersteigt. Da kleinskalige Turbulenzen erzeugt werden sollen, ist es zweckmäßig, wenn Maßnahmen zur Unterbrechung der Abströmkante lediglich im stromabseitigen Drittel der Drallschaufeln vorgesehen sind. Mit der mehrfach unterbrochenen Abströmkante der Drallerzeugerschaufeln ist eine verbesserte bzw. einstellbare Mi¬ schung von Brennstoff und Luft erzielbar. Insbesondere lässt sich mit einer solchen Abströmkante das Mischungsfeld im Nachlauf der Schaufel beeinflussen. Dies führt zu niedrigeren Emissionen und verbesserter Verbennungsstabilität. Drum shovels on fuel openings, wherein a number of interruptions of the trailing edge exceeds a number of fuel ¬ openings. Since small-scale turbulences are to be generated, it is expedient if measures for interrupting the outflow edge are provided only in the downstream third of the swirl blades. With the multiple interrupted trailing edge of the swirl generator blades improved or adjustable Mi ¬ tion of fuel and air can be achieved. In particular, the mixing field in the wake of the blade can be influenced with such a trailing edge. This leads to lower emissions and improved stamen stability.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: Figur 1 einen Brenner, The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. They show schematically and not to scale: FIG. 1 shows a burner,

Figur 2 eine Drallschaufel nach dem Stand der Technik, Figur 3 eine Drallschaufel mit ausgestanzter Abströmkante nach der Erfindung und Figur 4 eine Drallschaufel mit abwechselnd nach oben oder unten gebogenen Schaufelenden. Figure 2 is a swirl blade according to the prior art, Figure 3 is a swirl blade with punched outflow edge according to the invention and Figure 4 shows a swirl blade with alternately up or down bent blade ends.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Seitenan- sieht eines Brenners 1 mit einem im Querschnitt im Wesentli¬ chen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal 2, der durch einen Außenmantel 3 und eine Nabe 4 gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln 5, 6, 16 angeordnet sind, die sich von der Na- be 4 bis zum Außenmantel 3 in radialer Richtung erstrecken. 1 shows schematically and exemplarily a Seitenan- provides a burner 1 with an annular cross section in Wesentli ¬ surfaces, through which flow in the operation of air and fuel air supply and premixing channel 2, which is formed by an outer shell 3 and a hub 4 and in a plurality of swirl blades 5, 6, 16 are arranged, which extend from the hub 4 to the outer casing 3 in the radial direction.

Ein Beispiel einer Drallschaufel 16 nach dem Stand der Tech¬ nik ist in Figur 2 gezeigt. Die Drallschaufel 16 ist als Hohlschaufel ausgeführt und weist Umlenkflächen 7 mit einer Abströmkante 8 auf, sowie BrennstoffÖffnungen 13, die über Brennstoffkanäle 17 versorgt werden. Die Abströmkante 8 der Drallschaufel 16 ist im Wesentlichen gerade oder leicht ge¬ krümmt . Im Betrieb des Brenners 1 tritt Verdichterendluft in den Luftzufuhr- und Vormischkanal 2 ein und strömt an den An example of a swirl blade 16 according to the prior Tech ¬ technology is shown in FIG. 2 The swirl blade 16 is designed as a hollow blade and has deflection surfaces 7 with a trailing edge 8, and fuel openings 13, which are supplied via fuel channels 17. The outflow edge 8 of the swirl blade 16 is substantially straight or slightly curved . During operation of the burner 1, compressor discharge air enters the air supply and premixing channel 2 and flows to the

Drallschaufeln 5, 6, 16 vorbei, wodurch der Luftströmung ein Drall aufgeprägt wird. Brennstoff wird über die Brennstoff¬ öffnungen 13 der Luftströmung beigemischt. Das Brennstoff- Luftgemisch wird in einer nachgeordneten Verbrennungszone verbrannt . Swirl blades 5, 6, 16 over, whereby the air flow is imparted a twist. Fuel is added via the fuel ¬ openings 13 of the air flow. The fuel-air mixture is burned in a downstream combustion zone.

Figur 3 zeigt eine Drallschaufel 6, bei der die Abströmkante 8 in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt ist und zwar als Folge von rechteckigen Aussparungen 12. FIG. 3 shows a swirl blade 6 in which the outflow edge 8 is stepped in the direction of flow, as a result of rectangular recesses 12.

Figur 4 zeigt eine Drallschaufel 5, die Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels 9 aufweist, wobei die Abströmkante 8 der Schaufel 5 alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen 10 gebogen ist. Dabei ist ein Übergang 11 der Umlenkfläche 7 zur Abströmkante 8 hin glatt, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist. Die Drallschaufeln 5, 6 der Figuren 3 und 4 weisen BrennstoffÖffnungen 13 auf. Dabei übersteigt die Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante 8 die Anzahl an Brennstofföffnun gen 13. Durch die vergleichsweise häufige Unterbrechung der Abströmkante 8 wird eine kleinskalige Turbulenz erzeugt, die die Mischung von Brennstoff und Luft über die Verdrallung hinaus verbessert. FIG. 4 shows a swirl blade 5, which has cracks with respect to an outflow angle 9, wherein the outflow edge 8 of the blade 5 is bent alternately in opposite transverse directions 10. In this case, a transition 11 of the deflection surface 7 to the outflow edge 8 is smooth, so that a first derivative of a surface curvature is continuous. The swirl vanes 5, 6 of FIGS. 3 and 4 have fuel openings 13. In this case, the number of interruptions of the trailing edge 8 exceeds the number of Brennstofföffnun conditions 13. The comparatively frequent interruption of the trailing edge 8 a small-scale turbulence is generated, which improves the mixture of fuel and air on the twist addition.

Daher ist es auch völlig ausreichend, wenn die Maßnahmen 14 zur Unterbrechung der Abströmkante 8 lediglich im stromabsei tigen Drittel 15 der Drallschaufeln 5, 6 vorgesehen sind. Therefore, it is also completely sufficient if the measures 14 are provided to interrupt the trailing edge 8 only in stromabsei term third 15 of the swirl vanes 5, 6.

Claims

Patentansprüche claims 1. Brenner (1) mit einem im Querschnitt im Wesentlichen 1. burner (1) having a substantially in cross section ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durch¬ strömten Luftzufuhr- und Vormischkanal (2), der durch einen Außenmantel (3) und eine Nabe (4) gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln (5, 6) angeordnet sind, die sich von der Nabe (4) bis zum Außenmantel (3) in radialer Richtung erstrecken und eine Umlenkfläche (7) mit einer Abströmkante (8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkante (8) mehrfach unterbrochen ist, wobei die Abströmkante (8) einer Drallschaufel (6) in Strömungs¬ richtung gestuft ausgeführt ist und die Stufung als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen (12) ausgeführt ist. annular, in the operation of air and fuel through ¬ flowed air supply and Vormischkanal (2), which is formed by an outer casing (3) and a hub (4) and in which a plurality of swirl vanes (5, 6) are arranged, which the hub (4) to the outer shell (3) extend in the radial direction and a deflection surface (7) having a trailing edge (8), characterized in that the trailing edge (8) is interrupted several times, wherein the trailing edge (8) of a swirl blade (6) is stepped in the flow direction ¬ executed and the gradation is carried out as a result of rectangular or triangular recesses (12). 2. Brenner (1) nach Anspruch 1, wobei die Abströmkante (8) einer Drallschaufel (5) Sprünge hinsichtlich eines 2. burner (1) according to claim 1, wherein the trailing edge (8) of a swirl blade (5) jumps in terms of a Abströmwinkels (9) aufweist.  Outflow angle (9). 3. Brenner (1) nach Anspruch 2, wobei die Sprünge alternie¬ rend in entgegengesetzte transversale Richtungen (10) er¬ folgen . 3. burner (1) according to claim 2, wherein the jumps alternie ¬ rend in opposite transverse directions (10) he follow ¬ . 4. Brenner (1) nach Anspruch 3, wobei ein Übergang (11) der Umlenkfläche (7) zur Abströmkante (8) hin glatt ist, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist. 4. burner (1) according to claim 3, wherein a transition (11) of the deflection surface (7) to the trailing edge (8) is smooth, so that a first derivative of a surface curvature is continuous. 5. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drallschaufeln (5, 6) BrennstoffÖffnungen (13) aufweisen und eine Anzahl an Unterbrechungen der 5. Burner (1) according to one of the preceding claims, wherein the swirl blades (5, 6) fuel openings (13) and a number of interruptions of Abströmkante (8) eine Anzahl an BrennstoffÖffnungen (13) übersteigt .  Outflow edge (8) exceeds a number of fuel openings (13). 6. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Maßnahmen (14) zur Unterbrechung der Abströmkante (8) lediglich im stromabseitigen Drittel (15) der Drallschaufeln (5, 6) vorgesehen sind. 6. burner (1) according to any one of the preceding claims, wherein measures (14) for interrupting the trailing edge (8) only in the downstream third (15) of the swirl blades (5, 6) are provided.
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