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Die Erfindung betrifft eine Brennkammer sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Im Zuge der Weiterentwicklung von Brennkammern für Gasturbinen sind häufig deutliche Anhebungen der Brennkammertemperaturen im Betrieb vorgesehen. Damit sind mehrere Nachteile bzw. Risiken verbunden, wie beispielsweise der Anstieg der Stickoxidemissionen, möglicherweise starke, thermoakustische Schwingungen verbunden mit Bauteilschädigung sowie ein hoher korrosiv-erosiver Verschleiß keramischer Hitzeschildelemente.
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Üblicherweise wird dem Anstieg der Brennkammertemperatur mit verschiedenen Strategien begegnet. Eine Möglichkeit ist es, zu versuchen, über eine Änderung des Strömungs-und Mischungsfelds der Hauptbrenner den Anstieg der Stickoxidemission möglichst klein zu halten und thermoakustische Schwingungen zu kompensieren. Dies ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand und einem gewissen Erfolgsrisiko verbunden, geht man davon aus, dass es sich bei Weiterentwicklungen um bereits über Jahre optimierte Systeme handelt.
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Die Thematik korrosiv-erosiver Verschleiß ist ein bereits bei der heutigen Gasturbinengeneration bestehendes Problem und es wird versucht, dieses durch Entwicklung neuer keramischer Hitzeschildmaterialien bzw. -beschichtungen zu lösen.
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Bekannt sind verschiedene Lösungen, bei denen mit einer sequentiellen Verbrennung bzw. einer axial gestuften Brennstoffeindüsung gearbeitet wird. Dabei kann der Brennstoff vorgemischt oder auch ohne Vormischung in die Brennkammer über Düsen eingebracht werden. Neben einer Verbesserung der Teillastfähigkeit haben diese das Ziel, mit der Eindüsung in dieser zweiten Stufe bei gleichen Stickoxid-Emissionen eine höhere Brennkammertemperatur zu erreichen, ermöglicht durch die geringe Verweilzeit des Heißgases bis zum Brennkammerende.
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Die
EP1062461 B1 offenbart beispielsweise für eine Ringbrennkammer mit Hitzeschildelementen ein solches Konzept mit auf den Hauptbrenner bezogen axial stromabwärtiger Brennstoffeindüsung. Insbesondere wird ein Hitzeschildelement als eine Art Porenbrenner offenbart, der ein mit Hohlräumen versehenes Material aufweist, wobei Brennstoff und Luft derart zugeführt werden, dass eine Verbrennung innerhalb dieses Materials erzeugbar ist, so dass sich das Material aufheizt, was zu einer Stabilisierung der Verbrennung führt. Zusätzlich wirkt eine Porenstruktur auf Verbrennnungsschwingungen stark dämpfend.
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Auch die
EP1493972 A1 offenbart eine Brennkammer mit Brennerstufen, die bezogen auf die Längsrichtung einer Gasturbine hintereinander angeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen, bei der in allen Betriebszuständen eine ausreichende Kühlung der Hitzeschildelemente erfolgen kann, bei der eine weitgehend homogene Vormischung des Brennstoffes der stromabwärtigen axialen Stufe mit Luft erfolgen kann, wobei die Einstellung eines geeigneten Zeitverzugs möglich ist, so dass die zusätzliche Wärmezufuhr in der axialen Stufe nicht in thermoakustische Wechselwirkung mit entsprechenden akustischen Eigenfrequenzen der Brennkammer tritt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung bezieht sich auf ein entsprechendes Verfahren.
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Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Brennkammer mit einer einen Brennraum umschließenden Tragstruktur und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens ein Hitzeschildelement eine Wand mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Kaltseite und einen umlaufenden Randsteg aufweist, der sich über die Kaltseite hinaus in Richtung der Tragstruktur erstreckt und im Betrieb der Brennkammer unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur aufliegt, so dass zwischen der Wand, dem umlaufenden Randsteg und der Tragstruktur ein Hohlraum gebildet ist, wobei in der Tragstruktur mehrere erste Öffnungen für die Zugabe von Luft in den Hohlraum angeordnet sind, wobei in der Wand mehrere zweite Öffnungen vom Hohlraum zum Brennraum in Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase der Brennkammer stromab der ersten Öffnungen angeordnet sind, wobei in der Tragstruktur mehrere dritte Öffnungen für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum angeordnet sind, wobei die dritten Öffnungen in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum stromab der ersten Öffnungen angeordnet sind.
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Durch diese relative Anordnung der ersten, zweiten und dritten Öffnungen, insbesondere der Eindüsung des Brennstoffs stromab der Luftzufuhröffnungen, wird sichergestellt, dass die Verbrennung innerhalb der Brennkammer und keinesfalls innerhalb des Hitzeschildelementes erfolgt. Es ist erwünscht, dass der umlaufende Randsteg des Hitzeschildelements im Betrieb der Brennkammer unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen weitgehend dicht auf der Tragstruktur aufliegt. Wenn dies nicht direkt erreicht werden kann, können in den Randsteg Dichtungen z.B. Riffle Seals eingesetzt werden. Die Höhe eines Randstegs liegt im Bereich von ca. 5 bis 15mm.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und zweiten Öffnungen bezogen auf den Hohlraum diametral angeordnet, so dass die Durchströmung des Hohlraums mit einer fast direkten Querströmung der Luft erfolgt. Dies sorgt sowohl für eine gute Kühlung des Hitzeschildelements als auch für eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Hitzeschildelement eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Hitzeschildelementes an der Tragstruktur auf und die dritten Öffnungen sind in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum stromab der Befestigungsvorrichtung angeordnet. Dadurch wird das Risiko von unkontrollierten Brennstoffleckagen vermindert.
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Es ist vorteilhaft, wenn auf der Kaltseite des Hitzeschildelements Stege im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, wobei ihr stromabwärtiges Ende am stromabwärtigen Teil des umlaufenden Randstegs angeordnet ist, und die zweiten Öffnungen zwischen je zwei Stegen angeordnet sind.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Höhe der weitgehend parallelen Stege mindestens 90% der Höhe des Hohlraums beträgt, so dass sie sich wie der umlaufende Randsteg fast bis zur Tragstruktur erstrecken. Durch diese Stege wird der Luftstrom in Teilströme geteilt. Dadurch kann Brennstoff in Teilströme der querströmenden Luft eingedüst werden.
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Durch die Stege werden Kanäle zwischen Hitzeschildelement und Tragstruktur gebildet. Deren Länge ist durch die Länge benachbarter Stege, deren Breite durch den Abstand benachbarter Stege und deren Höhe durch die Höhe des Hohlraums definiert. Eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird erreicht, wenn ein Verhältnis von Länge zum hydraulischen Durchmesser eines Kanals größer als 7 ist. Der hydraulische Durchmesser ist definiert durch ein gleiches Verhältnis von Querschnittsfläche zum Umfang, d.h. durch [4 * (Höhe * Breite)] / [2 * (Höhe + Breite)].
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Im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung kann evtl. eine Verringerung in der Luftströmung zu den Kanälen vorliegen. Es ist daher zweckmäßig, wenn im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung die Kanäle an ihrem Eintritt eine größere Breite aufweisen als die übrigen Kanäle oder insgesamt eine geringere Länge.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die zweiten Öffnungen Austritte der Kanäle darstellen und die dritten Öffnungen an jeweils den Austritten gegenüberliegenden Eintritten der Kanäle angeordnet sind.
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Um die Gefahr von Selbstzündungen aufgrund einer ungleichförmige Luftströmung im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung zu verringern, ist es zweckmäßig, wenn die dritten Öffnungen für Brennstoff unterschiedlich groß sind bzw. entsprechend angepasst werden.
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Um die Mischung weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn an den Eintritten der Kanäle oder in den Kanälen zumindest teilweise turbulenzerzeugende Einbauten angeordnet sind. Diese können Teil des Hitzeschildelementes oder auch der Tragstruktur sein. Die Anordnung solcher turbulenzerzeugender Einbauten erfolgt bevorzugt stromauf der dritten Öffnungen, also stromauf der Öffnungen für die Zugabe von Brennstoff.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die dritten Öffnungen, also diejenigen für Brennstoff, derart versetzt angeordnet sind, dass über die Kanäle einander zuordenbare zweite und dritte Öffnungen unterschiedlich voneinander beabstandet sind. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Mischstrecken und damit unterschiedliche Verzugszeiten bis zum Austritt in den Brennraum durch die zweiten Öffnungen, was eine mögliche Kopplung mit thermoakustischen Schwingungen vermindert.
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Um ein unkontrolliertes Ausströmen von Brennstoff über Leckagen in den Spalt zwischen zwei Hitzeschildelementen weitgehend zu verhindern, ist es zweckmäßig, wenn die äußersten, durch je einen Steg und den Randsteg gebildeten Randkanäle frei von zweiten und dritten Öffnungen sind, d.h. wenn die Kanäle, die sich an den beiden Rändern des Hitzeschildelementes befinden, nicht mit Brennstoff versorgt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der umlaufende Randsteg vierte Öffnungen auf. So können benachbarte Hitzeschildelementseiten und der Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen gekühlt bzw. gegen Heißgaseinzug gesperrt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Hitzeschildelement 4 so in der Brennkammer angeordnet, dass die zweiten Öffnungen ein bis 4 mal soweit von einem Brennkammerausgang entfernt sind, wie der Brennkammerausgang hoch ist. Im Teillastbetrieb, in dem kein Brennstoff den Brennstoffbohrungen, also den dritten Öffnungen zugeführt wird, kann das Hitzeschildelement als Luftbypass dienen, so dass die Gasturbine über einen zu tiefer Teillast erweiterten schadstoffarmen Betriebsbereich verfügt. Bei hoher Last, also bei Einspritzung von Brennstoff, ist dadurch zwar noch ein vollständiges Abbrennen des Gemisches sichergestellt, jedoch ist die Verweilzeit der entstehenden Heißgase vergleichsweise sehr klein, so dass nur vergleichsweise geringe Mengen an Stickoxiden entstehen.
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Um ein Eindringen von Brennstoff in den Spalt am bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase in der Brennkammer stromabwärtigen Ende des Hitzeschildelements zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn im Spalt in der Tragstruktur fünfte Öffnungen vorgesehen sind.
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Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Hitzeschildelement ein metallisches Hitzeschildelement ist, weil metallische Platten wegen der einfachen Gießbarkeit bzw. Möglichkeit einer maschinellen Herstellung mit den entsprechenden Geometrien am besten für die Herstellung solcher Hitzeschildelemente geeignet sind.
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Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einer einen Brennraum umschließenden Tragstruktur und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der Hitzeschildelemente Brennstoff und Luft für eine Verbrennung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Luft im Hitzeschildelement vorgemischt werden und als Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum zur dortigen Verbrennung abgegeben werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der konkreten Gestaltung eines Hitzeschildelements, das kontrolliert beströmte, berandete Kanäle zur Einmischung von Brennstoff zur Verfügung stellt. Gleichzeitig wird durch das vorgeschlagene Design ermöglicht, dass das Hitzeschildelement während des gesamten Betriebs ausreichend gekühlt ist. Das Hitzeschildelement weist Stege auf, die die strömende Kühlluft in kleine Kanäle teilt, in denen trotz kleiner absoluter Kanallänge bzw. Baugröße eine gute Mischung wegen der großen relativen Kanallänge erreicht wird.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer einer Gasturbine und
- 2 die Kaltseite eines Hitzeschildelements nach der Erfindung.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennkammer 1, insbesondere eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine. Die Brennkammer 1 liegt rotationssymmetrisch um eine Achse 27. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Hälfte des Längsschnittes gezeigt. Die Brennkammer 1 weist eine Tragstruktur 3 auf. Die Tragstruktur 3 umschließt einen Brennraum 2. Die Innenwand der Tragstruktur 3 ist mit einer Innenauskleidung ausgekleidet. Die Innenauskleidung wird durch eine Vielzahl von Hitzeschildelementen 4,35 gebildet. Solche Hitzeschildelemente bestehen z.B. aus feuerfester Keramik 35 oder Metall 4. In die Brennkammer 1 mündet ein Brennersystem 28. Dieses wird gebildet durch einen Pilotbrenner 29 und einen Hauptbrenner 30 (typischer Weise ein Vormischbrenner), welcher den Pilotbrenner 29 in Form eines Ringkanals umgibt. Das Brennersystem 28 ist an einem brennerseitigen Ende 31 der Brennkammer 1 angeordnet. An einem dem brennerseitigen Ende 31 gegenüberliegenden turbinenseitigen Ende 32 schließt sich eine schematisch dargestellte Gasturbine 33 an.
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Bei Verwendung einer solchen Brennkammer 1 in einer hier nicht dargestellten Gasturbinenanlage wird dem Pilotbrenner 29 Brennstoff und Luft zugeführt. Der Brennstoff und die Luft werden beispielsweise über einen Diffusionsbetrieb des Pilotbrenners 29 im Brennraum 2 der Brennkammer 1 verbrannt. An der am Pilotbrenner 29 stabilisierten Flamme dieser Verbrennung entzündet sich ein Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft, welches dem Hauptbrenner 30 zugeführt wird. Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas tritt aus dem turbinenseitigen Ende 32 der Brennkammer 1 durch den Brennkammerausgang 38 aus und treibt die Gasturbine 33 an.
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2 zeigt, wie die in 1 dargestellte, konventionelle einstufige Verbrennung in besonders einfacher Weise durch eine zweite Stufe einer Verbrennung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelements 4 ergänzt werden kann.
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Insbesondere zeigt die 2 das Schema eines Hitzeschildelements 4 sowie gestrichelt dargestellte Elemente, die auf der Tragstruktur 3 angeordnet sind.
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Das Hitzeschildelement 4 umfasst eine Wand 5 mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite 6 (Rückseite in der Darstellung der 2), einer der Heißseite 6 gegenüberliegenden Kaltseite 7 und einen umlaufenden Randsteg 8, der sich über die Kaltseite 7 hinaus in Richtung der Tragstruktur 3 erstreckt. Im Betrieb der Brennkammer 1 liegt der Randsteg 8 unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur 3 auf, so dass zwischen der Wand 5, dem umlaufenden Randsteg 8 und der Tragstruktur 3 ein Hohlraum 9 gebildet ist.
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In der Tragstruktur 3 sind mehrere erste Öffnungen 10 für die Zugabe von Luft in den Hohlraum 9 angeordnet. Das können Löcher oder eventuell auch Schlitze sein, welche auch zur Prallkühlung des Hitzeschildelements 4 dienen können. Diese ersten Öffnungen 10 sind, bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase in der Brennkammer 1, in einem stromaufwärtigen Teil des Hohlraums 9 angeordnet.
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Weiter sind in der Wand 5, diametral zu den ersten Öffnungen 10 im Hohlraum 9 mehrere zweite Öffnungen 11 vom Hohlraum 9 zum Brennraum 2 in Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase der Brennkammer 1 stromab der ersten Öffnungen 10 angeordnet.
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Schließlich sind in der Tragstruktur 3 mehrere dritte Öffnungen 13 für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum 9 angeordnet und zwar so, dass sie in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum 9 nicht nur stromab der ersten Öffnungen 10 angeordnet sind, sondern auch stromab einer Befestigungsvorrichtung 14 zur Befestigung des Hitzeschildelementes 4 an der Tragstruktur 3. Auf der kaltseitigen Wand der Tragstruktur 3 befindet sich ein abgeschlossener brennstoffführender Verteiler (nicht gezeigt).
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Auf der Kaltseite 7 des Hitzeschildelements 4 sind Stege 15 angeordnet, die sich im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 12 in etwa von den dritten Öffnungen 13 bis zu den zweiten Öffnungen 11 erstrecken. D.h., ein stromabwärtiges Ende 36 der Stege 15 ist am stromabwärtigen Teil 37 des umlaufenden Randstegs 8 angeordnet, und die zweiten Öffnungen 11 sind zwischen je zwei Stegen 15 angeordnet. Die Höhe der Stege 15 beträgt mindestens 90% der Höhe des Hohlraums 9. Durch die Stege 15 werden Kanäle 16 zwischen Hitzeschildelement 4 und Tragstruktur 3 gebildet, im Bereich deren Eintritte 20 somit die dritten Öffnungen 13 (für das Eindüsen von Brennstoff in die querströmende Luft) und als deren Austritte 19, möglichst nah am stromabwärtigen Teil 37 des Randstegs 8, die zweiten Öffnungen 11 für die Abgabe des Brennstoff-Luft-Gemischs in die querströmenden heißen Abgase (>1000°C) im Brennraum 2 angeordnet sind und deren Länge 17 durch die Länge benachbarter Stege 15, deren Breite 18 durch den Abstand benachbarter Stege 15 und deren Höhe durch die Höhe des Hohlraums 9 definiert sind. Eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird erreicht, wenn ein Verhältnis von Länge 17 zum hydraulischen Durchmesser eines Kanals 16 größer als 7 ist. Der hydraulische Durchmesser ist definiert durch ein gleiches Verhältnis von Querschnittsfläche zum Umfang, d.h. durch [4 * (Höhe * Breite)] / [2 * (Höhe + Breite)] bei einem rechteckigen Querschnitt.
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In der Ausführungsform der 2 sind an den Eintritten 20 der Kanäle 16 turbulenzerzeugende Einbauten 21 angeordnet. Diese können aber auch in den Kanälen 16 angeordnet sein. In beiden Fällen ist die Anordnung der turbulenzerzeugenden Einbauten 21 im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Luft und Brennstoff stromauf der dritten Öffnungen 13 für Brennstoff bevorzugt.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die dritten Öffnungen 13 nicht auf einer Linie sondern derart versetzt angeordnet, dass über die Kanäle 16 einander zuordenbare zweite 11 und dritte Öffnungen 13 unterschiedlich voneinander beabstandet sind.
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Außerdem zeigt die 2, dass die äußersten durch je einen Steg 15 und den Randsteg 8 gebildeten Randkanäle 34 frei von zweiten 11 und dritten Öffnungen 13 sind.
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Hinsichtlich Kühl- bzw. Sperrluft sind beim Hitzeschildelement 4 der 2 sowohl vierte Öffnungen 22 in Teilen des umlaufenden Randstegs 8 vorgesehen, sowie im Spalt 24 am bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase in der Brennkammer 1 stromabwärtigen Ende 25 des Hitzeschildelements 4, d.h. in der 2 rechts mit gestrichelten Löchern gekennzeichnet, in der Tragstruktur 3 fünfte Öffnungen 26.
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Gemäß der Erfindung ist ein solches Hitzeschildelement 4 so angeordnet, dass die zweiten Öffnungen 11 ein bis 4 mal soweit von einem Brennkammerausgang 38 entfernt sind, wie der Brennkammerausgang 38 hoch ist. Das entspricht üblicherweise einer Anordnung in einer der beiden in Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase letzten durch am Umfang der Brennkammer 1 nebeneinander angeordneten Hitzeschildelemente gebildeten Hitzeschildreihen 23 der Brennkammer 1 (s. 1).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1062461 B1 [0006]
- EP 1493972 A1 [0007]
