DE1929258A1 - Incinerator - Google Patents
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
- F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
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- Pressure-Spray And Ultrasonic-Wave- Spray Burners (AREA)
Description
-WELSEIi-8TBASSB-WELSEIi-8TBASSB
TSUlPOWi 11*71TSUlPOWi 11 * 71
1 11 1
** 1*111 * 11
Dipl. ing. B. HOLZEB ι q ο ο ο ς ρDipl. Ing. B. HOLZEB ι q ο ο ο ς ρ
«9AÜGSBUHG I3Z3Z0Ö«9AÜGSBUHG I3Z3Z0Ö
M. 479M. 479
Augsburg, den 9. Juni 1969Augsburg, June 9, 1969
Der Minister für Technologie in der Regierung Ihrer Majestät· der Königin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, Millbank Toxrer,, Millbank, London, S.W. 1,The Minister of Technology in Her Majesty's Government the Queen of the United Kingdoms of Great Britain and Northern Ireland, Millbank Toxrer ,, Millbank, London, S.W. 1,
EnglandEngland
Verbrennungseinri chtungIncineration device
; i ; i
Die Erfindung betrifft Verbrennungseinrichtungen, bei welchen eine Flammenstabilisierungszone innerhalb einer schnellen Gasströmung dadurch erzielt wird, daß von einem in dieser Gasströmung angeordneten Körper die Grenzschichtströmung entsprechend abgelöst wird.The invention relates to incinerators in which a flame stabilization zone is within a rapid Gas flow is achieved by the boundary layer flow from a body arranged in this gas flow will be replaced accordingly.
-,ι —-, ι -
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Bei Turbinenstrahltriebwerken für Plugzeuge kann man bekanntlich zusätzliche Schubkraft dadurch erzeugen, daß man in einem Nachbrenner zusätzlich Brennstoff verbrennt. Bei derartigen Einrichtungen verwendet man seit langem feststehende Leitbleche, welche an ihren Ablaufkanten stabile Turbulenzzonen oder Ruckströmungszonen erzeugen, in Vielehen sich einmal gezündete Flammen- von selbst erhalten. Derartige Leitbleche stellen jedoch während der Zeiträume, während welcher der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, einen unerwünschten Strömungswiderstand dar. Eine der gebräuchlicheren Formen feststehender Leitbleche besteht in einer im Querschnitt V-förmigen Rinne, deren Scheitel in dem Strömungsmittelstrom stromaufwärts weist, wobei die außerordentliche Einfachheit dieses Aufbaues gewisse Nachteile offenbar zurücktreten läßt. Durch Einstellen der beiden Schenkel des V-Profiles auf einen von ihnen eingeschlossenen Winkel von etwa 45° oder je nach der Strömungsgeschwindigkeit etwas weniger, kann ein vernünftiger Kompromiß zwischen Strömungswiderstand und Schaffung einer geeigneten Rückströmungszone erzielt werden.In the case of turbine jet engines for plug tools, it is well known that additional thrust can be generated by that one burns additional fuel in an afterburner. Such devices have long been used fixed baffles, which are stable at their run-off edges Create turbulence zones or backflow zones, in multiples Once the flame has been ignited, it sustains itself. Such baffles are, however, during the periods during which the afterburner is not in operation, presents an undesirable flow resistance. One of the more common Forms of fixed baffles consists in a cross-sectionally V-shaped channel, the apex in the Fluid flow has upstream, the extraordinary The simplicity of this structure apparently removes certain disadvantages. By setting the two Legs of the V-profile to an included angle of about 45 ° or depending on the flow velocity something less, can be a reasonable compromise between flow resistance and creating a suitable return flow zone be achieved.
Dennoch kann der Leitblechwiderstand kritische Werte annehmen, wenn die gesamte zur Verfügung stehende Nachbrennerenergie eingesetzt wird. Ferner ist ein Nachbrennersystem sehr erwünscht, welches während seines Nachtbetriebes Nevertheless, the baffle resistance can have critical values if all available afterburner energy is used. Furthermore, an afterburner system is very desirable which can be used during its nighttime operation
— P —- P -
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einen geringen Druckverlust aufweist, vorausgesetzt, daß die sich aus anderen Gründen ergebenden Nachteile nicht zu schwerwiegend sind.has a low pressure drop provided that the disadvantages arising for other reasons are not too severe.
Das Stabilitätsbild eines kreisrunden Zylinders ist demjenigen einer V-förmigen Rinne gleichen Querschnittes sehr ähnlich, so daß diese beiden Teile vom Gesichtspunkt der Verbrennung her als gegenseitig austauschbar angesehen werden können. Bei einem Zylinder besteht jedoch die Möglich- ™ keit, dessen Strömungswiderstand durch Steuerung bzw. Regelung der Grenzschichtströmung zu verringern. Wenn eine derartige Grenzschichtströmungsbeeinflussung auf Flammenhaltungseinrichtungen von Nachbrennersystemen Anwendung findet, so ist selbstverständlich stets dann eine Steuerströmung erforderlich, wenn der Nachbrenner nicht in Betrieb ist. Die für eine solche Steuerströmung zusätzlich erforderliche Energie ist jedoch mit Bezug auf die durch eine solche Steuerströmung erzielbaren Vorteile von untergeordneter ä Bedeutung.The stability picture of a circular cylinder is very similar to that of a V-shaped channel of the same cross-section, so that these two parts can be viewed as mutually interchangeable from the point of view of combustion. In the case of a cylinder, however, there is the possibility of reducing its flow resistance by controlling or regulating the boundary layer flow. If such a boundary layer flow influencing is used on flame holding devices of afterburner systems, a control flow is of course always required when the afterburner is not in operation. The additionally required for such a control flow energy, however, is with regard to the achievable through such a control flow advantages of minor importance like.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Verbrennungseinrichtungen der eingangs erwähnten Art eine ausreichende Flammenstabilisierung und gleichzeitig geringstmögliche Druckverluste zu erzielen, ohne hierbei andere Nachteile in Kauf nehmen zu müssen·The object of the invention is to be achieved in combustion devices of the type mentioned at the beginning to achieve adequate flame stabilization and at the same time the lowest possible pressure loss without doing this having to accept other disadvantages
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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung durch mindestens-ein ' in einem Strömungskanal angeordnetes Element, welches im wesentlichen kreisrunden Querschnitt und eine aus diesem kreisrunden Querschnitt heraustretende Hinterkante aufweist, und durch Mittel zur beliebigen Beeinflussung der Grenzschichtströmung des genannten Elementes im Sinne einer jeweils zweckentsprechenden Änderung der Nachströmung derselben gekennzeichnet. In terms of the solution to this problem, a combustion device according to the invention is provided by at least one ' arranged in a flow channel element, which has a substantially circular cross-section and one from this circular cross-section protruding rear edge, and by means for arbitrarily influencing the boundary layer flow of the mentioned element in the sense of an appropriate change in the post-flow of the same.
Vorzugsweise kann gemäß der Erfindung die Außenfläche des genannten Elementes derart mit Sog bzw. mit Unterdruck beaufschlagt werden, daß hierdurch die Kanalströmung an der Hinterkante dieses Elementes "haftet".According to the invention, the outer surface of the said element can preferably be suctioned or with negative pressure be acted upon so that the channel flow "adheres" to the rear edge of this element.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es stellen dar:An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below. They represent:
Fig. 1 eine schematische Stirnansicht einesFig. 1 is a schematic end view of a
Nachbrennerkanales, in welchem eine erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung untergebracht ist, die Brennstoffeinspritz- und Plammenhaltungseinrichtungen aufweist,Afterburner channel in which a combustion device according to the invention is housed, the fuel injection and plam-holding devices having,
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Pig. 2 einen sohematisehen achsparallelPig. 2 a thematic view parallel to the axis
zum Nachbrennerkanal verlaufenden Schnitt durch eine Hohlstrebe der ■ erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung längs der Ebene II-II in Pig.l und dieto the afterburner channel running section through a hollow strut of the ■ Combustion device according to the invention along the plane II-II in Pig.l and the
Pig. 3a undPig. 3a and
J5b schematische Schnitte durch eine an Λ J5b schematic sections through an at Λ
der in Pig. 2 dargestellten Strebe befestigte Flammenhaltungseihrichtung nach der Erfindung längs der in dieser Pig. 2 angegebenen Ebene III-III, aus welchen die Strömungsverhältnisse während verschiedener Betriebszustände ersichtlich sind.the one in Pig. 2 strut shown attached flame-holding direction according to the invention along the line in this Pig. 2 indicated level III-III which the flow conditions can be seen during different operating states.
Die Pig. 1 und 2 der Zeichnung zeigen einen in einem durch ein zylindrisches Gehäuse 2 gebildeten Nachbrennerkanal, angeordneten "Dreibein", welcher drei im Querschnitt elliptische Hohlspeichen 1 aufweist, die sich von der Kanalachse aus mit gleichem Umfangsabstand radial nach außen erstrecken. Dieser Dreibein trägt drei konzentrisch zueinander angeordnete ringförmige Brenneranordnungen, von welchen jede ein Brennstoff einspritzrohr J5 und eineThe Pig. 1 and 2 of the drawing show one in one formed by a cylindrical housing 2 afterburner channel, arranged "tripod", which three in cross section has elliptical hollow spokes 1, which extend radially outwards from the channel axis with the same circumferential spacing extend. This tripod carries three concentrically arranged annular burner assemblies from which each have a fuel injection pipe J5 and a
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Plammenhaltungseinrichtung 4 aufweist. Das Brennstoffeinspritzrohr ~$ jeder Anordnung ist j.eweils in drei Abschnitte unterteilt, welche 'sich mit Bezug auf die KanalStrömungsrichtung jeweils zwischen den Vorderkanten aufeinanderfolgender Hohlstreben in Umfangsrichtung erstrecken. Die Kanalströmungsrichtung entspricht den in Pig. 2 der Zeichnung angegebenen Pfeilen. Innerhalb der Hohlstreben 1 befinden sich Brennstoffzufurhleitungen 5, welche längs der Vorderkanten der Hohlstreben verlaufen und an die Brennstoffeinspritzrohre j5 angeschlossen sind, welch letztere zwecks Einsprühen von Brennstoff in den Nachbrennerkanal an.ihren stromab gelegenen Seiten jeweils mit Durchtrittsöffnungen versehen sind. Die Bnlammenhaltungseinrichtungen 4 sind in gleicher Weise jeweils in drei Abschnitte unterteilt, die in gleicher radialer Ausrichtung wie die Brennstoffeinspritzrohre j5 ■ mit jeweils Bezug auf die Kanalströmung zwischen den Hohlstrebenhinterkanten in Umfangsrichtung verlaufen. Die Plammenhaltungseinrichtungen, welche jeweils die in den Fig. 3a und yo dargestellte Form haben können, weisen im Querschnitt im wesentlichen^kreisrunde Rohre auf, die im Sinne einer Bildung strömungsgünstiger Hinterkanten mit Bezug auf die Kanalströmung stromab spitzkantig verlaufend sind, so daß das Rohrquerschnittsprofil einem Tropfenprofil ähnelt. Das Innere der Plammenhaltungseinrichtungen 4 ist überHas memory device 4. The fuel injection pipe ~ $ each arrangement is divided into three sections, which extend with respect to the channel flow direction between the front edges of successive hollow struts in the circumferential direction. The channel flow direction corresponds to that in Pig. 2 of the drawing indicated arrows. Inside the hollow struts 1 there are fuel supply lines 5, which run along the front edges of the hollow struts and are connected to the fuel injection pipes j5, the latter being provided with passage openings on their downstream sides for the purpose of spraying fuel into the afterburner duct. The B n lamb entertainment facilities 4 are each divided in the same way into three sections which extend in the same radial orientation as the fuel injection pipes j5 ■ each with respect to the duct flow between the hollow strut trailing edge in the circumferential direction. The plasma holding devices, which can each have the shape shown in FIGS. 3a and yo , have essentially circular tubes in cross section which, in the sense of forming rearward edges that are favorable to the flow, are pointed downstream with respect to the channel flow, so that the tube cross-sectional profile is a Droplet profile resembles. The interior of the plasma holding devices 4 is over
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geeignete, in der Zeichnung nicht dargestellte öffnungen mit dem Inneren.der Hohlstreben 1 verbunden und die mit Bezug auf die Kanalachse radial inneren und radial äußeren■ Wandungsbereiche der Plammenhaltungseinrichtungen sind mit einer Vielzahl von voneinander getrennten Durchtrittsöffnungen 6 versehen.suitable openings not shown in the drawing connected to the interior of the hollow struts 1 and the radially inner and radially outer with respect to the channel axis Wall areas of the plasma holding devices are provided with a multiplicity of through openings that are separated from one another 6 provided.
Eine längs des Strömungs- bzw. Nachbrennerkanales 2 verlaufende Gas- bzw. Luftströmung löst sich normalerweise d derart von den Außenflächen der Plammenhaltungseinrichtungen ab, daß sich in den Nachströmen dieser Flammenhaltungseinrichtungen in der in Pig.^a dargestellten Weise stabile Rucks tr ömungs zonen bilden. Von den Brenr\stoffeinspritzrohren 3 abgegebener Brennstoff wird vom Luftstrom mitgerissen, noch bevor er die Flammenhaltungseinrichtungen erreicht hat, und, wenn dieses Brennstoffgemisch einmal gezündet wurde, erhält sich die sich ergebende Flamme in der genannten Ruckströmungszone von selbst aufrecht.A along the flow or Nachbrennerkanales 2 extending gas or air flow normally dissolves d so of the outer surfaces of Plammenhaltungseinrichtungen from that tr in the subsequent flow of the flame holding means in the embodiment shown in Pig. ^ A manner stable jerk ömungs zones form. Fuel discharged from the fuel injection tubes 3 is entrained in the air flow before it has even reached the flame holding devices and, once this fuel mixture has been ignited, the resulting flame is self-sustaining in the said backflow zone.
Wenn keine Nachverbrennung erforderlich ist, wird die Brennstoffzufuhr zu den Brennstoffeinspritzrohren J5 unterbrochen und das Innere der Streben 1 wird mit Sog bzw. mit Unterdruck beaufschlagt. Dieser Unterdruck wirkt überIf no afterburning is required, the Fuel supply to fuel injection pipes J5 interrupted and the interior of the struts 1 is subjected to suction or negative pressure. This negative pressure is overworked
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das hohle Innere der Flammenhaltungseinrichtungen 4- und über die öffnungen 6 auf die diese Flammenhaltungseinrichtungen umströmenden Grenzschichtströmungen ein. Hierdurch werden die Grenzschichtablösungsstellen der Flammenhaitungseinrichtungen 4 weiter stromabwärts verlegt und die Strömung "haftet" in der in Fig. J5b der Zeichnung dargestellten Weise an den Hinterkanten der Flammenhaltungseinrichtungen, so daß die sich ergebende Nachströmung der erfindungsgemäßen Einrichtung im wesentlichen laminar ist und sich folglich eine Herabsetzung des Strömungswiderstandes ergibt. Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines im Querschnitt kreisrunden Zylinders, der mit einer als Hinterkante dienenden geraden Klappe versehen ist, welche so lang wie ein Viertel des Zylinderdurchmessers ist, eine gleichmäßige Sog- bzw. Unterdruckbeaufschlagung rund um den Zylinderumfang herum einen Sog- bzw. einen Unterdruckkoeffizienten von C0 = -— erfordert, wenn man den durch die Nachströmung hervorgerufenen Widerstand auf den Wert Null herabsetzen möchte und eine bei Nachverbrennungssystemen übliche Reynoldssche Zahl (ße) zugrundelegt. Bei einer Reynoldsschen Zahl von ICK ist der erforderliche Saug- bzw. Unterdruckkoeffizient etwa 0,05.the hollow interior of the flame holding devices 4 and, via the openings 6, onto the boundary layer currents flowing around these flame holding devices. As a result, the boundary layer separation points of the flame holding devices 4 are relocated further downstream and the flow "adheres" to the trailing edges of the flame holding devices in the manner shown in FIG the flow resistance results. It has been shown that when using a cylinder with a circular cross-section, which is provided with a straight flap serving as a rear edge and which is as long as a quarter of the cylinder diameter, a uniform suction or negative pressure around the cylinder circumference a suction or a negative pressure coefficient of C 0 = -— is required if one wishes to reduce the resistance caused by the post-flow to the value zero and based on a Reynolds number (ε) common in post-combustion systems. With a Reynolds number of ICK, the required suction or negative pressure coefficient is approximately 0.05.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird der Sog- bzw. Unterdruck aus praktischenIn the embodiment described above the invention, the suction or negative pressure from practical
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Gründen über in Reihen angeordnete öffnungen zur Wirkung gebracht, obwohl eine derartige Anordnung vernachlässigbar weniger wirkungsvoll ist. Dafür sind jedoch die Hinterkanten der Flammenhaltungseinrichtungen derart geformt, daß sich, hierdurch eine Verringerung der bei nicht eingeschalteter Nachverbrennung erforderlichen Sog- bzw. Unterdruckstärke ergibt und es wird angenommen, daß Werte von CQ bis zu 0,04 erreichbar sind.Reasons brought into effect via openings arranged in rows, although such an arrangement is negligibly less effective. For this, however, the rear edges of the flame holding devices are shaped in such a way that this results in a reduction in the suction or vacuum strength required when the afterburning is not switched on, and it is assumed that values of C Q up to 0.04 can be achieved.
Durch Multiplikation des Saug- bzw. Unterdruckkoeffizienten mit einem der Querschnittsverengung des Nachbrenne r kanal es durch die Flammenhaltungseinrichtungen entsprechenden Wert erhält man den Gasanteil, der von der Gesamtströmung des Nachbrennerkanales über die Wandungen . . der Flammenhaltungseinrichtungen abgezogen wird. Eine Querschnittsyerringerung des Nachbrennerkanales von 25 % hat beispielsweise eine abgezweigte Strömungsmenge von etwa 1 % zur Folge.. Der Einfluß dieser abgezweigten Nebenströmung auf | die Triebwerksleistung ist vom Schub abhängig, welcher aus. dieser Nebenströmung wiedergewonnen ..werden kann, wobei dieser.( Schub wiederum von den Druckverlust<?n im Saug- bzw. Unter-drucksystem abhängig ist. Der Saug-; bzw. Nebenstrom. :karm. ..By multiplying the suction or negative pressure coefficient by a value corresponding to the cross-sectional constriction of the afterburner r channel it through the flame-holding devices, one obtains the proportion of gas that is derived from the total flow of the afterburner channel over the walls. . the flame-holding devices is withdrawn. A cross-section reduction of the afterburner channel of 25 % results in a branched flow rate of about 1 %. The influence of this branched secondary flow on | the engine power depends on the thrust, which one from. this tributary ... can be recovered, with this. ? (Shear turn of the pressure loss <n in the suction or under-pressure system depends The suction; or bypass. Karm ....
aber vermutlich mit einer der Flugzeuggeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit nach.rückwärts ausgestoßen werden, so daß eine abgezapft.e Nebenströmungsmerige>■ νοψ.1, X.einen,but presumably be ejected backwards at a speed corresponding to the aircraft speed, so that a tapped secondary flow merige> ■ νοψ.1, X.einen,
resultierenden Gesamtschubverlust von ebenfalls nur 1.^/.-'· .■*'■·-.-zur Folge hat. Der entsprechende Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauches ist von der Art des Luftfahrzeuges *. und den betreffenden Flugbedingungen abhängig und -liegt .·;-:-.-schätzungsweise bei etwa 1,3 %,- während dieser Anstieg -' : des Brennstoffverbrauches .bei NachbrennersystenTen, welche ■ " in bekannter Weise V-färmige Rinnen aufwei'sen,'-aufgrund , : vder sich hierdurch ergebenden größeren Druck Verluste bei- ■■""■■■-' etwa 3,50 % bis etwa 4,25 % liegt.resulting total loss of thrust of just 1. ^ / .- '· . ■ *' ■ · -.-. The corresponding increase in specific fuel consumption depends on the type of aircraft *. -liegt and the flight conditions relevant dependent and · -. -.- estimated at about 1.3% - during this rise - ': the fuel consumption .for NachbrennersystenTen, which aufwei'sen ■ "in a known manner V-grooves färmige , '- due to,: v the resulting greater pressure losses at- ■■ "" ■■■ -' is about 3.50 % to about 4.25 % .
Dem Fachmann ergeben sich selbstverständlich mehrere im Rahmen der Erfindung liegende Möglichkeiten zur Abwandlung dieser vorstehend mit Bezug auf ein Nachbrennersystem beschriebenen Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung. Eine dieser Abwandlungen kann darin bestehen, die Hinterkanten der Streben 1 so auszubilden, daß sie die Flammenausbreitungs- und Flammensteuerzonen bestimmen, wobei der Sog bzw. der Unterdruck wieder in gleicher V/eise über die Flammenhaltungseinrichtungen zur Wirkung gebracht und hierdurch der Strömungswiderstand herabgesetzt wird, wenn keine Nachverbrennung stattfindet, wie dies vorstehend beschrieben wurde.Of course, several will be apparent to the person skilled in the art Possibilities within the scope of the invention for modifying these described above with reference to an afterburner system Combustion device according to the invention. One of these variations can be the trailing edges to train the struts 1 so that they the flame propagation and determine flame control zones, the suction or the negative pressure again in the same manner over the flame holding devices brought into effect and thereby the flow resistance is reduced if no afterburning takes place, as described above.
Eine nochmals andere Möglichkeit besteht darin, die Brennstoffeinspritzrohre und die FlammenhaltungseinrichtungenYet another possibility is the fuel injection tubes and the flame holding devices
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jeweils als geradlinige Rohre auszubilden und diese parallel zueinander quer zum Nachbrennerkanal anzuordnen.in each case to be designed as straight tubes and to arrange these parallel to one another across the afterburner duct.
Plammenhaltungseinrichtungen der vorstehend beschriebenen Art sind nicht auf die Verwendung in Nachbrennern beschränkt, sondern sie können beispielsweise auch in Beipaßkanälen von Turbogebläsen Anwendung finden, bei welchen es erwünscht ist, durch gelegentliche Brennstoffverbrennver- brennung in diesen Beipaßkanälen zusätzlich Energie zu erzeugen. Plam-holding devices of the type described above are not restricted to use in afterburners, but can also be used, for example, in bypass ducts of turbo blowers, in which it is desirable to generate additional energy by occasional fuel combustion in these bypass ducts.
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