DE2350151A1

DE2350151A1 - Brennerkopf fuer fluessige brennstoffe

Info

Publication number: DE2350151A1
Application number: DE19732350151
Authority: DE
Inventors: Francesco Cianfrone; Renzo Medeot
Original assignee: OFR Officine Fratelli Riello SpA
Current assignee: OFR Officine Fratelli Riello SpA
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-05
Publication date: 1974-04-18
Also published as: CA983381A; ATA851973A; US3852022A; IT969367B; BE805321A; NL7313701A; ES196069U; ES196069Y; FR2202580A5; GB1449906A; DE2346960A1; AT336155B

Description

26 649 G/we' 4. Oktober 1973

Ö.P.R. OFFICIKE FRAl¹ELLI RIELLO S,p.A. LEGNAGO, Verona, Italien-

Brennerkopf für flüssige Brennstoffe

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf für flüssige Brennstoffe iciit einer in der Achse des Brennerkopfes liegenden Düse für den zu zerstäubenden Brennstoff und mit einer Ringdüse zur Ausstrahlung von Verbrennungsluft rund um den zerstäubten Brennstoffstraal. Derartige Brennerköpfe für flüssige Brennstoffe, wie Gasöl, finden in einem begrenzten Raum, wie einem Feuerkasten von üblicherweise länglicher zylindrischer Form, in Heizkesseln und dergleichen Anwendung. Unter einem Brennerkopf wird die gesamte Einheit verstanden, die die Verbrennung, üblicherweise in der Form einer länglichen Flamme, bewirkt •und aufrecht "erhält. Die Einheit schließt eine Düse ein, die

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mit einem unter überdruck stehenden flüssigen Brennstoff gespeist wird und den in kleine Tröpfchen aufgeteilten Brennstoff ausstrahlt. Außerdem enthält sie ein Kammersysterü, Kanäle und Ausgangsöffnungen, die in Verbindung mit einem Ventilator oder Gebläse unter bestimmten Mengen-, Druck- und Verteilungsbedingungen einen öder mehrere vernebelte Brennstoffstrahlen zur Ausströmung bringen und dadurch die Flamme erzeugen und aufrecht erhalten.

Die Brennerköpfe sollen eine möglichst vollständige Verbrennung (Oxydierung) des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoff garantieren und dafür sorgen, daß die Flamme als Wärmequelle mit größter Leistung stabil und wirksam bleibt. um diese Siele zu erreichen ist es von Wichtigkeit, daß axe Verbrennung bei einem Verhältnis von Brennstoff und Verbrennungsluft eintritt, bei welchem die in der von dem Gebläse zugeführten Verbrennungsluft enthaltene Sauerstoffraenge einen geeigneten, jedoch nicht übermäßigen Überschuß gegenüber der stöchiometrisch erforderlichen Menge aufweist, die für die vollständige Oxydierung des Kohlenstoffs erforderlich ist. Es ist weiterhin wichtig, daß sich der Verbrennungsprozeß zum größten Teil bei einem Brennstoff im gasförmigen Zustand vollzieht, und zwar unter vorhergehender Vergasung der von der Düse ausgestrahlten Tröpfchen. Weiterhin ist es sehr erwünscht, daß bei der Verbrennung kein Rauch entsteht, der auf das Vorhandensein unverbrannter Kohlenstoffteilchen hinweisen würde, und daß sich an der Feuerstelle selbst und/oder an den Teilen des Brennerkopfes keine kohlenstoffhaltigen Rückstände absetzen.

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Weiterhin soll die Flamme keine zu hohen Temperaturen aufweisen, um die Bildung lästiger Verbindungen, wie beispielsweise SO₃ und NO, zu begrenzen.

Ein charakteristisches Zeichen der regelmäßigen und wirtschaftlichen Funktionsweise des Brenners ist die Bildung einer bläulichen Flamme mit niedriger Leuchtkraft, die auf das Fehlen glühender Kohlenstoffpartikel und folglich auf eine vollständige Verbrennung hinweist. Es ist bekannt, daß eine Flamme dieser Art mehr oder weniger vollständig erhalten werden kann, wenn die Mischung von Brennstoff mit dem in der zugeführten Luft enthaltenem Sauerstoff in einer Inertgasströmung zweckmäßig verdünnt wird, die typischerweise durch die Verbrennungsprodukte gebildet worden ist. Die Beachtung dieser Bedingungen führt zu unterschiedlichen Anforderungen. Auch ist der Notwenigkeit Rechnung zu tragen, daß die Flamme stabil und gleichförmig ausfällt und der Brenner bei unterschiedlichen Betriebszuständen und bei verschiedenen Regulierungsbedingungen gleichmäßig funktioniert. Weiterhin muß der Brenner leicht und schnell in Betrieb gesetzt werden können und die Zündungs- und Anlaßvorgänge müssen mit Regelmäßigkeit gemeistert werden.

Die Vollständigkeit der Verbrennung hängt, insbesondere wenn der Luftüberschuß nur gering ist, von der Durchmischung des brennbaren Gemisches ab, die dafür sorgt, daß für jedes Brennstoffpartikelchen der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff zur Verfügung steht. Bisher ist daher davon ausgegangen worden, daß es wünschenswert jedoch nicht unumgänglich

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sei, in der Mischungszone einen Zustand heftiger Turbulenz hervorzurufen. Im allgemeinen versucht man, einen Kompromiß zwischen einer sofortigen Mischung und einer Verdünnung der Mischung einzugehen, um die gewünschte Flamme mit geringer Leuchtkraft zu erzielen. In den meisten Fällen führt' aber die Schaffung einer Flamme dieser Art unter anderem zu einer ünstetigkeit und zu anderen betrieblichen Nachteilen sowohl bei normalem Betrieb als auch in den übergangsstufen.

Aufgabe der Erfindung ist es,, einen Brenner mit einer bläulichen Flamme, niedriger Leuchtkraft und praktisch ohne Rußbildung zu schaffen. Weiterhin soll sich der Brenner einfacher auf die verschiedenen Verwendungszwecke und Betriebsbedingungen einstellen lassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Brennerkopf der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß dieser zwei gleichachsige Kammern enthält, von denen die eine die andere umgibt, daß eine der Kammern mit unter Druck stehender Luft in geringerer Menge als der stöchiometrischen Menge für die vollständige Verbrennung zwecks Bildung einer Primärströmung für die anfängliche Verbrennung gespeist und eine mindestens der stöchiometrischen Menge entsprechende Menge von Luft zur Bildung einer Sekundärluft der anderen Kammer zur Vervollständigung der Verbrennung zugeführt wird, daß die eine Kammer öffnungen und die andere Kammer ringförmige öffnungen, deren Achsen in der Achse des Bren- . nerkopfs liegen, aufweisen, daß die ringförmigen öffnungen für die Sekundärluftströmung Mittel zur Erzeugung eines konvergierenden, im wesentlichen laminaren Strahls enthalten der den inneren Verbrennungskegel der anfänglichen Ver-

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brennung mit Verbrennungsluftmangel umkreist und im äußeren Raum zur Vervollständigung der Verbrennung und Verdünnung des Gemisches eine kreisende Strömung .erzeugt.lh dem erfindungsgemäßen Brennerkopf erfolgt die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft unter stufenweisen Bedingungen in verschiedenen Zonen des die Brennzelle begrenzenden Raumes. Durch das erfindungsgemäße System von Kanälen und Ausströmöffnungen wiisdie Verbrennungsluft in zwei Strömungen unterteilt, von denen der für die anfängliche Verbrennung des flüssigen zerstäubten Brennstoffes bestimmte Teil als "Primärluft" bezeichnet wird. Die vollständige Verbrennung des in den gasförmigen Zustand überführten Brennstoffes und die Verdünnung der Verbrennungsprodukte im Innern der Brennstelle wird durch die zweite Luft besorgt O

Zweckmäßigerweise weist der Brennerkopf für die Strömungen getrennte Ausflußkanäle auf_? die in verschiedenen Richtungen verlaufen, so daß sich die Verbrennungsphasen vollständig außerhalb des Brennerkopfes abspielen und damit jede Bildung von kohlenstoffhaltigen Niederschlägen an den Wänden oder Teilen des Kopfes selbst praktisch ausgeschlossen ist. Durch dies© Ausbildung ist eine lange Lebensdauer des Brennerkopfes gewährleistet, wobei der Aufwand für Wartung und Reparaturen auf ein Minimum reduziert ist.

Der erfindungsgemäße Brennerkopf besteht aus zwei gleichachsigen Kammern, deren Achse mit der Düsenachse zusammenfällte Die Kammern weisen Kanäle-mit geeigneten Querschnitten auf, die die von äem Gebläse zugeführte Verbrennungsluft

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mengenmäßig aufteilt. Die Kammern weisen in der Nähe der Düsenöffnung eine einfache oder mehrere Ausströmöffnungen auf. Aus einer Kammer strömt die Primärluft aus. Es sind zweite Öffnungen oder Öffnungen in der äußeren Kammer vorgesehen, die wenigstens durch eine im wesentlichen stumpfkegelige Wandung begrenzt sind, die so orientiert ist, daß eine bandartig flache Strömung oder ein Kranz von Strömungen erzeugt wird, die in der Außenzone vor der Düse eine bandähnliche Barriere schaffen, die eine kegelige Höhlung umgibt, in welcher die Zündung und die anfängliche Verbrennung des zerstäubten Brennstoffes stattfindet. Die anfängliche Verbrennung wird durch die Überführung der unverbrannten Teilchen in dem gasförmigen Zustand und. die Zuführung von Sekundärluft vervollständigt. Außerhalb der kegeligen Höhlung entsteht eine Verdünnung des Gemisches durch die Zusetzung kreisender Strömungen gasförmiger Verbrennungsprodukte, die durch die Zuströmung der gasförmigen Bandstrahlen von sekundärer Verbrennungsluft, die über der stöchionietrischen Menge liegt, erzeugt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Brennerkopf längs der Düsenachse ,

Fig. 2 eine ausschnittweise Draufsicht auf den Brennerkopf in . vergrößertem Maßstab,

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Fig. 3 einen teilweisen Schnitt durch die Ausströmöffnung für die Primärluft längs der Linie ΙΪΙ-ΙΙΙ der Pig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines in einem im wesentlichen zylindrischen Feuerkasten angeordneten Brennerkopfes mit ungefährer Angabe der Zonen, in denen sich die Verbrennung unter Bildung einer bläulichen Flamme mit niedriger Leuchtkraft vollsieht.

ler in Fig. 1 dargestellte Brennerkopf ist auf ein nicht dargestelltes Gebläse mit einem Ent- oder Auslaufteil 1o aufgeschraubt. Das Gebläse hat eine Überschußförderleistung von etwa 3 bis 45 % gegenüber der stochiometrisehen Menge bei einem Druck von etwa 4o bis 5o nim WS. Die Teile des Brenner- ' kopfes sind im wesentlichen konzentrisch zur Achse 12 des Zerstäuberhalters angeordnet. Am Ende des Schaftes 12 ist die Zerstäuberdüse 14 angeordnet. Das andere Ende des Schaftes 12 weist ein Anschlußstück 16 zum Aufschrauben einer Zuführungsleitung für den flüssigen Brennstoff auf. Der Zer- ^stäuberhalter ist auf einem Tragstück 18 befestigt, das wiederum von einem durch die Viand 22 gehenden Bolzen 2o getragen wird. Die Bolzenstange ist mit einem Gewinde versehen, so daß. sich die axiale Stellung des Zerstäuberhalters zu den übrigen Teilen leicht einstellen läßt.

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Den Schaft 12 umgibt ein innerer im wesentlichen rohrförmiger Körper 24, der in seinem Innern eine Kammer 26 bildet, die an ihrer Vorderseite eine Blende 28 mit einer öffnung 3o für die Ausströmung der Primärluft aufweist, Die Einzelheiten dieser öffnung werden später beschrieben.

Der rohrförmige Körper 24 weist an seiner Vorderseite eine geglättete stumpfkegelige Oberfläche 32 auf, deren geometrischer Scheitelpunkt V mit der Düsenachse zusammenfällt, wobei der Kegelwinkel A vorzugsweise zwischen 65 und 75° liegt und die stumpfkegelige Oberfläche, deren kleinere Basis durch eine scharfe Kante begrenzt ist, die Loslösung einer gasförmigen Strömung, die diese Oberfläche mit großer Geschwindigkeit überstreicht, gewährleistet.

Der rohrförmige Körper 24 ist konzentrisch von einem zylindrischen äußeren Körper 36 unter Bildung* eines" ELngraumes umgeben. Der· äußere mantelförmige Körper 36 ist auf den Gebläseauslauf Io aufgeschraubt. Er begrenzt eine äußere Kammer 38, in der der volle Gebläsedruck wirksam ist.

Die innere Kammer 26 steht mit der äußeren Kammer 38 durch einen Kranz von Kanälen 4o in Verbindung. Der Öffnungsquerschnitt der Verbindung ist begrenzt und läßt sich beispielsweise durch einen auf dem hinteren mit einem Gewinde versehenen Teil des inneren Körpers 24 aufschraubbaren Gewindering 42 einstellen. Dieser Gewindering kann an die Kanalmündungen 4o mehr oder weniger angenähert werden. Durch diese Regulierung, die auch mit anderen Mitteln vorgenommen werden kann, läßt sich mit Genauigkeit aas Verhältnis der der inneren Kammer 26 zugespeisten Primärluft zu der zu dem vorderen Ende der Kammer 38 strömenden Sekundärluft festlegen.

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Das vordere Endteil des äußeren Körpers 36, der gegenüber dem inneren Körper 24 durch einen Kranz länglicher Flügel 44 zentriert wird, verjüngt sich zu dem stumpfkegeligen Teil 46 hin und endet unter Bildung einer ringförmigen öffnung für den Austritt der Sekundärluft im Bereich der stumpfkegeligen Fläche 32. Der Querschnitt dieses ringförmigen Durchgangs kann durch die axiale Verschiebung des inneren Körpers 24 relativ zum äußeren Körper 36 mit größter Genauigkeit eingestellt werden. Der ringförmige Durchgang kann auch durch Sektoren gebildet werden, ohne daß die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Beispielsweise könnte der ringförmige Ausgang durch Flügel oder radiale Rippen aufgeteilt' sein, um zwischen der Fläche 32 und dem Ringrand 48 eine gute Zentrierung zu erreichen. Die beschriebene Geometrie der den ringförmigen Ausgang bildenden Teile sorgt dafür, daß die in die Kammer 38 einströmende Luft den Kopf mit im wesentlichen laminarer Strömung verläßt, d„ ho, daß die Strömung die· Form einer kegeligen Lamelle annimmt, sich von der scharfen Kante 34 löst und zum Scheitel V⁴ des teilweise von der Fläche 32 gebildeten Kegels strömt.

Selbstverständlich enthält der Brennerkopf das weitere übliche Zubehör wie beispielsweise ein lichtempfindliches Organ 5o einer wärmetechnischen Kontrolle, Zündelektroden 52 usw.

Die Primärluftausströmöffnung 3o dient der prompten Mischung der Primärluft mit dem von der Düse 14 verstäubten Brennstoff und der Verteilung des Gemisches für die anfängliche Verbrennung in dem kegelförmigen

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Hohlraum mit dem Scheitel V unä der durch die Kante 34 gebildeten Basis. Die öffnung wird vorzugsweise von
einem verjüngten Teil 54 mit der Blende 28 gebildet,
äie eine axiale Bohrung 56 aufweist, von welcher eine
Mehrzahl von radialen und zweckmäßigerweise schrägen Nuten 58 ausgehen, die wenigstens einem Teil der Primärluftströmung einen wirbelartigen Fluß verleihen, der
sich im kegeligen Hohlraum erweitert.

Der Brenner läßt sich beispielsweise durch den Gewindering 42 einstellen, so daß das Verhältnis der Luftmengen der ringförmigen Sekundärluft und der axialen Primärluft vorzugsweise zwischen o,4 und 3,5 liegt. Die
Luft wird zweckmäßigerweise mit einem Druck zugeführt, daß die Äusstrahlgeschwindigkeit der Sekundärluft längs der stumpfkegeligen Fläche 32 zwischen 24 und 3o m/sek liegt. Diese Werte können je nach Leistungsvermögen und Abmessung des Kopfes, Koniziist der Fläche 32 und anderen Bedingungen variiert werden.

Der Durchgangsquerschnitt der Verbindung zwischen den
Kanuner 38 und 26 ist vorzugsweise geringer als die gesamte Querschnittsfläche der Ausströmöffnung 3o für die Primärluft. Auf diese Weise erhält die Primärluft eine wesentlich geringere Geschwindigkeit als die Sekundärluft, so daß sie die gerichtete laminare Strömung der Sekundärluft wenigstens im anfänglichen Teil des konvergenten
kegeligen Teils ihres Strömungsverlaufes nur wenig beeinträchtigt.

In der Fig. 4 sind der Brennerkopf T, der von dem Feuerkasten F begrenzte Raum S und die sich ergebenden Strömungen schematisch im Prinzip dargestellt. Die im wesentlichen

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iairtellenartige oder ringförmige" Strömung der Sekundärluft bestimmt eine innere Zone Z^, in welcher die Verbrennung unter Verbrennungsluftmangel beginnt. Dabei bildet sich eine kleine, durch die Anwesenheit glühender und unverbrannter oder nur teilweise verbrannter Partikel intensiv gefärbte Flamme, die eine Zone schafft, in der sich praktisch die Vergasung des unverbrannten Teils des flüssigen Brennstoffs vollzieht. Die mit L angegebene konvergierende lameIlenförmige Sekundärluftströmung erfüllt zahlreiche Funktionen. Mit ihrer inneren Grenzschicht übt sie auf das Primärluft-Brennstoffgemisch eine intensive Anziehung aus, indem sie diesem Sauerstoff bis zur Erreichung des stöchiometrischen Wertes zuführt. Mit ihrer äußeren Grenzschicht ruft sie im Inneren des Feuerkastens kreisende Strömungen C. hervor, die die Verdünnung des verbrennenden Gemisches mit den Produkten der Verbrennung selbst verursachen.

In der Praxis kann man feststellen, daß sich zwischen den kreisenden Strömungen C und der Sekundärluftlamelle L die Außenzone Z. mit einer bläulichen Flamme mit nie-

driger Leuchtkraft bildet. Diese Flamme breitet sich in Richtung D der Brennerachse aus bis zur völligen Erschöpfung des vollkommen vergasten und verdünnten Brennstoffes, ohne daß eine Rußbildung oder andere unliebsame Phänomene auftreten.

Diese Wirkungen werden erreicht, wenn der Raum S des Feuerkastens einen gewissen Mindestwert im Verhältnis zum Leistungsvermögen des Brenners aufweist. Als Mindestvolumen kann der in der Tabelle DIN 4787 hinsichtlich der

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maximalen Abmessungen der Probekarranern für Gasölbrenner genannte Wert gelten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./Brennerkopf für flüssige Brennstoffe mit einer in der Achse des Brennerkopfes liegenden Düse für den zu zerstäubenden Brennstoff und mit einer Ringdüse zur Ausstrahlung Von Verbrennungsluft rund um den zerstäubten Brennstoffstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zwei gleichachsige Kammern (26, 38) enthält, von denen die eine die andere umgibt;, daß ^x eine der Kammern (26) mit unter Druck stehender Luft in geringerer Menge als der stöchiometrischen Menge für die vollständige Verbrennung zwecks Bildung einer Primärströmung für die anfängliche Verbrennung gespeist und eine mindestens der stöchiometrischen Menge entsprechende Menge von Luft zur Bildung einer Sekundärluft der anderen Kammer (38) zur Vervollständigung der Verbrennung zugeführt wird, daß die eine Kammer (26) eine Öffnung oder Öffnungen (3o) und die andere Kammer (38) ringförmige Öffnungen, deren Achsen in der Achse des Brennerkopfes . (T) 'liegen, aufweisen, daß die ringförmigen Öffnungen für die Sekundärluftströmung Mittel (32, 48) zur Erzeugung eines konvergierenden, im wesentlichen laminaren, lamellenförmigen oder ringförmigen Strahls enthalten, der den inneren Verbrennungskegel (Z^ der anfänglichen Verbrennung mit Verbrennungsluftmangel

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umkreist und im äußeren Raum (Z ) zur Vervollständigung der Verbrennung und Verdünnung des Gemisches eine kreisende Strömung (C) erzeugt.

2. Brennerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der äußeren Kammer (38) einen Durchgang aufweist, der zwischen einer stumpfkegeligen Fläche (32) mit dem Scheitelpunkt (V) in der Brennerachse und einem umgebenden Keil (46) mit gegen die Fläche (32) weisenden Rand (48) gebildet ist und dadurch die laminare Luftströmung erzwingt, die ihren Fluß in Gestalt einer Luftlamelle zum Scheitelpunkt (V) fortsetzt. ""

3. ijrennerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stumpfkegelige Fläche (32) an ihrer kleineren äußeren Basis in einer scharfen Kante (34) zum Trennen der Luftlamelle endet.

4. Brennerkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittssystem aus der äußeren Kammer (38) Leitmittel (32) enthält, durch die der lamellenförmige Strahl in einem Scheitelwinkel zwischen 65° und 75 endet.

5·. Brennerkopf. nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen im wesentlichen rohrförmigen Körper (24) besitzt, der die Düse (14) umgibt und eine äußere

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stumpfkegelige Fläche (32) aufweist, gegen die ein Teil (46) des äußeren rohrförirdgen Körpers (36) nach innen konvergiert, der mit einem scharfkantigen Rand (48) abschließt.

6. Brennerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Körper (24, 36) derart gelagert sind, daß sie eine Veränderung ihrer axialen Stellung zur Regulierung des zwischen der Fläche (32) und dem Rand (48) gebildeten ringförmigen Zwischenr aums ge s tatten.

7. Brennerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (38) des äußeren Körpers (36) einen offenen Zugang zur Zuströmung aus einem Gebläse (1£) zwecks Speisung ndt Verbrennungsluft aufweist und mit dem Innenraum (26) des inneren Körpers (24) durch die Zugänge (4o) verbunden ist, wobei die Querschnitte dieser Durchgänge so ausgelegt sind, daß sie die den beiden Austrittsöffnungen der inneren und äußeren Kammer zugeführte Luft teilen.

8. Brennerkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (42) zur Regulierung der purchgangsquerschnitte von der äußeren Kammer (38) zur inneren Kammer (26) besitzt.

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9. Brennerkopf nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Austritts sy stern (3o) der inneren Kaironer (26) in Richtung zur Düse (14) eine zentrale Bohrung (56) und im wesentlichen senkrecht zur Achse der Düse schrägliegende radiale Schlitze (58) aufweist, die der von diesem System ausströmenden Luft wenigstens teilweise einen wirbelnden Fluß verleihen, der die Ausbreitung des Gemisches mit dieser Luft und dem zerstäubten Brennstoff innerhalb des von denn von der äußeren Kammer ausströmenden lamellenartig konvergierenden Strahl umgebenen Raums fördert.

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