DE3238684A1

DE3238684A1 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE3238684A1
Application number: DE19823238684
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 4000 Düsseldorf Krockow; Helmut Dipl.-Math. 4330 Mülheim Maghon
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1982-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1984-04-19
Also published as: JPH0223771B2; DE3360470D1; EP0109523A1; US4827724A; EP0109523B1; JPS5989928A

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr VPA 82 P 6266 DE

Gasturbinenbrennkammer

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Gasturbinenbrennkammer ist aus der DE-PS

ΊΟ 24 1-7 Ή7 bekannt. Die Primärbrennkammern sind bei dieser bekannten Gasturbinenbrennkammer so bemessen, daß die Verbrennung in ihnen nicht beendet wird. Die Flammen schlagen also aus den Primärbrennkammern in die als Sekundärbrennkammer ausgebildete gemeinsame Kammer hinein, in weleher unter Vermischung der Primärflammen eine gemeinsame Sekundärflamme entsteht. Die Anordnung der einzelnen Primärbrennkammern auf einem kalottenförmigen Abschluß der Sekundärbrennkammer soll durch intensive Vermischung der Primärflammen zu einer möglichst kompakten Sekundärflamme führen, welche auch ohne separate Zündeinrichtungen ein sicheres Zünden beim Zuschalten von Primärbrennkammern gewährleistet. Damit in der Sekundärbrennkammer ein vollständiger Ausbrand stattfinden kann, sind in deren Mantel Löcher vorgesehen, durch welche zusätzliche Verbrennungsluft zu der gemeinsamen Sekundärflamme gelangt.

Die bekannte Gasturbinenbrennkammer hat den Vorteil, daß die Aufteilung des Verbrennungsprozesses auf viele kleine Primärbrennkammern die Verweilzeit der Verbrennungsluft in der Hochtemperaturzone der Flamme verkürzt, was zu einer Verringerung der NO -Bildung führt. Außerdem können durch das Zu- und Abschalten einzelner Primärbrennkammern auch bei Laständerungen günstige Mischungsverhältnisse von Brennstoff und Verbrennungsluft eingehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinen-

24. Sept. 1982 - KIk 2 Fl

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VPA 8? P 6266 DE brennkammer mit einer Vielzahl von Primärbrennkammern zu schaffen, in welcher die NO -Bildung noch weiter verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Nachverbrennung in dem großen Volumen einer Sekundärbrennkammer durch die zusätzliche Verweilzeit auch eine zusätzliche NO -Bildung stattfindet und daß andererseits bei einer großen Anzahl von Primärbrennkammern mit einem im Hinblick auf eine geringe NO -Bildung engen Arbeitsbereich eine besondere intensive Vermischung der aus den jeweils zugeschalteten Primärbrennkammern austretenden Heißgas-Strahlen mit den aus den jeweils abgeschalteten Primärbrennkammern austretenden Kaltluft-Strahlen erforderlich ist. Dementsprechend wird die gemeinsame Kammer , in welche die Primärbrennkammern einmünden, als reine Mischkammer ausgelegt, für welche so weitgehend wie möglich die Form einer Kugel realisiert wird. Die vollständige Verbrennung findet also bereits in den jeweils zugeschalteten Primärbrennkammern statt, so daß in der Mischkammer eine Nachverbrennung mit zusätzlicher NO -Bildung unterbunden wird. Durch die Kugelform der Mischkammer ist bei radial ausgerichteten Primärbrennkammern eine optimale Vermischung gewährleistet, wobei den auf der der Austrittsoffnung zugewandten Kugelzone angeordneten Primärbrennkammern durch ihre in bezug auf die Haupt-Heißgasströmung rückwärts geneigte Ausrichtung eine besondere Bedeutung zukommt. Ein weiterer Vorteil der Kugelform ist, daß die Oberfläche einer Kugel Platz für die Unterbringung einer sehr großen Anzahl von Primärbrennkammern bietet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn sämtliche Primärbrennkammern auf Breitenkreisen der Kugel angeordnet sind. Die Primärbrennkammern benachbar-

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ter Breitenkreise können dann versetzt zueinander angeordnet werden, wodurch eine besonders raumsparende Unterbringung gewährleistet ist.

Sehließt an die Austrittsöffnung der Mischkammer'ein zylindrischer Übergangsabschnitt an, so kann die Verbindung zur Gasturbine als Durchdringung von Kugel und Zylinder konstruktiv besonders einfach ausgeführt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Brenner der Primärbrennkammern in Stutzen des äußeren Brennkammermantels eintauchen. Die Montage der Brenner kann dann durch diese Stutzen erfolgen. Ist der Innendurchmesser der Stutzen größer, als der Außen-

T5 durchmesser der Primärbrennkammern, so kann auch die Montage der gesamten Primärbrennkammer durch die Stutzen hindurch vorgenommen werden.

Es ist auch vorteilhaft, wenn in dem kugelförmigen Brennkammermantel ein zentrales Mannloch vorgesehen ist, welchem eine verschließbare Öffnung der Mischkammer zugeordnet ist. Die Mischkammer ist dann über das Mannloch und die zugeordnete Öffnung begehbar, wodurch insbesondere eine Inspektion der feuerfesten Auskleidung von Primärbrennkammern und Mischkammer erleichtert wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Primärbrennkammern mit Vormiscb.breimern ausgerüstet. Derartige Vormischbrenner ermöglichen einen besonders schadstoffarmen Betrieb. Andererseits kann der im Vergleich zu Diffusionsbrennern geringe Arbeitsbereich der Vormischbrenner durch die besonderen Voraussetzungen der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer ohne Problem eingehalten werden. Durch am Ende der Vormischbrenner angeordnete Flammenhalter kann eine unerwünschte Rückzündung des Gemisches verhindert und ein flammenstabilisierendes Rezirkulationsgebiet erzeugt werden.

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Es ist auch zweckmäßig, wenn jeder Primärbrennkammer eine separate Zündeinrichtung zugeordnet ist und somit "beim Zuschalten der Primärbrennkammern eine einwandfreie Zündung gewährleistet ist.

Bei einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in dem hinter der Verbrennungszone und vor der Einmündung in die Mischkammer liegenden Bereich der Primärbrennkammern öffnungen für den Zutritt von Abschreckluft vorgesehen. Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch nach einer vollständigen Verbrennung in den Primärbrennkammern in der Mischkammer eine gewisse mit einer NO -Bildung verbundene Nachreaktion auftreten kann. Durch die Zufuhr der Abschreckluft werden derartige Nachreaktionen jedoch noch vor dem Eintritt der Reaktionspartner in die Mischkammer eingefroren. Dieser Effekt kann dadurch noch verstärkt werden, daß die gesamte Misehluft ausschließlich über die Brenner mit abgeschalteter Brennstoffzufuhr und in Form von Abschreckluft über die öffnungen der Primärbrennkammern in die Mischkammer einleitbar ist. Mit Ausnahme der bei Teillastbetrieb durch die abgeschalteten Primärbrennkammern strömenden Misehluft wird also die gesamte Misehluft als Abschreckluft eingesetzt.

Im Hinblick auf einen schadstoffarmen Verbrennungsprozeß ist es auch günstig, wenn die gesamte Verbrennungsluft ausschließlich über die Brenner mit zugeschalteter Brennstoff zufuhr zuführbar ist. In den Primärbrennkammern sind dann außer den öffnungen für den Zutritt von Abschreckluft keine weiteren öffnungen für die Zufuhr von Verbrennungsluft oder Misehluft vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

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Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Vielzahl von Primärbrennkammern und einex* kugelförmigen Mischkammer,

Fig. 2 die stirnseitige Ansicht einer Gasturbine mit zwei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbinenbrennkammern und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Primärbrennkammer der in Fig. 1 dargestellten Gasturbinenbrennkammer.

Gemäß Fig. 1 besitzt die Gasturbinenbrennkammer eine Mischkammer 1 , welche die Form einer durch die strichpunktierte Linie K angedeuteten Kugel aufweist und an deren Austrittsöffnung 10 sich ein die Verbindung zur Gasturbine herstellender zylindrischer Übergangsabschnitt anschließt. Die Austrittsöffnung 10 der Mischkammer 1 ist also durch eine Durchdringung der Kugel K und des Zylinders des Übergangsabschnittes 11 gebildet, wobei der Durchmesser des Übergangsabschnittes 11 geringer ist als der Durchmesser der Kugel K und wobei die Längsachse des Übergangsabschnittes 11 durch den Mittelpunkt der Kugel K geht. Dementsprechend setzt sich der Mantel der Mischkammer 1 aus einer als Abschluß anzusehenden Halbkugel HK und einer zwischen der Halbkugel HK und der Austrittsöffnung 10 liegenden Kugelzone KZ zusammen.

Auf Breitenkreisen der Kugel K ist eine Vielzahl von in die Mischkammer 1 einmündenden Primärbrennkammern 2 angeordnet, deren Längsachsen sich im Mittelpunkt der Kugel K treffen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einem ersten Breitenkreis der Halbkugel HK fünf Primärbrennkammern 2, auf einem zweiten Breitenkreis der Halbkugel HK zehn Primärbrennkammern 2, auf dem Äquator bzw. Großkreis der Kugel K zehn Primärbrennkammern 2 und auf einem Breitenkreis der Kugelzone KZ ebenfalls zehn Primärbrennkammern 2 angeordnet. Die Primärbrennkammern

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benachbarter Breitenkreise sind dabei jeweils versetzt zueinander angeordnet.

Jede der Primärbrennkammern 2 ist mit einem Vormischbrenner 3 ausgerüstet, wobei jeder dieser Vormischbrenner 3 in einen zugeordneten Stutzen 40 des äußeren Brennkammermantels 4 eintaucht. Dabei sind durch stirnseitige Abschlußdeckel 400 der einzelnen Stutzen 40 jeweils die Brennstoffzuführungen 30 der zugehörigen Vormischbrenner 3 hindurchgeführt. Außerdem sind die Stutzen 40 derart bemessen, daß durch sie die Montage der Primärbrennkaramern 2 und der Vormischbrenner 3 vorgenommen werden kann.

Der äußere Brennkammermantel 4 besitzt die Form einer das Mischgehäuse 1 mit Abstand umschließenden Kugel, an welche sich zum Gasturbinenanschluß hin ein kegelstumpfförmiger Übergangsabschnitt 41 und ein kurzer zylindrischer Abschnitt 42 mit Anschlußflansch 43 anschließt. Auf der dem Anschlußflansch 43 gegenüberliegenden Seite des Brennkammermantels 4 ist ein zentrales Mannloch 44 vorgesehen, welchem eine' verschließbare Öffnung der Mischkammer 1 zugeordnet ist. Der Deckel 12 dieser verschließbaren Öffnung ist in der Zeichnung als abgeflachter Bereich der Kugel K zu erkennen. Bei abgenommenem Deckel 440 des Mannloches 44 und bei abgenommenem Deckel 12 der Mischkammer 1 ist also die Mischkammer 1 begehbar. Hierdurch wird insbesondere eine Inspektion der feuerfesten Auskleidung der Mischkammer 1 und der einzelnen Primärbrennkammern 2 erleichtert.

Die Zufuhr der durch Pfeile V angedeuteten Verdichterluft erfolgt über den zwischen dem zylindrischen Übergangsabschnitt 11 der Mischkammer 1 und dem zylindrischen Abschnitt 42 des Brennkammermäntels·2 gebildeten Ringraum.

Die Verdichterluft V gelangt dann in den zwischen der Mischkammer 1 und dem kugelförmigen Bereich des Brennkammermantels 4 liegenden Zwischenraum und teilt sich dort*

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in durch Pfeile B angedeutete Brennerluft und durch Pfeile A angedeutete Abschreckluft auf. Die Brennerluft B gelangt bei den Vormischbrennem 3 mit zugeschalteter Brennstoffzuführung 30 als Verbrennungsluft in die Vormischbrenner 3 und die Primärbrennkammern 2 und bei den Vormischbrennem 3 mit abgeschalteter Brennstoffzuführung 30 durch die Vormischbrenner 3 und die Primärbrennkammern 2 hindurch als Mischluft in die Mischkammer 1. Die Absehreckluft A gelangt über im Endbereich der Primärbrenn-

"IQ kammern 2 angeordnete öffnungen 20 in die Primärbrennkammern 2 und gleich anschließend in die Mischkammer 1. In der Mischkammer 1 erfolgt eine intensive Vermischung der aus den jeweils zugeschalteten Primärbrennkammern 2 austretenden Heißgas-Strahlen mit den aus den jeweils abgeschalteten Primärbrennkammern austretenden Kaltluft-Strahlen. Die auf Turbineneintrittstemperatur abgekühlte Heißgasströmung verläßt dann die Mischkammer 1 durch deren Austrittsöffnung 10 und strömt - wie es durch die Pfeile H angedeutet ist - durch den Übergangsabschnitt 11 zum Irmengehäuse der Gasturbine. Bei Vollastbetrieb werden in der Mischkammer 1 nur die Heißgas-Strahlen, welche die als Abschreckluft A zugeführte Mischluft bereits mit sich führen, miteinander vermischt. Bei Teillastbetrieb werden in diese Vermischung dann auch die über die abgeschalteten Primärbrennkammern 2 zugeführten Kaltluft-Strahlen einbezogen. Die Vermischung wird dabei durch die Kugelform der Mischkammer 1 und durch radiale Ausrichtung der Heißgas-Strahlen und der bei Teillastbetrieb vorhandenen Kaltluft-Strahlen besonders intensiv.

Insbesondere wird diese intensive Vermischung durch die auf der Kugelzone KZ der Mischkammer 1 angeordneten Primärbrennkammern 2 optimiert, da deren Längsachsen in bezug auf die Hauptrichtung der Heißgasströmung H rückwärts geneigt sind.

Fig. 2 zeigt die Anordnung von zwei gemäß Fig. 1 ausgebildeten Gasturbinenbrennkammern auf den gegenüberliegen-

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den Seiten einer insgesamt mit GT bezeichneten Gasturbine. Bei der in der Zeichnung links dargestellten Gasturbinenbrennkammer ist die räumliche Anordnung der Stutzen 40 und des Mannloches 44 auf dem kugelförmigen 5. Brennkammermantel 4 zu erkennen. Bei der in der Zeichnung rechte dargestellten Gasturbinenbrennkammer wurden die Stutzen 40 weggelassen, um auf diese Weise deren Anordnung auf insgesamt vier Breitenkreisen BK des kugelförmigen Brennkammermantels ^l\ zu verdeutlichen. 10

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Primärbrennkammer 2 und den zugehörigen Vormischbrenner 3· Die Pri-/-■>■.

märbrennkammer 2, die auch als Flammrohr bezeichnet werden könnte, besteht aus einem zylindrischen Flammrohrmantel 21, an dessen einem Ende ein stirnseitiger Abschlußdeckel 22 angeordnet ist und an dessen anderem Ende ein Anschlußflansch 23 angeordnet ist. Der stirnseitige Abschlußdeckel 22 besitzt eine zentrische öffnung, über welche der Vormischbrenner 3 in die mit einer feuerfesten Auskleidung 24 versehene Primärbrennkammer 2 einmündet. Der Abschlußdeckel 22 besitzt eine weitere, mehr zum äußeren Rand hin angeordnete öffnung, über welche ein Zündbrenner 25 durch die feuerfeste Auskleidung 24 hindurch in die Primärbrennkammer 2 einmündet. An dem oberen Abschlußflansch 250 des Zündbrenners 25 sind eine Zündelektrode 251, eine Luftzufuhr 252 und eine Gaszufuhr 253 zuerkennen .

Die öffnungen 20 für den Zutritt der Abschreckluft^;A sind radial ausgerichtet und gehen durch den Flammrohrmantel 21 und die feuerfeste Auskleidung 24 hindurch. Die Öffnungen 20 befinden sich dabei im Endbereich der Primärbrennkammer 2, welche über den Anschlußflansch 23 auf der in Fig. 1 dargestellten Mischkammer 1 befestigt wird. ;■" Der Vormischbrenner 3 besteht aus einem im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brennergehäuse 3I ·, welches an

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einem stirnseitigen Ende einen Drallkörper 32 und eine Brennstoffdüse 33 und am anderen stirnseitigen Ende einen Flammenhalter 34 trägt. In der zwischen dem Drallkörper 32 und dem Flammenhalter 3^ gebildeten Vomischkammer 35 wird der über die Brennstoffzuführung 30 zugeführte und in der Brennstoffdüse 33 zerstäubte flüssige Brennstoff verdampft und mit der Brennerluft B vermischt. Damit diese Vermischung möglichst intensiv ist, wird die Brennerluft B beim Durchströmen des Drallkörpers 32 verwirbelt.

Das aus der zugeführten Brennerluft B und dem verdampften Brennstoff bestehende homogene Gemisch wird erst in der Primärbrennkammer 2 durch den Zündbrenner 25 gezündet, wobei der Flammenhalter 34 zur Stabilisierung der Flamme dient, aber trotzdem ein Rückschlagen der Flamme in die

^5 Vormischkammer 35 verhindert. Zur Befestigung des Vormischbrenners 3 ist ein Flansch 36 vorgesehen, welcher auf dem Abschlußdeckel 22 der Primärbrennkammer 2 wärmeelastisch festgelegt ist.

Bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen wird ebenfalls innerhalb der Vormischkammer 35 ein homogenes Gemisch mit der Brennerluft B gebildet, wobei die Vorverdampfung dann natürlich entfällt. Anstelle des Zündbrenners 25 kann für die Zündung des Gemisches in der Primärbrennkammer 2 auch ggf. ein elektrischer Zünder verwendet werden.

Die Verbrennung des im Vo rmischbr eimer 3 erzeugten Gemisches wird innerhalb der Primärbrennkammer 2 noch vor den Öffnungen 20 für den Zutritt der Abschreckluft A vollständig abgeschlossen, wobei durch die äußerst kurze Verweilzeit der Brennerluft B in der Flammenzone nur äußerst geringe Mengen an NO gebildet werden. Die Unmittelbar nach der Verbrennungszone zugeführte Abschreckluft A kühlt die Heißgase ab und verhindert durch ein

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VPA 82 P 6266 DE ungsreaktionen e Anstieg der Stickoxide.

Einfrieren der NO -Bildungsreaktionen einen weiteren

13 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

( 1 .^Gasturbinenbrennkammer mit

- einer Vielzahl von Primärbrennkammern (2), welche in eine gemeinsame Kammer einmünden,

- einer eigenen Luftzufuhr jeder Primärbrennkammer (2),

- einer eigenen, lastabhängig zu- und abschaltbaren

Brennstoffzufuhr (30) ,jeder Primärbrennkammer (2) und mit

- einem kalottenformigen Abschluß (HK) der gemeinsamen Kammer, auf welchem die Primärbrennkammern (2) derart angeordnet sind, daß ihre Längsachsen sich zumindest annähernd in einem Punkt innerhalb der gemeinsamen Kammer treffen,

ge kennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die gemeinsame Kammer ist als reine Mischkammer (1) ausgebildet,

- die Wischkammer (1) besitzt die Form einer bis auf die Einmündungsstellen der Primärbrennkammern (2) und bis auf eine Austrittsöffnung (10) allseitig geschlossenen Kugel (K),

- die Mischkammer (1) ist im Bereich der zwischen dem halbkugelförmigen Abschluß (HK) und der Austrittsöffnung (10) liegenden Kugelzone (KZ) mit weiteren Primärbrennkammern (2) bestückt, deren Längsachsen sich mit den Längsachsen der übrigen Primärbrennkammern (2) zumindest annähernd im Mittelpunkt der Kugel (K) treffen.

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2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Primärbrennkammern (2) auf Breitenkreisen der Kugel (K) angeordnet sind.
3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichn 'et, daß die Primärbrennkammern (2) benachbarter Breitenkreise versetzt zueinander angeordnet sind.
4* Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Austrittsöffnung (10) der- Mischkammer (1) ein zylindrischer Übergangsabschnitt (11) anschließt.
5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner der Primärbrennkammern (2) in Stutzen (40) des äußeren Brennkammermantels (4) eintauchen. -
6. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 5, dadurch g ek enn ζ e i chn e t, daß der Innendurchmesser der Stutzen (40) größer ist, als der Außendurchmesser der Primärbrennkammern (2).
7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem kugelförmigen Brennkammermantel (4) ein zentrales Mannloch (44) vorgesehen ist, welchem eine verschließbare öffnung der Mischkammer (1) zugeordnet ist.
8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammern (2) mit Vormischbrennern (3) ausgerüstet sind.

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9- Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am End,e der Vormischbrenner (3) Flarnmenhalter (3^y+) angeordnet sind.
10. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß jeder Primärbrennkainmer (2) eine separate Zündeinrichtung zugeordnet ist.
11. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem hinter der Verbrennungszone und vor der Einmündung in die Mischkammer (1) liegenden Bereich der Primärbrennkammern (2) öffnungen (20) für den Zutritt von Abschreckluft (A) vorgesehen sind.
12. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 11, d a du r c h gekennzeichnet, daß die gesamte Mischluft ausschließlich über die Brenner mit abgeschalteter Brennstoffzufuhr (30) und in Form von Abschreckluft (A) über die öffnungen (20) der Primärbrennkammern (2) in die Mischkammer (1) einleitbar ist. '
13. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Verbrennungsluft ausschließlich über die Brenner mit zugeschalteter Brennstoffzufuhr (30) zuführbar ist.

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