-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, ein Leitblech für
einen derartigen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 sowie
eine Strömungsmaschine
mit einem derartigen Brenner nach Anspruchs 11.
-
Bei
einem in einer Flammkammer eines Brenners für Strömungsmaschinen ablaufenden
Verbrennungsprozess entsteht eine Wärmestrahlung, die insbesondere
eine die Flammkammer begrenzende Kammerwandung aufheizt. Diese Aufheizung führt bei
großen
Wandstärken
bzw. bei Materialüberlappungen
zu starken Thermalspannungen. Eine Kühlung der jeweiligen Wandungsabschnitte
der Flammkammer erfolgt meist über
Konvektion, bei der Außenluft über von
der Flammkammer abgewandte Außenflächen der
Wandungsabschnitte geführt
wird. Zur Reduzierung der Thermalspannungen und zur Optimierung
der Konvektionskühlung
bestehen die Flammkammern meist aus dünnwandigen Blechkonstruktionen
wie zum Beispiel Flammrohren. Querschnittsveränderungen oder Maßnahmen
zur Strömungsführung eines
Brennstoff-Luftgemischstroms oder eines Luftstroms wie zum Beispiel
Leitbleche oder Drallerzeuger sind eingeschweißt. Die Leitbleche können als
konische Ringe ausgebildet sein mit einem Befestigungsabschnitt
zum Verschweißen
mit einem Wandungsabschnitt der Flammkammer und mit einer von dem
Befestigungsabschnitt abgewandten Strömungsführungskante. Nach dem Verschweißen liegt
das Leitblech mit seinem Befestigungsabschnitt großflächig an
dem Wandungsabschnitt der Flammkammer an, wodurch eine großflächige Materialüberlappung
gebildet ist, die eine Entstehung von Thermalspannungen begünstigt.
Da die Überlappungsbereiche
nur einseitig gekühlt
werden können, sind
die Thermalspannungen nicht ausreichend zu reduzieren.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Brenner für Strömungsmaschinen
die thermische Beanspruchung unter Beibehaltung der bewährten strömungs technischen
Randbedingungen zu minimieren sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen
Brenner zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Leitblech
mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und durch eine Strömungsmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
-
Ein
erfindungsgemäßer Brenner
für eine Strömungsmaschine
weist eine Flammkammer, einen Drallerzeuger zur Drallbeauschlagung
eines Luftstroms und ein in der Flammkammer angeordnetes Leitblech
zur Strömungsführung des
Luftstroms in der Flammkammer auf. Das Leitblech hat einen Befestigungsabschnitt
zur Befestigung an einem Wandungsabschnitt der Flammkammer. Erfindungsgemäß ist der
Befestigungsabschnitt über
eine Vielzahl von Abstandshaltern mit dem Wandungsabschnitt der
Flammkammer verbunden. Die Verbindung kann herkömmlicherweise über Schweißungen erfolgen.
Durch die Abstandshalter ist zum einen eine großflächige Materialüberlappung
zwischen dem Befestigungsabschnitts des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt
der Flammkammer verhindert. Zum anderen kann zwischen dem Befestigungsabschnitt des
Leitblechs und dem Wandungsabschnitt der Flammkammer ein Teilstrom
der Luft strömen,
wodurch eine beidseitige Kühlung
der Wandungsabschnitte erfolgt. D. h., die Wandungsabschnitte werden
erfindungsgemäß an Ihrer
der Flammkammer zugewandten Innenfläche als auch herkömmlicherweise
an ihrer der Flammkammer abgewandten Außenfläche gekühlt. Ebenso werden Schweißverbindungen
zur Befestigung des Leitblechs beidseitig gekühlt.
-
Die
Abstandshalter können
separate Bauteile sein oder zum Beispiel Erhebungen des Befestigungsabschnitts
oder des Wandungsabschnitts der Flammkammer darstellen, die durch
eine wellenförmige
Verformung des Befestigungsabschnitts bzw. des Wandungsabschnitts
erzielt sind.
-
Ein
erfindungsgemäßes Leitblech
für einen Brenner
einer Strömungsmaschine
weist eine Strömungsführungskante
zur Führung
eines Luftstroms sowie einen von der Strömungsführungskante abgewandten Befestigungsabschnitt
zur Befestigung des Leitblechs an einem Wandungsabschnitts des Brenners
auf. Erfindungsgemäß zeigt der
Befestigungsabschnitt eine Vielzahl von Erhebungen, über die
er an einem Wandungsabschnitt einer Flammkammer eines Brenners befestigbar
ist.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstrecken
sich die Erhebungen jeweils von einer Befestigungskante des Befestigungsabschnitts
zur Strömungsführungskante.
Hierdurch ist zwischen den Erhebungen eine Vielzahl von Kanälen gebildet, die
sich im Wesentlichen in Strömungsrichtung
des Luftstroms erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass ein Teilstrom
der eingedüsten
Luft nahezu ohne Richtungsänderung
zwischen dem Befestigungsabschnitt des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt
der Flammkammer strömen
kann.
-
Bevorzugterweise
laufen die Erhebungen in Richtung der Strömungsführungskante aus und gehen in
einen ebenen Strömungsführungsabschnitt über. Die
Beibehaltung des ebenen Strömungsabschnitts
mit seiner geraden Strömungsführungskante hat
den Vorteil, dass die bewährten
strömungsgünstigen
Randbedingungen unverändert
bleiben.
-
Die
Erhebungen können
wellenartig mit einer Vielzahl von Wellenbergen und Wellentälern ausgebildet
sein. Die Wellentäler
dienen dabei als die Kanäle
für die
Luftführung
zur Konvektionskühlung
zwischen dem Befestigungsabschnitt des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt
der Flammkammer.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind die Erhebungen stufenartig in Form einer Rechteckkurve ausgeführt.
-
Vorzugsweise
weisen die Wellenberge und Wellentäler jeweils eine einheitliche
Geometrie auf und sind gleichmäßig auf
dem Befestigungsabschnitt angeordnet. Hierdurch lässt sich über den
Umfang des Leitblechs eine einheitliche Kühlung erzielen.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das Leitblech ein konischer Leitblechring, der aus einem trapezartigen
Materialstreifen mit einer kurzen Längsseite und einer langen Längsseite
besteht. Dabei ist die Strömungsführungskante
an der kurzen Längsseite
und die Befestigungskante an der langen Längsseite angeordnet.
-
Eine
erfindungsgemäß Strömungsmachine weist
einen Brenner mit einem Leitblech auf, das mit seinem Befestigungsabschnitt
bereichsweise über Abstandshalter
von Wandungsabschnitten einer Flammkammer beabstandet ist.
-
Sonstige
vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es
zeigen
-
1 einen
stark vereinfachten Teillängsschnitt
durch eine Flammkammer eines erfindungsgemäßen Brenners,
-
2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leitblechs,
-
3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leitblechs,
-
4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leitblechs,
und
-
5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leitblechs.
-
1 zeigt
einen Teillängsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Brenner 2 für eine Strömungsmaschine
im Bereich seiner Brennstoff- bzw. Lufteindüsung. Der Brenner 2 ist
in geschweißter Blechbauweise
ausgeführt
und hat eine Flammkammer 4, die axial von einem kreisförmigen Brennerboden 6 begrenzt
ist. In dem Brennerboden 6 sind nicht dargestellte Düsen zur
Eindüsung
eines Brennstoffs 8 in die Flammkammer 4 angeordnet.
Die Flammkammer 4 öffnet
sich ausgehend von dem Brennerboden 6 konisch und wird
radial im Wesentlichen von einem Flammrohr 10 begrenzt.
-
Zwischen
dem Brennerboden 6 und dem Flammenrohr 10 ist
ein Drallerzeuger 12 zur Eindüsung von Luft 14 und
zur Drallbeaufschlagung derselben angeordnet. Der Drallerzeuger 12 umgreift
die Flammkammer 4 radial und ist axial zur Längsachse 16 des
Brenners 2 orientiert. Aufgrund der konischen Ausbildung
der Flammkammer 4 weist der Drallerzeuger 12 eine
schräg
verlaufende Einströmmündung 18 für die Luft 14 in
die Flammkammer 4 auf. Ein vom Brennerboden 6 entfernt
liegender, die Einströmmündung 16 begrenzender
bogenförmiger Randabschnitt 20 des
Drallerzeugers 12 ist stoßartig mit einem konischen
Wandungsabschnitt 22 der Flammkammer 4 verbunden
-
Das
Flammrohr 10 ist mit einem stufenartigen Endabschnitt 24 derart
mit dem Wandungsabschnitt 22 verbunden, dass zwischen einem
von dem Drallerzeuger 12 abgewandten Randbereich 26 des Wandungsabschnitts 22 und
dem stufenförmigen
Endabschnitt 24 des Flammrohrs 10 ein Ringraum 26 gebildet
ist.
-
Im
Verbindungsbereich des Drallerzeugers 12 mit dem Wandungsabschnitt 22 ist
ein erfindungsgemäßes Leitblech 30 angeordnet,
welches zu einem Leitblechring verformt ist. Der Leitblechring 30 ist
konisch ausgebildet und hat einen Befestigungsabschnitt 32 sowie
eine von dem Befestigungsabschnitt 32 abgewandte Stromführungskante 34.
Der Leitblechring 30 ist über einen in 2 näher erläuterten
Befestigungsabschnitt 32 an einer Innenfläche 36 des
Wandungsabschnitts 22 derart angeordnet, dass die Stromführungskante 34 über den Randabschnitt 20 des
Drallerzeugers 12 in die Einströmmündung 18 hinein ragt.
Aufgrund von in den folgenden 2 bis 5 dargestellten
erfindungsgemäßen Erhebungen 48 des
Befestigungsabschnitts 22 sind eine Vielzahl von nicht
gezeigten Kanälen
zwischen dem Wandungsabschnitt 22 und dem Befestigungsabschnitt 32 des
Leitblechrings 30 gebildet. Durch die Kanäle strömt im Betrieb
des Brenners 2 ein Teilstrom der durch die Einstrommündung 18 des
Drallerzeugers 12 eingedüste Luft 14, wodurch
die Innenfläche 36 des
Wandungsabschnitts 22 abschnittsweise via Konvektion gekühlt und
Thermalspannungen in dem Leitblechring 30 und dem Wandungsabschnitt 22 somit
reduziert werden. Ebenso wird der Befestigungsabschnitt 32 des
Leitblechs 30 durch den Teilstrom der Luft 14 gekühlt. Das
Ein- und Durchströmen
des Teilstroms der Luft 14 durch die Kanäle wird
durch einen sich einstellenden Druckabfall in den Kanälen begünstigt.
-
Gemäß 2 ist
der konische Leitblechring 30 durch einen trapezartigen
Materialstreifen 38 gebildet. Der Materialstreifen 38 hat
eine kurze Längsseite 40 und
eine entgegengesetzte lange Längsseite 42.
Die beiden Längsseiten 40, 42 sind über zwei voneinander
abgewandte Schmalseiten 44, 46 miteinander verbunden.
Zum Formen des Leitblechrings 30 sind die Schmalseiten 44, 46 stoßartig in
Anlage zu bringen.
-
Die
kurze Längsseite 40 weist
die Stromführungskante 34 auf,
die gemäß der Darstellung
in 2 im unverformten Zustand des Materialstreifens 38 gerade
ausgeführt
ist.
-
Von
der langen Längsseite 36 erstreckt
sich in Richtung der Strömungsführungskante 34 der
Befestigungsabschnitt 32. Dieser weist eine Vielzahl von
Erhebungen 48 auf, die wellenförmig ausgebildet sind, so dass
eine Vielzahl von Wellenbergen 50a, 50b, 50c,
... und Wellentälern 52a, 52b, 52c,
... gebildet ist. Im in der Flammkammer 4 montierten Zustand ist
der Leitblechring 30 zumindest abschnittsweise über die
Wellenberge 50a, 50b, 50c, ... an der
Innenfläche 36 des
Wandungsabschnitts 22 befestigt. Die Befestigung erfolgt
bevorzugterweise mittels bekannten Schweißtechniken wie zum Punktschweißen. Die Erhebungen 48 bzw.
die Wellenberge 50a, 50b, 50c, ... wirken
quasi als Abstandshalter, mittels denen der Befestigungsabschnitt 32 von
dem Wandungsabschnitt 22 beabstandet ist, so dass eine
flächige
Materialüberlappung
verhindert ist. Die Wellentäler 52a, 52b, 52c,
... dienen hierbei als die in 1 bereits
erwähnten
Kanäle,
durch die zur beidseitigen Konvektionskühlung des Wandungsabschnitts 22 der
Teilstrom der Luft 14 strömt. Ebenso werden durch die erfindungsgemäße innerhalb
der Flammkammer 4 erfolgende Konvektionskühlung im
Befestigungsbereich der Leitblechrings 30 die Schweißverbindungen zur
Befestigung des Leitblechrings 32 gekühlt.
-
Die
Erhebungen 48 erstrecken sich von einer von der langen
Längsseite 42 gebildeten
Befestigungskante 54 in Richtung der Stromführungskante 34 und
gehen in einen ebenen Stromführungsabschnitt 56 über, der
an den Befestigungsabschnitt 32 angrenzt. Durch diese Erstreckung
laufen im montierten Zustand die Wellenberge 50a, 50b, 50c,
... in Strömungsrichtung
bzw. radial nach außen.
Die Wellenberge 50a, 50b, 50c, ... und
die Wellentäler 52a, 52b, 52c,
... weisen jeweils die gleiche Geometrie auf und sind gleichmäßig über den
Befestigungsabschnitt 32 verteilt, so dass sie symmetrisch
beidseits des Befestigungsabschnitts 32 verlaufen.
-
Die
Wellenform des Befestigungsabschnitts 32 bewirkt eine gewisse
Elastizität
des Leitblechrings 30, wodurch zusätzlich zur verbesserten Kühlung die Thermalspannungen
besser ausgeglichen bzw. minimiert werden. Dabei bewirkt die vorbeschriebene Gleichmäßigkeit
der Wellenform, dass die Thermalspannungen gleichmäßig über den
Umfang des Leitblechs 30 abgebaut werden und keine neuen
Spannungen in den Leitblechring 32 eingeleitet werden.
-
Die 3, 4 und 5 zeigen
jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Leitblechs 58, 60, 62.
Der wesentliche Unterschied dieser Leitbleche 58, 60, 62 zu
dem in 2 beschriebenen Leitblech 30 besteht
darin, dass die Anzahl der Erhebungen 48 und somit die Frequenz
der Wellenform des Befestigungsabschnitts 32 von 2 bis
zur 5 erhöht
ist. Eine detaillierte Betrachtung der in den 3, 4 und 5 gezeigten
Leitbleche 58, 60, 62 kann somit entfallen.
-
Es
sei erwähnt,
dass es ebenfalls vorstellbar ist, die Erhebungen 48 mit
unterschiedlichen Geometrien und/oder ungleichmäßig über den Umfang des Leitblechrings 30 auf
dem Befestigungsabschnitt 32 anzuordnen, so dass über den
Umfang des Wandungsabschnitts 22 die Konvektionskühlung verschieden
intensiv ausgeführt
wird. Beispielhaft sei als eine weitere Geometrie eine stufenartige
Ausbildung in Form einer Rechteckkurve oder einer Sägezahnkurve
genannt. Weiterhin ist es vorstellbar die Kanäle trichterförmig in
Richtung der Befestigungskante zu erweitern, so dass in den Kanälen ein
verstärkter
Düseneffekt
zum Durchströmen
des Teilstroms der Luft 14 auftritt. Ebenso ist es vorstellbar,
die Erhebungen an dem Wandungsabschnitt 22 auszubilden
und den Befestigungsabschnitt 32 des Leitblechrings 30 eben.
Weiterhin ist es vorstellbar, die Erhebungen 48 durch externe
bzw. durch separat ausgeführte
Abstandshalter zu ersetzen, die zwischen dem Wandungsabschnitt 22 und
einem Befestigungsabschnitt angeordnet sind. Ferner sei erwähnt, dass
beliebige Formen eines Leitblechs 30 vorstellbar sind und
diese Anmeldung nicht auch eine ringförmige Form beschränkt ist.
-
Offenbart
ist ein Brenner für
eine Strömungsmaschine
mit einem in einer Flammkammer angeordneten Leitblech, das über Abstandshalter
an einem Wandungsabschnitt angreift, ein Leitblech, dessen Befestigungsabschnitt
eine Vielzahl von Erhebungen zur Befestigung an einem Wandungsabschnitt
einer Flammkammer aufweist, sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen
Brenner.
-
- 2
- Brenner
- 4
- Flammkammer
- 6
- Brennerboden
- 8
- Brennstoff
- 10
- Flammrohr
- 12
- Drallerzeuger
- 14
- Luft
- 16
- Längsachse
- 18
- Einströmmündung
- 20
- Randabschnitt
- 22
- Wandungsabschnitt
- 24
- Endabschnitt
- 26
- Randbereich
- 28
- Ringraum
- 30
- Leitblech
bzw. Leitblechring
- 32
- Befestigungsabschnitt
- 34
- Stromführungskante
- 36
- Innenflächenabschnitt
- 38
- Materialstreifen
- 40
- kurzen
Längsseite
- 42
- langen
Längsseite
- 44
- Schmalseite
- 46
- Schmalseite
- 48
- Erhebungen
- 50a,
50b, 50c, ...
- Wellenberg
- 52a,
52b, 52c, ...
- Wellental
- 54
- Befestigungskante
- 56
- Strömungsführungsabschnitt
- 58
- Leitblech
- 60
- Leitblech
- 62
- Leitblech