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Die Erfindung betrifft einen Strahlbrenner mit einem Brennerdüsenträger und einer darauf angeordneten Rohrkonstruktion für Vormischpassagen.
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Strahlstabilisierte Verbrennungssysteme zeichnen sich durch eine grundsätzlich einfache geometrische Anordnung aus. Der Brennstoff wird durch einen Brennstoffinjektor in eine oder mehrere zylindrische Vormischpassagen eingebracht, in die ebenfalls Verdichterendluft strömt. Die Vormischpassagen münden in den Brennraum. Die Aufprägung eines Dralls auf die Strömung ist nicht notwendig.
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Ein zentrales Bauteil des Strahlbrenners ist der Düsenträger (Jet Carrier), der im Prototypenbau typischer Weise durch spanende Bearbeitung aus einem Schmiedeteil hergestellt wird. Bedingt durch die hohen Brennraumtemperaturen ist die Verwendung einer hochwarmfesten Legierung notwendig. Dies verursacht sehr hohe kosten für das rohe Schmiedeteil und die Bearbeitung. Dafür ist der Düsenträger in dieser Form vergleichsweise einfach herzustellen und durch die massive Bauweise ergibt sich eine gewisse Kühlwirkung der Verdichterluft für den Düsenträger. Aufgrund der sehr teuren Fertigung kommt allerdings eine Serienproduktion auf diese Art nicht in Betracht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Fertigungskosten und den Fertigungsaufwand auf ein für die Serienfertigung akzeptables Maß zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem Strahlbrenner umfassend eine mit ersten Öffnungen versehene Grundplatte mit einer im Betrieb einer Brennkammer zugewandten Heißgasseite und einer von der Brennkammer abgewandten Kaltgasseite, auf mindestens einer Seite der Grundplatte an den ersten Öffnungen als Strahldüsen Hohlzylinder angeordnet sind, wird erreicht, dass die axiale Erstreckung des massiven Brennerdüsenträgers auf eine minimale Erstreckung reduziert wird, so dass er nur noch die Funktion einer Befestigungsplatte oder Grundplatte erfüllen muss. Die Vormischpassagen werden durch eine Rohrkonstruktion gebildet, die mit entsprechenden Maßnahmen mit der Grundplatte verbunden werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Grundplatte heißgasseitig eine Wärmedämmschicht (thermal barrier coating) aufweist, wodurch die Werkstofftemperatur im Betrieb des Brenners bzw. der Kühlbedarf gesenkt werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Grundplatte eine zentral angeordnete zweite Öffnung für einen Pilotbrenner bzw. für den entsprechenden Pilotkonus für die stabile Verbrennung über einen weiten Betriebsbereich, insbesondere im Leerlauf und Teillastbereich, umfasst.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Hohlzylinder, welche die Vormischpassagen bilden, ausschließlich auf der Heißgasseite der Grundplatte angeordnet, d.h. sie sind im Bereich der Einlaufströmung mit der Grundplatte verbunden. Hierdurch wird die vorgezogene Grundplatte durch die Verdichterendluft vor dem Einlauf in die Vormischpassagen gekühlt. Dies wird unterstützt durch den vergleichsweise kleineren Raum vor der Einströmung (im Gegensatz zur nächsten vorteilhaften Ausführungsform) und die dadurch entstehenden höheren Luftgeschwindigkeiten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Hohlzylinder ausschließlich auf der Kaltgasseite der Grundplatte angeordnet, d.h. die Rohre sind im Bereich der Ausströmung auf der Grundplatte angeordnet. Bei dieser Ausführungsform kann die Aufnahme des Pilotkonus ohne einen Verlängerungsstutzen ausgeführt werden, wie er bei der zuvor genannten Ausführungsform notwendig ist. Weiterhin ist es denkbar, dass die Anströmung der Vormischpassagen bei dieser Ausführungsform gegenüber der erstgenannten besser ist.
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Schließlich können sich in einer dritten vorteilhaften Ausführungsform die Hohlzylinder sowohl über die Heißgas- als auch über die Kaltgasseite der Grundplatte hinaus erstrecken. Diese Ausführungsform kann als gemischte Ausführung der erstgenannten Formen angesehen werden, so dass von beiden Prinzipien die Vorteile genutzt werden können. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Hohlzylinder sich unterschiedlich weit über die Heißgasseite der Grundplatte hinaus erstrecken, d.h. die Anordnung der Vormischpassagen mit verschiedenen axialen Befestigungspunkten erfolgt, da dadurch ein axial gestufter Brenner abgebildet werden kann.
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Beim erfindungsgemäßen Strahlbrenner werden die Vormischpassagen als Hohlzylinder, d.h. als Rohre ausgeführt. Dies bringt den Vorteil kostengünstiger und intrinsisch gekühlter Vormischpassagen. Die Rohre werden mit Luftgeschwindigkeiten von über 100 m/s durchströmt, so dass ein sehr guter Wärmeübergang erzielt wird. Gleichzeitig ist die Material sparende Konstruktion kostengünstig.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 einen Strahlbrenner nach dem Stand der Technik,
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2 einen Schnitt durch einen Strahlbrenner senkrecht zu einer Mittelachse des Brenners,
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3 einen Schnitt durch einen weiteren Strahlbrenner senkrecht zu einer Mittelachse des Brenners,
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4 eine erste Ausführungsform eines Teils eines Strahlbrenners nach der Erfindung mit Grundplatte stromauf der Hohlzylinder/Strahldüsen,
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5 einen Schnitt durch die erste Ausführungsform nach der Erfindung,
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6 eine zweite Ausführungsform eines Teils eines Strahlbrenners nach der Erfindung mit Grundplatte stromab der Hohlzylinder/Strahldüsen,
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7 einen Schnitt durch die zweite Ausführungsform nach der Erfindung,
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8 eine erste Verbindungsmöglichkeit zwischen Grundplatte und Hohlzylinder bzw. Pilotkonus,
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9 eine zweite Verbindungsmöglichkeit und
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10 eine dritte Verbindungsmöglichkeit.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Strahlbrenners 11 nach dem Stand der Technik in Längsrichtung, also entlang der Mittelachse 12 des Brenners 11. Der Brenner 11 weist mindestens eine in einem Düsenträger 13 angeordnete Strahldüse 14 auf. Die Strahldüse 14 umfasst einen Strahldüseneintritt 15 und einen Strahldüsenaustritt 16. An den Strahldüsenaustritt 16 schließt sich die Brennkammer 4 an. Zudem ist die Strahldüse 14 so im Düsenträger 13 angeordnet, dass der Strahldüseneintritt 15 der Rückwand 17 des Brenners 11 zugewandt ist.
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Im Bereich des Strahldüseneintritts 15 der Strahldüse 14 ist eine Brennstoffdüse 18 angeordnet. Durch die Brennstoffdüse 18 wird Brennstoff in die Strahldüse 14 eingedüst. Der Brenner 11 umfasst weiterhin einen radial in Bezug auf die Mittelachse 12 des Brenners 11 äußeren Gehäuseteil 19, der mit dem Düsenträger 13 einen Ringkanal 20 bildet. Durch diesen Ringkanal 20 strömt Luft 21 aus dem Kompressor in Richtung der Rückwand 17 des Brenners 11 und wird dort umgelenkt, so dass sie durch die Strahldüseneintritte 15 in die Strahldüsen 14 gelangt.
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Was 1 nicht zeigt, ist, dass Brenner, insbesondere Vormischbrenner wie der gezeigte Strahlbrenner 11, mit einem zusätzlichen Pilotbrenner ausgestattet sein können, um die stabile Verbrennung über einen weiten Betriebsbereich, insbesondere im Leerlauf und Teillastbereich sicherzustellen. Ein solcher Pilotbrenner ist dann typischerweise auf der Mittelachse 12 des Brenners angeordnet.
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Die 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Strahlbrenner 11 senkrecht zu einer Mittelachse 12 des Brenners 11. Der Düsenträger 13 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Innerhalb des Düsenträgers 13 ist eine bestimmte Anzahl an Strahldüsen 14 im Wesentlichen ringförmig angeordnet. Jede Strahldüse 14 weist dabei einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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Die 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Strahlbrenner 101, wobei der Schnitt senkrecht zur Mittelachse des Brenners 101 verläuft. Der Brenner 101 weist ebenfalls einen Düsenträger 13 auf, welcher einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in welchem eine Anzahl innerer und äußerer Strahldüsen 14, 104 angeordnet ist. Die Strahldüsen 14, 104 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die äußeren Strahldüsen 14 eine gleich große oder größere Querschnittsfläche besitzen als die inneren Strahldüsen 104. Die äußeren Strahldüsen 14 sind im Wesentlichen ringförmig innerhalb des Düsenträgers 13 angeordnet und bilden einen äußeren Ring. Die inneren Strahldüsen 104 sind ebenfalls innerhalb des Gehäuses 13 ringförmig angeordnet. Die inneren Strahldüsen 104 bilden einen inneren Ring, der konzentrisch zu dem äußeren Strahldüsenring angeordnet ist.
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Die 2 und 3 zeigen lediglich Beispiele für die Anordnung von Strahldüsen 14, 104 innerhalb eines Strahlbrenners 11, 101. Selbstverständlich sind alternative Anordnungen, ebenso wie die Verwendung einer anderen Anzahl an Strahldüsen 14, 104 möglich. Außerdem kann der Brenner 11, 101 einen Pilotbrenner umfassen.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Strahlbrenners 1 nach der Erfindung, bei dem der massive Düsenträger 13 des Strahlbrenners 11 aus dem Stand der Technik auf eine minimale Dicke reduziert ist und als Grundplatte 3 für Strahldüsen, die durch Hohlzylinder 7 geformt sind, dient. Im Betrieb des Strahlbrenners 1 ist die Grundplatte 3 mit ihrer Heißgasseite 5 einer Brennkammer 4 zugewandt und mit ihrer Kaltgasseite 6 von der Brennkammer 4 abgewandt. Die Grundplatte 3 kann auf der Heißgasseite 5 eine Wärmedämmschicht 8 aufweisen.
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Wo die Hohlzylinder 7 mit der Grundplatte 3 verbunden sind, weist die Grundplatte 3 erste Öffnungen 2 auf (vgl. hierzu 5).
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Ferner weist die Grundplatte 3 eine zentral angeordnete zweite Öffnung 9 für einen Pilotbrenner 10 bzw. für die Aufnahme und Befestigung des Pilotkonus 22 auf.
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Im Ausführungsbeilspiel der 4 sind die Hohlzylinder 7 ausschließlich auf der Heißgasseite 5 der Grundplatte 3 angeordnet.
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Die 5 zeigt einen Schnitt durch die erste Ausführungsform nach der Erfindung. Zu sehen sind die als Vormischpassagen bzw. Strahldüsen mit der Grundplatte an den ersten Öffnungen 2 verbundenen Hohlzylinder 7 sowie der Pilotkonus 22 des Pilotbrenners 10, der im Strahlbrenner 11 aus dem Stand der Technik an seinem brennerseitigen Ende direkt mit dem Düsenträger 13 verbunden ist, beim Ausführungsbeispiel nach der Erfindung aber über einen entsprechenden Verlängerungsstutzen 23.
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Im Ausführungsbeispiel der 6 sind die Hohlzylinder 7 ausschließlich auf der Kaltgasseite 6 der Grundplatte 3 angeordnet. Wie der Schnitt durch diese Ausführungsform in 7 zeigt, kann hier auf einen Verlängerungsstutzen 23 zur Verbindung von Pilotkonus 22 und Grundplatte 3 verzichtet werden.
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Neben den gezeigten Ausführungsformen sind auch weitere Anordnungen der Hohlzylinder 7 auf der Grundplatte 3 denkbar.
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Beispielsweise könnten sich die Hohlzylinder 7 sowohl über die Heißgas- 5 als auch über die Kaltgasseite 6 der Grundplatte 3 hinaus erstrecken. Insbesondere könnten sich hierbei die Hohlzylinder 7 unterschiedlich weit über die Heißgasseite 5 der Grundplatte 3 hinaus erstrecken, um einen axial gestuften Brenner zu realisieren.
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Die 8, 9 und 10 zeigen drei verschiedene Konzepte für die Verbindung der Hohlzylinder 7 mit der Grundplatte 3. Diese können wahlweise ausschließlich oder in gemischter Form angewandt werden. 8 zeigt eine Schraubverbindung 24, 9 eine Schweißverbindung 25 und 10 eine Lötverbindung 26 mit Lotdepot. Die Verbindungsmethode bestimmt die konstruktive Ausführung der Aufnahme der als Vormischpassagen wirkenden Hohlzylinder 7 und des Pilotkonus 22 an der Grundplatte 3.
