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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einblasen von Gas in ein Gefäß. Sie findet insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Anwendung bei einer Vorrichtung zum Einblasen einer Gasströmung in ein metallurgisches Gefäß bei Hochtemperaturbedingungen. Ein derartiges metallurgisches Gefäß kann beispielsweise ein Schmelzgefäß sein, in welchem geschmolzenes Metall durch einen Direktschmelzprozess hergestellt wird.
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Ein bekannter Direktschmelzprozess, der auf einer Schicht aus geschmolzenem Metall als Reaktionsmedium beruht und im Allgemeinen als HIsmelt-Prozess bezeichnet wird, ist in den
US-Patenten 6.440.356 und
6.673.305 beschrieben.
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Der HIsmelt-Prozess umfasst Folgendes:
- (a) Herstellen eines Bades aus geschmolzenem Metall in der Form von Eisen und Schlacke in einem Gefäß;
- (b) Einblasen von Folgendem in das Bad:
(i) ein metallhaltiges Ausgangsmaterial, typischerweise Metalloxide; und
(ii) ein festes kohlenstoffhaltiges Material, typischerweise Kohle, das als Reduktionsmittel der Metalloxide und eine Energiequelle wirkt;
- (c) Schmelzen des metallhaltigen Ausgangsmaterials zu Metall in der Metallschicht.
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Der Ausdruck ”Schmelzen” ist dabei so zu verstehen, dass er eine thermische Verarbeitung bedeutet, bei der chemische Reaktionen stattfinden, die Metalloxide reduzieren, um flüssiges Metall herzustellen.
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Der HIsmelt-Prozess umfasst außerdem die Nachverbrennung von Reaktionsgasen, wie z. B. CO und H2, die aus dem Bad in den Raum über dem Bad abgegeben werden, mit einen sauerstoffhaltigen Gas und das Übertragen der durch die Nachverbrennung erzeugten Wärme an das Bad, um zu der Wärmeenergie beizutragen, die zum Schmelzen der metallhaltigen Ausgangsmaterialien erforderlich ist.
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Der HIsmelt-Prozess umfasst außerdem das Bilden einer Übergangszone über der nominellen ruhenden Oberfläche des Bads, in der eine günstige Masse von aufsteigenden und anschließend absinkenden Tröpfchen oder Spritzern oder Strömen aus geschmolzenem Metall und/oder Schlacke vorhanden ist, die ein wirksames Medium darstellt, um die durch die Nachverbrennung von Reaktionsgasen über dem Bad erzeugte Wärmeenergie an das Bad zu übertragen.
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In dem HIsmelt-Prozess werden das metallhaltige Ausgangsmaterial und festes kohlenstoffhaltiges Material in die Metallschicht durch eine Anzahl von Strahlrohren/Blasdüsen eingeblasen, die zur Vertikalen geneigt sind, damit sie sich durch den unteren Bereich des Gefäßes abwärts und nach innen durch die Seitenwand des Schmelzgefäßes und in den unteren Bereich des Gefäßes erstrecken, um die Feststoffmaterialien in die Metallschicht am Boden des Gefäßes einzubringen. Um die Nachverbrennung von Reaktionsgasen im oberen Teil des Gefäßes zu unterstützen, wird ein Strahl heißer Luft, die mit Sauerstoff angereichert sein kann, durch das sich nach unten ersteckende Heißluft-Einblasstrahlrohr in den oberen Bereich des Gefäßes eingeblasen. Um eine wirkungsvolle Nachverbrennung der Gase in dem oberen Teil des Gefäßes zu unterstützen, ist es erwünscht, dass der eintretende Heißluftstrahl aus dem Strahlrohr mit einer verwirbelten Bewegung austritt. Um dieses zu erreichen, kann das Auslassende des Strahlrohrs mit inneren Strömungsführungen ausgestattet sein, um eine geeignete verwirbelte Bewegung zu bewirken. Die oberen Bereiche des Gefäßes können Temperaturen in der Größenordnung von 2000°C erreichen und die Heißluft kann bei Temperaturen in der Größenordnung von 1100 bis 1400°C in das Strahlrohr eingegeben werden. Das Strahlrohr muss deswegen in der Lage sein, sowohl innen als auch an den Außenwänden, insbesondere am Zuleitungsende des Strahlrohrs, das in die Verbrennungszone des Gefäßes vorsteht, äußerst hohen Temperaturen zu widerstehen.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Strahlrohrkonstruktion, die ermöglicht, dass die betreffenden Komponenten innen mit Wasser gekühlt und in einer Umgebung mit sehr hohen Temperaturen betrieben werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Einblasen von Gas in ein Gefäß geschaffen, die umfasst:
einen Gasströmungskanal, der sich von einem hinteren Ende zu einem vorderen Ende, aus welchem Gas aus dem Kanal abgegeben werden soll, erstreckt;
eine lang gestreckte mittige Struktur, die sich in dem Gasströmungskanal von seinem hinteren Ende zu seinem vorderen Ende erstreckt;
mehrere strömungslenkende Leitschaufeln, die um die mittige Struktur angrenzend an das vordere Ende des Kanals angeordnet sind, um an einer Gasströmung durch das vordere Ende des Kanals eine Verwirbelung zu bewirken, wobei das vordere Ende der mittigen Struktur und das vordere Ende des Kanals zusammenwirken, um eine ringförmige Düse für die Strömung von Gas aus dem Kanal mit einer Verwirbelung, die durch die Leitschaufeln bewirkt wird, zu bilden;
erste Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel, die in dem vorderen Ende der mittigen Struktur für eine Strömung von Kühlwasser angeordnet sind, um äußere Oberflächen des vorderen Endes der mittigen Struktur innen mit Wasser zu kühlen;
zweite Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel, die in den Leitschaufeln vorgesehen sind, für die Strömung von Kühlwasser, um die Leitschaufeln innen zu kühlen;
einen ersten Kühlwasserzuleitungsdurchlass in der mittigen Struktur zum Zuleiten einer ersten Strömung von Kühlwasser durch die mittige Struktur von ihrem hinteren Ende nach vorn und in die ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel in dem vorderen Ende der mittigen Struktur;
einen zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlass in der mittigen Struktur zum Zuleiten einer zweiten separaten Strömung von Kühlwasser durch die mittige Struktur von ihrem hinteren Ende nach vorn und in die zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel in den Leitschaufeln; und
Wasser-Ruckleitungsströmungsdurchlassmittel in der mittigen Struktur für die Rückleitungsströmung von Wasser von den ersten und zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmitteln.
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Die Wasser-Rückleitungsdurchlassmittel können einen einzelnen Strömungsdurchlass für die Rückleitungsströmung von Wasser sowohl von den ersten als auch den zweiten Kühlwasserdurchlassmitteln umfassen.
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Der erste Kühlwasserzuleitungsdurchlass kann als ein mittiger Durchlass durch die mittige Struktur für die Strömung von Wasser direkt zu dem vorderen Ende der mittigen Struktur verlaufen.
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Der erste Kühlwasserzuleitungsdurchlass kann durch die mittige Struktur für die Strömung von Wasser direkt zu einer Spitze des vorderen Endes der mittigen Struktur verlaufen.
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Der zweite Kühlwasserzuleitungsdurchlass kann einen ringförmigen Durchlass, der in der mittigen Struktur um den ersten Zuleitungsdurchlass ausgebildet ist, umfassen.
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Die Wasser-Rückleitungsdurchlassmittel können einen weiteren ringförmigen Durchlass, der in der mittigen Struktur außerhalb des ringförmigen zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlasses gebildet ist, umfassen.
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Das vordere Ende der mittigen Struktur kann einen Abschnitt in Form einer gewölbten Nase enthalten und die ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel können einen Kühlwasserströmungsdurchlass, der sich von der Spitze der Nase erstreckt, für die Strömung von Kühlwasser um die Nase herum und an dieser entlang nach hinten umfassen.
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Der Kühlwasserströmungsdurchlass der ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel kann in einer spiralförmigen Ausbildung von der Nase nach hinten verlaufen. Dieser Durchlass kann insbesondere in einer einzelnen Spirale, die sich von der Spitze der Nase erstreckt, verlaufen, um Wasser in einer einzelnen Strömung um die Nase herum und an dieser entlang nach hinten zu leiten, um die Nase mit einem einzelnen kohärenten Strom von Kühlwasser zu kühlen.
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Der Kühlwasserströmungsdurchlass der ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel kann von der Nase nach hinten und in dem äußeren Umfang dieses Teils der mittigen Struktur, um den die Leitschaufeln angeordnet sind, verlaufen.
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Der Kühlwasserströmungsdurchlass der ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel kann den Wasserströmungsweg von dem zweiten Wasserzuleitungsdurchlass zu den zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmitteln in den Leitschaufeln umgehen.
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Ein vorderer Abschnitt des zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlasses kann als ein bogenförmiger Durchlass gebildet sein mit ersten und zweiten Endabschnitten, die durch einen bogenförmigen Bereich mit einer Erstreckung größer als 180 Grad und kleiner als 360 Grad und einen segmentförmigen Bereich zwischen den ersten und zweiten Endabschnitten getrennt sind, und wobei der Kühlwasserströmungsdurchlass der ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel in dem segmentförmigen Bereich verlaufen kann und dadurch den vorderen Abschnitt des zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlasses umgeht.
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Der Kühlwasserströmungsdurchlass der ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel kann eine innenliegende seitliche Stufe enthalten, die den Wasserströmungsweg von dem zweiten Wasserzuleitungsdurchlass zu den zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmitteln in den Leitschaufeln umgeht.
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Der Kühlwasserströmungsdurchlass der ersten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel kann von der Umleitung nach hinten verlaufen und mit dem Wasserrückleitungsströmungsdurchlass verbunden sein.
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Die zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel können Durchlässe in den Leitschaufeln umfassen, die zwischen Einlässen an vorderen Enden der Leitschaufeln und Auslässen an hinteren Enden der Leitschaufeln verlaufen.
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Der zweite Kühlwasser-Strömungsdurchlass kann mit den Einlässen des Leitschaufeldurchlasses an den vorderen Enden der Leitschaufeln verbinden.
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Die Auslässe des Leitschaufeldurchlasses an den hinteren Enden der Leitschaufeln können mit den Kühlwasser-Rückleitungsströmungsdurchlassmitteln verbinden.
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Jede Leitschaufel kann einen hohlen Innenraum aufweisen, der durch Leitbleche unterteilt ist, die den Leitschaufeldurchlass in der Leitschaufel definieren.
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Die Leitbleche können in der Weise angeordnet sein, dass der Leitschaufeldurchlass längs der Leitschaufel hin und her verläuft, so dass Kühlwasser, das vom Einlass zum Auslass strömt, in mehreren Durchläufen vom vorderen zum hinteren Ende der Leitschaufel strömt.
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Der erste Durchlauf jedes Leitschaufeldurchlasses kann von Einlass längs der äußeren Längskante der Leitschaufel verlaufen.
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Die Erfindung erstreckt sich außerdem auf eine Vorrichtung für den Einsatz in einem Gasströmungsstrahlrohr, durch welches Gas in ein Gefäß eingeblasen werden soll, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
eine lang gestreckte Struktur, die sich in dem Gasströmungsstrahlrohr erstreckt;
mehrere Strömungslenkleitschaufeln, die um die lang gestreckte Struktur angrenzend an ein vorderes Ende der Struktur angeordnet sind, um an einer Gasströmung durch das Strahlrohr eine Verwirbelung zu bewirken;
erste Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel, die in dem vorderen Ende der lang gestreckten Struktur angeordnet sind, für die Strömung von Kühlwasser, um äußere Oberflächen des vorderen Endes der lang gestreckten Struktur innen mit Wasser zu kühlen;
zweite Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel, die in den Leitschaufeln für die Strömung von Kühlwasser zur inneren Wasserkühlung der Leitschaufein angeordnet sind;
einen ersten Kühlwasserzuleitungsdurchlass in der lang gestreckten Struktur zum Zuleiten einer ersten Strömung von Kühlwasser durch die lang gestreckte Struktur von ihrem hinteren Ende und in die ersten Kühlwasserströmungsdurchlassmittel in dem vorderen Ende der mittigen Struktur;
einen zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlass in der lang gestreckten Struktur zum Zuleiten einer zweiten separaten Strömung von Kühlwasser durch die lang gestreckte Struktur von ihrem hinteren Ende nach vorn und in die zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmittel in den Leitblechen; und
Wasser-Rückleitungsströmungsdurchlassmittel in der lang gestreckten Struktur für die Rückleitungsströmung von Wasser von den zweiten Kühlwasser-Strömungsdurchlassmitteln.
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Um die Erfindung vollständig zu erläutern, wird eine besondere Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung genau beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform eines Direktschmelzgefäßes, das ein Paar von Feststoffeinblasstrahlrohren und ein Heißluftstromeinblasstrahlrohr, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, enthält;
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2 ist ein Längsschnitt durch das Heißluftstromeinblasstrahlrohr;
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3 ist ein Längsschnitt durch eine mittige Struktur des Strahlrohrs;
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4 ist ein Längsschnitt durch einen vorderen Teil der mittigen Struktur;
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5 ist ein Querschnitt längs der Linie 5-5 von 4;
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6 und 7 sind Seitenansichten, die den vorderen Teil der mittigen Struktur zeigen, wobei einige Teile zur Klarheit entfernt sind;
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8 ist eine perspektivische Ansieht einer Verwirbelungs-Leitschaufelstruktur, die an dem vorderen Ende der mittigen Struktur angebracht ist;
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9 ist eine Seitenansicht der Verwirbelungs-Leitschaufelstruktur;
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10 ist eine Entwicklungsform einer der Verwirbelungsleitschaufeln in der Struktur, die in den 8 und 9 gezeigt ist; und
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11 ist ein Querschnitt durch eine der Verwirbelungsleitschaufeln.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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1 veranschaulicht ein Direktschmelzgefäß, das für einen Betrieb durch den HIsmelt-Prozess, der in den
US-Patenten 6.440.356 und
6.673.305 beschrieben ist, geeignet ist. Das metallurgische Gefäß ist im Allgemeinen mit
11 bezeichnet und weist Folgendes auf: einen Herd, der eine Basis
12 und Seiten
13 aufweist, die aus Schamottestein gebildet sind; Seitenwände
14, die eine im Allgemeinen zylindrische Tonne bilden, die sich von den Seiten
13 des Herds nach oben erstrecken und einen oberen Tonnenabschnitt
15 und einen unteren Tonnenabschnitt
16 enthalten; eine Abdeckung
17; einen Auslass
18 für Abgase; einen Vorherd
19, um geschmolzenes Metall kontinuierlich abzuleiten, und ein Schlackenloch
21 zum Ableiten von geschmolzener Schlacke.
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Im Gebrauch enthält das Gefäß ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke, das eine Schicht 22 aus geschmolzenem Metall und auf der Metallschicht 22 eine Schicht 23 aus geschmolzener Schlacke enthält. Der mit der Zahl 24 bezeichnete Pfeil gibt die Position der nominell ruhenden Oberfläche der Metallschicht 22 an und der mit der Zahl 25 bezeichnete Pfeil gibt die Position der nominell ruhenden Oberfläche der Schlackeschicht an. Der Ausdruck ”ruhende Oberfläche” soll die Oberfläche bedeuten, wenn kein Einblasen von Gas und Feststoffen in das Gefäß erfolgt.
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Das Gefäß ist mit einem nach unten gerichteten Heißlufteinblasstrahlrohr 26 für die Abgabe eines Heißluftstroms in einen oberen Bereich des Gefäßes und zwei Feststoffeinblasstrahlrohren 27, die sich nach unten und einwärts durch die Seitenwände 14 und in die Schlackeschicht 23 erstrecken, ausgestattet, um Eisenerz, festes kohlenstoffhaltiges Material und Fließmittel, die in einem Trägergas mit Sauerstoffmangel enthalten sind, in die Metallschicht 22 einzublasen. Die Position der Strahlrohre 27 ist so gewählt, dass ihre Auslassenden 28 während des Prozessbetriebs über der Oberfläche der Metallschicht 22 liegen. Diese Position der Strahlrohre verringert die Gefahr einer Beschädigung durch den Kontakt mit geschmolzenem Metall und ermöglicht außerdem, die Strahlrohre durch interne Zwangswasserkühlung zu kühlen, ohne dass ein bedeutendes Risiko besteht, dass das Wasser mit dem geschmolzenen Metall in dem Gefäß in Kontakt gelangt.
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Der Aufbau des Heißlufteinblasstrahlrohrs 26 ist in den 2 bis 11 dargestellt. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, umfasst das Strahlrohr 26 einen lang gestreckte Kanal 31, der Heißgas durch eine Gaseinlassstruktur 32 empfängt und in den oberen Bereich des Gefäßes einbläst. Das Strahlrohr enthält eine lang gestreckte röhrenförmige Struktur 33, die sich in dem Gasströmungskanal 31 von seinem hinteren Ende zu seinem vorderen Ende erstreckt. Angrenzend an das vordere Ende des Kanals trägt die mittige Struktur 33 eine Reihe von vier Verwirbelung bewirkenden Leitschaufeln 34, um an der Gasströmung, die aus dem Kanal austritt, eine Verwirbelung zu bewirken. Das vordere Ende der mittigen Struktur 33 weist eine gewölbte Nase 35 auf, die über die Spitze 36 des Kanals 31 nach vorn übersteht, so dass das vordere Ende der mittigen Struktur 33 und das vordere Ende des Kanals zusammenwirken, um eine ringförmige Düse für eine divergierende Strömung von Gas aus dem Kanal mit einer durch die Leitschaufeln 34 bewirkten Verwirbelung zu bilden. Die Leitschaufeln 34 bilden einen Teil einer Struktur 40, die eine röhrenförmige Nabe 40A umfasst, um die die Leitschaufeln 34 in einer schraubenförmigen Formation mit vier Anfangspunkten angeordnet und in das vordere Ende des Kanals mit Gleitsitz eingepasst sind.
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Die Wand das Hauptteils des Kanals 31, die sich von dem Gaseinlass 32 nach unten erstreckt, ist innen wassergekühlt. Dieser Abschnitt des Kanals enthält eine Reihe aus drei konzentrischen Stahlrohren 37, 38, 39, die sich zu dem vorderen Endteil des Kanals erstrecken, wo sie mit der Kanalspitze 36 verbunden sind. Die Kanalspitze 36 ist eine hohle ringförmige Formation und ist innen wassergekühlt durch Kühlwasser, das durch Durchlässe in der Wand des Kanals 31 zugeführt und abgeführt wird. Im Einzelnen wird Kühlwasser durch einen Einlass 41 und einen ringförmigen Einlassverteiler 42 in einen inneren ringförmigen Wasserströmungsdurchlass 43, der zwischen den Rohren 38, 39 des Kanals definiert ist, durch den hohlen Innenraum der Kanalspitze 36 durch in Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen in der Spitze zugeleitet. Wasser wird von der Spitze durch in Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen in einen äußeren ringförmigen Wasserruckleitungsströmungsdurchlass 44, der zwischen den Rohren 37, 38 definiert ist, und nach hinten zu einem Wasserauslass 45 am hinteren Ende des wassergekühlten Abschnitts des Kanals 31 abgeleitet.
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Der wassergekühlte Abschnitt des Kanals 31 ist innen mit einer inneren hitzebeständigen Auskleidung 46 ausgekleidet, die in das innerste Metallrohr 39 des Kanals eingepasst ist und bis zu der wassergekühlten Spitze 36 des Kanals verläuft. Der innere Umfang der Kanalspitze 36 ist im Allgemeinen bündig mit der inneren Oberfläche der hitzebeständigen Auskleidung, die den wirkungsvollen Strömungsdurchgang für Gas durch den Kanal definiert. Das vordere Ende der hitzebeständigen Auskleidung weist einen Abschnitt 47 mit geringfügig verringertem Durchmesser auf, der die Verwirbelungsleitschaufeln 34 mit festem Passsitz aufnimmt. Hinter dem Abschnitt 47 weist die hitzebeständige Auskleidung einen geringfügig größeren Durchmesser auf, damit die mittige Struktur 33 bei der Montage des Strahlrohrs durch den Kanal nach unten eingesetzt werden kann, bis die Verwirbelungsleitschaufeln 34 das vordere Ende des Kanals erreichen, wo sie durch eine konische hitzebeständige Anschlussfläche 48, die die Leitschaufeln in dem hitzebeständigen Abschnitt 47 fixieren und führen, in einen Passeingriff an dem hitzebeständigen Abschnitt 47 geführt werden.
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Der hohle Innenraum der Kanalspitze
36 kann innen unterteilt sein, um Kühlwasserströmungskammern (nicht gezeigt) zu bilden, die sich in Umfangsrichtung um die Spitze in der Weise erstrecken, wie in der
US-Patentveröffentlichung 2006-0108722-A1 genauer offenbart ist.
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Wie unter Bezugnahme auf die 8 bis 11 genau beschrieben werden soll, sind die Verwirbelungsleitschaufeln 34 mit inneren Kühlwasserströmungsdurchlässen ausgebildet. Die Leitschaufeln 34 und das vordere Ende der mittigen Struktur 33 werden innen durch Kühlwasser gekühlt, das durch die mittige Struktur vom hinteren Ende zu dem vorderen Ende des Strahlrohrs zugeleitet wird und dann an der mittigen Struktur entlang zum hinteren Ende des Strahlrohrs zurückgeleitet wird. Separate Wasserzuleitungsdurchlässe verlaufen durch die mittige Struktur zum Zuleiten von Kühlwasser zu den Leitschaufeln und zu der gewölbten Nase 35, um eine starke Strömung von Kühlwasser insbesondere direkt zu den Leitschaufeln und zu der gewölbten Nase 35, die beim Betrieb des Strahlrohrs einer sehr hohen Wärmestromdichte ausgesetzt sind, zu ermöglichen.
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Die mittige Struktur 33 umfasst eine Reihe von drei konzentrischen Stahlrohren 49, 50, 51, von denen jedes aus Rohrsegmenten gebildet ist, die stumpf angeordnet und miteinander verschweißt sind. Das innerste Rohr 49 definiert einen ersten Wasserströmungsdurchlass 52, durch den Wasser von einem Wassereinlass 53 am hinteren Ende des Strahlrohrs durch die mittige Struktur nach vorn bis zu der stirnseitigen Nase 35 der mittigen Struktur strömt. Ein zweiter Wasserzuleitungsdurchlass 54 ist durch den ringförmigen Raum zwischen dem inneren Rohr 49 und dem Zwischenrohr 50 gebildet, durch den Wasser von einem Wassereinlass 60 am hinteren Ende des Strahlrohrs durch die mittige Struktur zu inneren Kühlwasserströmungsdurchlässen in den Verwirbelungsleitschaufeln 34 strömen kann.
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Der ringförmige Raum zwischen dem Zwischenrohr 50 und dem äußeren Rohr 51 bildet einen Wasserrückleitungsdurchlass 56, durch den Kühlwasser sowohl von der Nase 35 der mittigen Struktur 33 als auch von den Kühlwasserströmungsdurchlässen in den Leitschaufeln wieder durch die mittige Struktur zu einem Wasserauslass 55 am hinteren Ende des Strahlrohrs zurückkehrt.
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Zum vorderen Ende der mittigen Struktur 33 hin weiten sich das Zwischenrohr 50 und das äußere Rohr 51 bei 51A und 52A nach außen auf, so dass das innere Ende des zweiten Wasserzuleitungsdurchlasses 54 vergrößert ist. Das Zwischenrohr 51A ist durch ein Verlängerungsrohr 80 verlängert, das mit einem röhrenförmigen hinteren Teil eines Kupferkörpers 61 verbunden ist, der in eine äußere gewölbte Nasenummantelung eingepasst ist, die ebenfalls aus Kupfer gebildet ist und den Nasenabschluss der mittigen Struktur 33 bildet.
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Die ringförmige Nabe 40A von Leitschaufelstrukturen ist um das hintere Ende des Körpers 61 und des Verlängerungsrohrs 80 unmittelbar hinter der Nasenummantelung 62 angebracht. Das vordere Ende der Leitschaufelnabe 40A ist an einer Umfangsrippe 82 angebracht, die an dem röhrenförmigen Teil des Kupferkörpers 61 ausgebildet und mit einer ringförmigen Nut 83 versehen ist, die Wasser durch vier in Umfangsrichtung beabstandete Schlitze 84 durch den röhrenförmigen Teil des Kupferkörpers 61 aufnimmt, um in der Weise, die im Folgenden beschrieben werden soll, als eine Wassereinlasskammer für die Zuleitung von Kühlwasser von dem verlängerten inneren Ende des Kühlwasserdurchlasses 54 zu den Kühlwasserdurchlässen in den Leitschaufeln zu dienen.
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Hinter der Rippe 82 ist ein ringförmiger Freiraum 90 zwischen der Nabe 40A der Leitschaufelstruktur und dem Verlängerungsrohr 80 und dem röhrenförmigen Teil des Kupferkörpers 61 vorhanden, der in der Weise, die nun beschrieben werden soll, eine Verlängerung des Wasserströmungsdurchlasses durch das vordere Ende der mittigen Struktur darstellt.
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Das innere Kupferstück 61 des Nasenabschlusses der mittigen Struktur ist mit einem zentralen Wasserströmungsdurchlass 63 gebildet, der über ein Verbindungsrohr 70 mit dem inneren Ende des zentralen Wasserzuleitungsdurchlasses 52 verbindet, um Wasser von dem Kanal 52 aufzunehmen und es zur Spitze der Nase zu leiten. Das Nasenstück 61 ist mit vorstehenden Rippen 64 gebildet, die gleitend in der Nasenummantelung 62 angebracht sind, um einen einzelnen durchgehenden Kühlwasserströmungsdurchlass 65 zwischen dem inneren Abschnitt 61 und der äußeren Nasenummantelung 62 zu definieren. Die Rippen 64 sind in der Weise geformt, dass der einzelne durchgehende Durchlass 65 als ringförmige Durchlasssegmente 66 verläuft, die durch Durchlasssegmente 67 miteinander verbunden sind, die sich von einem ringförmigen Segment zum nächsten neigen. Somit verläuft der Durchlass 65 von der Spitze der Nase in einer Spirale, die um die Nase und zurück an der Nase entlang spiralförmig verläuft, obwohl sie keine regelmäßige Schraubenform aufweist.
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Das hintere Ende des Kupferstücks 61 ist mit einem einteiligen zylindrischen Ansatz 104 gebildet, in dem ein kurzer Längsdurchlass 85 verläuft, der an seinem vorderen Ende durch einen Anschluss 86 mit dem hinteren Ende des Nasenkühlwasserdurchlasses 65 und an seinem hinteren Ende durch einen Anschluss 87 mit dem ringförmigen Raum 90 in der Nabe 40A der Leitschaufelstruktur verbunden ist. Die Anordnung bildet eigentlich eine nach innen weisende seitlich Stufe in dem Strömungsdurchlass. Kühlwasser vom Durchlass 65 kann somit über den Anschluss 86, den Durchlass 85 und den Anschluss 87 in den ringförmigen Raum 90 strömen und auf diese Weise die nach außen gerichtete Strömung von Kühlwasser zu den Leitschaufeln über die in Umfangsrichtung beabstandeten Schlitze 84 und die Nut 83 in der Rippe 82 leiten. Genauer gesagt, der zylindrische Ansatz 104 verläuft im Prinzip durch einen ringförmigen vorderen Endabschnitt des zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlasses 54 mit dem Ergebnis, dass das vordere Ende ein bogenförmiger Abschnitt 106 ist, wie in 5 zu sehen ist. Dieser bogenförmige Abschnitt 106 besitzt erste und zweite Endabschnitte 108, 110, die durch den zylindrischen Ansatz 104 getrennt sind. Aus 5 kann erkannt werden, dass die Anordnung die Wasserströmung von dem vorderen Ende des zweiten Kühlwasserzuleitungsdurchlasses 54 in die Schlitze 84, die mit der ringförmigen Nut 83 und den Kühlwasserdurchlässen in den Leitschaufeln in der Weise, die im Folgenden beschrieben werden soll, in Verbindung stehen, nicht drosselt. Der ringförmige Raum 90 ist durch einen lang gestreckten Ablenkstab 88 unterteilt, um eine spiralförmige Erweiterung des Kühlwasserdurchlasses 65 zu bilden, der um das vordere Ende der inneren Struktur unmittelbar in der Leitschaufelstruktur 40 und zurück zu einer ringförmigen Wasserauslasskammer 89 verläuft, die mit dem Wasserrückleitungsdurchlass 56 der mittigen Struktur verbindet. Der Wasserdurchlass 65 und die spiralförmige Erweiterung in dem ringförmigen Raum 90 bilden somit einen durchgängigen Kühlwasserströmungsdurchlass in dem vorderen Ende des mittigen Struktur, der in Rückwärtsrichtung von der Nase und in dem äußeren Umfang jenes Teils der mittigen Struktur verläuft, auf dem die Leitschaufeln angebracht sind, wodurch die Kühlung der Leitschaufelstruktur unterstützt wird, wobei die Umleitung durch den Durchlass 85 ermöglicht, dass dieser Durchlass die auswärts gerichtete Strömung von Kühlwasser zu den Leitschaufeln umlenkt.
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Die Zwangsströmung von Kühlwasser in einem einzigen kohärenten Strom durch den spiralförmigen Durchlass 65, der um den Nasenabschluss 35 der mittigen Struktur und an diesen entlang wieder zurück verläuft, stellt eine wirkungsvolle Wärmeableitung sicher und verhindert die Bildung von ”heißen Punkten” an der Nase, die auftreten würden, wenn zugelassen wird, dass sich das Kühlwasser an der Nase in zwei getrennte Ströme aufteilt. Bei der dargestellten Anordnung wird das Kühlwasser von dem Zeitpunkt, an dem es in die Nase 35 eintritt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem es aus der Naseaustritt, auf einen einzelnen Strom beschränkt.
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Der Aufbau der Leitschaufelstruktur 40 ist in den 8 bis 11 dargestellt. Jede Leitschaufel ist durch ein Paar von Seitenplatten 91 aus Edelstahl gebildet, die sich spiralförmig längs der Nabe 40A in der Richtung von vorn nach hinten erstrecken, und ist durch einen Deckstab 92, der um den äußeren Rand der Leitschaufel verläuft, und ein Paar von Prallstangen 93, 94, die den Innenraum der Leitschaufel zwischen den Seitenplatten in einen lang gestreckten inneren Kühlwasserströmungsdurchlass 95 unterteilen, getrennt. Die Kühlwasserdurchlässe 95 in den Leitschaufeln 34 verlaufen von Einlässen 96, die an den vorderen Enden der Leitschaufeln durch Schlitze ausgebildet sind, die durch die Nabe 40A verlaufen, um in die Kühlwassereinlasskammer 83 der Leitschaufel einzumünden, zu Auslässen 97, die durch Schlitze in der Nabe 40A an den hinteren Ende der Leitschaufeln ausgebildet sind, um in die Wasserauslasskammer 89 einzumünden, durch die Wasser von den Leitschaufeln zurück durch den Wasserrückleitungsdurchlass 56 zu dem hinteren Ende der mittigen Struktur 33 strömen kann. Leitbleche 93, 94 sind in der Weise gebildet, dass sich die Wasserströmungsdurchlässe 95 von den Einlässen 96 nach hinten entlang äußeren Teilen der Leitschaufeln zum hinteren Ende der Leitschaufeln, dann nach vorn zurück zu dem vorderen Ende der Leitschaufeln erstrecken, bevor sie wieder zurück längs der inneren Teile der Leitschaufeln zu den Auslässen 97 verlaufen. Dadurch wird eintretendes Kühlwasser zuerst zu den äußeren Kanten der Leitschaufeln geleitet, die am stärksten auf übermäßige Erwärmung und Schädigung empfindlich sind. Die Mehrwege-Strömungsdurchlässe 95 stellen außerdem sicher, dass alle Teile der Leitschaufeln wirkungsvoll gekühlt werden und sich keine Strömungsdurchlässe mit Wasserstau bilden können.
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Die innen wassergekühlten Edelstahl-Verwirbelungsleitschaufeln sind sehr robust und können Bedingungen mit äußerst hohen Temperaturen und Abrieb infolge von Sand und anderen Materialien, die von dem in das Strahlrohr geblasene Heißgas mitgeführt werden, widerstehen. Die Leitschaufeln können für eine maximale Lebensdauer mit einem Hartauftrag versehen sein.
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Die innere Struktur ist mit einem äußeren Wärmeschutzschild 91 versehen, das aus wärmebeständigen Material 92 gebildet ist, das in einem äußeren Gehäuse 93 aus gegen hohe Temperaturen resistentem Edelstahl eingeschlossen ist, um gegen eine Wärmeübertragung von der in den Kanal 31 eintretenden Heißgasströmung in das Kühlwasser, das in der mittigen Struktur 33 strömt, zu schützen. Das Wärmeschutzschild verringert die Wärmeübertragung in das Wasser, das zu dem inneren Ende der mittigen Struktur und zu den Leitschaufeln strömt und isoliert außerdem das zurückkehrende Wasser gegen das Heißgas in dem Strahlrohr und minimiert somit die Belastung der Kühlkreise für das Kühlwasser.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6440356 [0002, 0040]
- US 6673305 [0002, 0040]
- US 2006-0108722- A1 [0046]
