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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft allgemein katalytische Wandler und insbesondere
Systeme, die eine axiale Stütze
für Katalysatoren
katalytischer Wandler vorsehen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Katalysatorstrukturen
werden zur Förderung einer
Vielfalt von Hochtemperaturprozessen eingesetzt, einschließlich Reaktionen,
wie z.B. die Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen, die vollständige Oxidation
von Kohlenwasserstoffen, für
Emissions- und Wirkungsgradkontrollen, für Reaktionen in katalytischen
Schalldämpfern,
Emissionskontrolle bei Automobilen und die katalytische Verbrennung
von Kraftstoffen zur weiteren Verwendung in Gasturbinen, Öfen und
dergleichen. Generell umfasst die katalytische Verbrennung ein Vermischen
von Kraftstoff und Luft und die Durchleitung dieses Gemischs durch eine
Katalysatorstruktur, um eine Verbrennungsreaktion zu bewirken. Als
ein Ergebnis des Verbrennungsprozesses werden sehr hohe Gastemperaturen
erzeugt. Diese hohen Gastemperaturen üben, obwohl sie sich günstig auf
die Turbineneffizienz auswirken, thermische Spannungen auf die Katalysatorstruktur aus.
Außer
den thermischen Spannungen ist die Katalysatorstruktur auch einer
sehr hohen Axialkraft in Richtung der Gasströmung unterworfen. Diese Axialkraft
rührt von
dem durch die in Längsrichtung
angeordneten Kanäle
der Katalysatorstruktur ausgeübten Widerstand
auf die Gasströmung
her. Einige Katalysatorstrukturen haben keine eigene Widerstandsfähigkeit
gegen diese axiale Belastung und müssen deshalb auf die typischerweise
stromabwärts
des Katalysators liegende Katalysatorstützstruktur vertrauen. Diese
Stützstruktur
ist den hohen thermischen und mechanischen Belastungen in der gleichen
Weise untenworfen, wie die Katalysatorstruktur und ihr Entwurf muss
diesen Belastungen und anderen wichtigen Leistungsbedingungen Rechnung
tragen.
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Bezogen
auf die 1 und 2 zeigt 1 einen
typischen katalytischen Verbrennungsreaktor 1. Wie dargestellt
ist in dem allgemein zylindrischen Verbrennungsreaktor 1 eine
Katalysatorstruktur 2 stromabwärts eines Vorbrenners 3 und
im Wesentlichen senkrecht zu der Strömung 4 eines sauerstoffhaltigen
Gases angeordnet. Typischerweise ist dieses Gas ein Luft-Kraftstoffgemisch,
wobei der Kraftstoff durch einen Kraftstoffinjektor 5 der
monolithischen Katalysatorstruktur 2 und der Luftstrom 11 mit
hoher Geschwindigkeit durch einen (nicht gezeigten) Kompressor zugeführt wird.
Die Katalysatorstruktur 2 ist so positioniert, dass ein
gleichförmiger Strom
des Luft-Kraftstoffgemischs
durch den Katalysator erzielt und das Gemisch durch Kanäle geleitet wird,
die sich in Längsrichtung
durch die Katalysatorstruktur 2 erstrecken. Damit die Position
der Katalysatorstruktur 2 in dem Verbrennungsreaktor 1 stabil bleibt,
müssen
gewisse Stützmittelarten
oder -strukturen die Katalysatorstruktur in dem Verbrennungsreaktor
festhalten, die als eine Möglichkeit
eine Stützstruktur 6 enthalten,
die an der Auslassseite 7 der Katalysatorstruktur anstößt, um die
auf den Katalysator einwirkende axiale Belastung abzustützen. In
der hier verwendeten Bedeutung ist die „Auslassseite" 7 der Katalysatorstruktur 2 die
Seite, wo das teilweise oder vollständig verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch aus
der Katalysatorstruktur 2 austritt. Deshalb ist die „Einlassseite" 8 der Katalysatorstruktur 2 die
Seite, wo das unverbrannte Luft-Kraftstoffgemisch anfänglich in
die Katalysatorstruktur 2 eingeleitet wird. Die Stützstruktur 6 hat
bevorzugt eine sehr offene Struktur, so dass sie die Gasströmung nur
geringstmöglich behindert.
Wie 2 zeigt, überträgt die Stützstruktur 6 diese
axiale Last auf eine zylindrische Struktur 9 über einen
Sims 10, der an der Innenseite der Zylinderwand oder -auskleidung 9 montiert
ist. Beispiele verschiedener Stützsysteme
sind in dem US-Patent Nr. 5 461 864 von Dalla Betta et al., US-Patent Nr.
6 116 014 von Dalla Betta et al. und im US-Patent Nr. 6 217 832
von Dalla Betta et al. beschrieben. Die Hochgeschwindigkeitsgasströmung 4 in
dem Verbrennungszylinder 9 erzeugt einen beträchtlichen Druckabfall über der
Katalysatorstruktur 2 und belastet deshalb die Katalysatorstruktur 2.
Es ist diese Last, der die Stützstruktur 6 widerstehen
können muss.
Um zu verstehen, wie dieser Druckabfall entsteht, wird nachstehend
eine typische Katalysatorkonstruktion beschrieben.
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Eine
typische Katalysatorstruktur 2 kann eine gerippte und gewickelte
Anordnung sein, die eine Vielzahl von in Längsrichtung angeordneten Kanälen für das durchströmende Verbrennungsgasgemisch
bildet. Wenigstens ein Teil der Kanäle ist auf ihren Innenwänden mit
einem Verbrennungskatalysator beschichtet. Beispiele typischer Katalysatorstrukturen
finden sich im US-Patent Nr. 5 250 489 von Dalla Betta et al., US-Patent
Nr. 5 511 972 von Dalla Betta et al., US-Patent Nr. 5 183 401 von
Dalla Betta et al., sowie im US-Patent Nr. 5 512 250 von Dalla Betta et
al. Im Allgemeinen wird gerippte Metallfolie mit einer Katalysatorschicht
beschichtet und dann spiralig zu einer zylindrischen Struktur gewickelt.
Solch eine Katalysatoreinheit hat längliche Kanäle für die Gasströmung. Beim
Durchströmen
des Gases durch die Einheit mit hoher Strömungsrate bewirkt der Widerstand
gegen die Gasströmung
eine axiale Belastung der Katalysatorstruktur 2, die die
Folie in der Strömungsrichtung
bewegen möchte.
Wenn die Katalysatorstruktur 2 an ihrem Außenumfang
an der Brennkammer angebracht ist und die Axialkraft den Reibungswiderstand
von Folie zu Folie in der gewickelten Struktur übersteigt, bewirkt diese Axialkraft
ein teleskopartiges Vorspringen der Katalysatorfolie in Richtung
der Gasströmung.
Der Druckabfall über
der Katalysatorstruktur 2 liegt typischerweise im Bereich von
6895 bis 34474 Pa (1 bis 5 pounds per square inch (psi)). Für ein Katalysatorsystem
mit einem Durchmesser von 38 cm (15 inches) würde dies eine auf den Katalysator
einwirkende Kraft von 800 N (180 lbs) bei einem Druckabfall von
6895 Pa (1 psi) und eine Kraft von 4003 N (900 lbs) bei einem Druckabfall von
34474 Pa (5 psi) ergeben. Wenn eine mehrstufige monolithische Katalysatorstruktur 2,
wie sie z.B. in dem US-Patent Nr. 5 183 401 von Dalla Betta et al. beschrieben
ist, als ein Katalysator mit einem Durchmesser von 51 cm (20 inch)
in einem kataly tischen Verbrennungsreaktor eingesetzt ist, in dem
die Strömungsrate
des Luft-Kraftstoffgemischs
etwa 22,6 kg/s (50 lbs/seconds) bei einem Druckabfall über dem
Katalysator von 27580 Pa (4 psi) ist, ergäbe sich die axiale Gesamtbelastung
auf den Katalysator zu etwa 5605 N (1260 lbs). Folglich muss die
Stützstruktur 6 eine
derartigen starken Axialkräften
unterworfene Katalysatorstruktur 2 stützen können.
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Es
sind nicht nur die auf die Stützstruktur
einwirkenden Axialkräfte
zu beachten, sondern auch die Temperaturen in Teilen der Brennkammer,
die bezogen auf die hochleistungsfesten Materialien sehr hoch sind.
Die Temperaturen der Katalysatorstruktur können sich im Betrieb rasch ändern, und
es kommen auch Temperaturen vor, die annähernd 1000°C betragen oder sogar darüber liegen.
Als Ergebnis sind bei der katalytischen Verbrennung Temperaturgradienten
recht üblich,
und deshalb ist es für
den Entwurf der Stützstruktur
wichtig, dass sie einer ungleichförmigen Temperatur widerstehen
kann. In 3 ist ein typischer Temperaturverlauf
bei einem Betrieb gezeigt, bei dem ein typisches Gasturbinensystem
unter Verwendung des in den 1 und 2 gezeigten
und oben beschriebenen Verbrennungssystems gestartet wird. 3 zeigt
die Temperaturübergänge mehrerer
Komponenten während des
Startverlaufs. Die Turbine wird zur Zeit 12 durch Zündung des
Vorbrenners 3 des in 1 gezeigten Brenners
gestartet. Die Linie 14 zeigt die mittlere Temperatur des
durch die Stützstruktur 6 strömenden Gases.
Die Linie 16 zeigt die Temperatur der zylindrischen Brennerauskleidung 9.
In 3 ist ersichtlich, dass die hohen Temperaturen
eine thermische Dehnung der relativ dünnwandigen ungekühlten Stützstruktur 6 um
einen beträchtlich
höheren
Betrag bewirken, als die Dehnung der dickwandigen Reaktionskammerwand 9,
die auf der einen Seite einen kühleren
Luftstrom hat. Als Ergebnis werden thermische Dehnungsunterschiede
zwischen den Komponenten erzeugt. Zur Überwindung dieses Problems und
um einen Bruch oder Verformung der Katalysatorstruktur 2 und
der Stützstruktur 6 zu
vermeiden, sind die Stützstruktur 6 und
die Katalysatorstruktur 2 im Allgemeinen so bemessen, dass
ihre Außendurchmesser
kleiner als der Innendurchmesser der Reaktionskammerwand ist, um
so die thermische Dehnung der Katalysatorstruktur 2 und
der Stützstruktur 6 während eines
solchen Hochtemperaturprozesses zuzulassen. Falls der Außendurchmesser der
Stützstruktur
zu groß ist,
kann sich diese nicht thermisch ausdehnen, was zu einer möglichen
Zerstörung
der Stützstruktur 6 selbst
und der Folien der Katalysatorstruktur 2 führen kann.
Es sind nicht nur die Dehnungsunterschiede zwischen den Komponenten
problematisch, sondern die Kombination der sehr hohen axialen Belastungen
und der hohen Temperaturen erzeugen auch beträchtliche Verformungen der Stützstruktur 6.
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4 veranschaulicht
beispielhaft eine Schnittansicht einer Katalysatorstützstruktur 18,
die monolithische offene Zellen oder eine honigwabenartige Struktur
hat, wie sie im Einzelnen in dem US-Patent Nr. 6 116 014 von Della
Betta et al. beschrieben ist. Die Stützstruktur 18 besteht
aus dünnen
Streifen 20 hochtemperaturfesten Metalls oder Keramik,
die an der Auslassseite der Katalysatorstruktur 2 anstoßen und
sich in der Richtung senkrecht zur Längsachse der Katalysatorstruktur
erstrecken, und damit im Wesentlichen die Auslassseite der Katalysatorstruktur 2 bedecken.
Die Streifen 20, die die Stützstruktur 18 bilden,
sind miteinander verschweißt
oder verlötet
und bilden eine monolithische Metallstruktur, bei der sich die verschweißten oder
verlöteten
flachen Abschnitt 22 der Streifen 20 berühren. Der
so verbundene Metallkörper
erzeugt, wenn er sich schnell ändernden
Temperaturen und Temperaturgradienten ausgesetzt ist, hohe thermische
Spannungen in der Honigwabenstruktur. Außerdem blockieren die sich
berührenden
flachen Abschnitte 22 eine unabhängige Dehnung und ein Zusammenziehen
einzelner Streifen aufgrund lokaler Wärmegradienten. Als Ergebnis
kann eine Spannungskonzentration an den sich berührenden flachen Abschnitten 22 zu
einer fehlerhaften Verbindung, zu Ermüdungserscheinungen, Bruch und
Verformungen führen.
Ein Gesamtausfall kann zum Ausfall des Teils, zur Verkürzung der
Betriebslebensdauer und zu einer möglichen Verlagerung eines Teils
der einzelnen Streifen 20 führen, wobei dabei ein freier
Körper
in dem System die stromabwärts
gelegene Turbine be schädigen kann.
Eine Verringerung der Anzahl der miteinander verbundenen redundanten
Strukturelemente erhöht den
Freiheitsgrad einzelner axialer Stützen oder Streben bei Dehnung
und Kontraktion in Reaktion auf lokale thermische Spannungen ohne
Spannungen auf benachbarte axiale Stützen oder Streben auszuüben. Die
Minimierung der miteinander verbundenen redundanten Strukturelemente
allein oder zusammen mit einer Konstruktion, die eine freie Dehnung und
Kontraktion individueller axialer Stützen gestattet, ist ein wichtiger
Entwurfsgesichtspunkt, der von den vorangehenden Erfindungen noch
nicht angesprochen wurde. Diese Erfindung erzielt eine Stützstrukturanordnung
mit axialen Stützen
oder Streben, die sich in Reaktion auf thermische Spannungen frei dehnen
und zusammenziehen können.
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Eine
damit im Zusammenhang stehende Entwurfsbetrachtung ist die Möglichkeit,
durch den Entwurf selbst Skalierbarkeit zu erreichen. Bei Verwendung
der oben beschriebenen honigwabenartigen Struktur, würde beispielsweise
eine Stützstruktur mit
größerem Durchmesser
eine bestimmte Anzahl zusätzlicher
Schweißstellen
brauchen. Eine kleinere Stützstruktur
mit kleineren Kanälen
würde das
Verschweißen
umständlicher
machen. Diese mit einer Vergrößerung oder
Verkleinerung der Struktur einhergehende Realität würde natürlich die Einfachheit der Herstellung
verringern und die Herstellungskosten der Stützstruktur erhöhen. Wie
immer ist eine Gestaltung gewünscht,
die nicht notwendigerweise die Kosten, die Zeit oder Schwierigkeit
der Herstellung bei einer Größenveränderung
erhöht.
Diese Erfindung führt
eine derartige Stützstrukturgestaltung
aus.
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Außerdem sollte
eine Katalysatorstützstruktur
den Luftstrom nur geringstmöglich
stören
und gleichzeitig eine gleichmäßige Abstützung erzielen. Wenn
die Streben der Stützstruktur über der
Stirnseite des Katalysators recht weit beabstandet sind, werden
sich hohe örtliche
Kontaktkräfte
oder Spannungen ergeben. In bestimmten Abschnitten können diese
Kontaktkräfte
die Festigkeit der dünnen
Katalysatorfolie übersteigen
und diese bei hohen Belastun gen verformen. Eine Lösung dieses
Verformungsproblems der Katalysatorfolie ist das Anbringen von mehr
stützenden
Axialstreben, um die Kontaktspannung mit der Katalysatorfolie an
der Auslassseite des Katalysators zu verringern. Jedoch führt eine
vermehrte Anzahl von Axialstreben zum Blockieren der Gasströmung und
erhöht
den Gesamtdruckabfall im Verbrennungssystem. Bei der honigwabenartigen Gestalt
variiert der Abstand von Strebe zu Strebe stark. Z.B. stoßen die
Streifen 22 an den Lötstellen aneinander
und erzeugen in Wirklichkeit relativ zu den ungelöteten Stellen
eine ungleichmäßige Strebe. Außerdem erhöht sich
die Gasströmungsblockage an
den Löt-
oder Schweißstellen 22,
wo sich die Streifendicke zumindest verdoppelt. Die Verdopplung der
Dicke ergibt keine gleichförmige
Stütze,
so dass die Tendenz herrscht, dass sich der Wirkungsgrad der Gasturbine
mit sich abschwächender
Luftströmung
verringert.
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Es
ist somit wünschenswert,
eine Stützstruktur
zu entwerfen, die die geringstmögliche
Einschränkung
der Luftströmung
durch den Katalysator, eine gleichförmige Abstützung der Katalysatorfolien
und geringere Spannungskonzentrationen mit weniger Glieder erzielt,
die sich in Reaktion auf lokale Wärmegradienten frei ausdehnen
und zusammenziehen können.
Die Konstruktion dieser Erfindung zielt auf die Erfüllung der
zuvor erwähnten
zusätzlichen
Anforderungen an die Konstruktion und Gestaltung der Katalysatorstützstruktur.
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US 5 505 910 A beschreibt
eine Stützstruktur zum
Stützen
einer Katalysatorstruktur in einem katalytischen Reaktor, welche
Stützstruktur
ein Zentrum und einen Umfang und eine Vielzahl radial um das Zentrum
angeordneter Streben aufweist, die jeweils ein proximales Ende und
ein distales Ende haben, das sich bis hin zum Umfang erstreckt.
EP 0 775 807 A beschreibt
ebenfalls eine ähnliche
Struktur; in dem der
16(b) entsprechenden
Ausführungsbeispiel weist
diese Stützstruktur
zwei radial um das Zentrum angeordnete und das Zentrum berührende primäre Streben
und zwei sekundäre
Streben auf, die das Zentrum nicht berühren aber mit beiden Enden
den Umfang kontaktieren.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung sieht eine Stützstruktur
zum Stützen
einer Katalysatorstruktur in einem katalytischen Reaktor in Übereinstimmung
mit Anspruch 1 vor. Diese Erfindung erzielt auch einen katalytischen Reaktor
in Übereinstimmung
mit Anspruch 10 und eine Gasturbine in Übereinstimmung mit Anspruch 11,
die einen derartigen katalytischen Reaktor aufweist. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Stützstruktur
sind in abhängigen
Ansprüchen
2 bis 9 angegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorangehenden und andere Vorteile der Erfindung werden beim Lesen
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung durch den Bezug auf
die Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines katalytischen Verbrennungsreaktors;
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2 eine
schematische Ansicht eines Teils eines katalytischen Verbrennungsreaktors;
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3 einen Übergangszustand
im Betrieb, der den zeitlichen-Temperaturverlauf
einer Brennerwandauskleidung oder Brennkammer und der Stützstruktur
veranschaulicht;
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4 eine
Schnittansicht einer dem Stand der Technik zugehörenden katalytischen Reaktorstützstruktur
entlang einer Axialrichtung;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Stützstruktur
dieser Erfindung;
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6a eine
Ansicht in axialer Richtung der Stützstruktur dieser Erfindung;
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6b eine
Ansicht entlang einer axialen Richtung einer erfindungsgemäßen Stützstruktur;
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7 eine
perspektivische Darstellung eines Abschnitts einer Stützstruktur
dieser Erfindung;
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8 eine
Schnittansicht entlang einer axialen Richtung eines Abschnitts der
Stützstruktur
dieser Erfindung;
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9 eine
perspektivische Ansicht einer Lötfahnen-
und Strebenverbindung dieser Verbindung;
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10 eine
perspektivische Ansicht eines Expansionskupplungsglieder verwendenden
Abschnitts einer Stützstruktur
dieser Erfindung;
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11a eine Ansicht eines Abschnitts der Stützstruktur
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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11b eine Ansicht eines Abschnitts einer Stützstruktur
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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11c eine Ansicht eines Abschnitts einer Stützstruktur
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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12 eine
Ansicht einer Stützstruktur
dieser Erfindung in axia ler Richtung;
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13 eine
Ansicht einer Stützstruktur
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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14 eine
Ansicht einer Stützstruktur
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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15 eine
Ansicht einer Stützstruktur
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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16 eine
perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Stützstruktur
dieser Erfindung;
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17 eine
Ansicht einer Strebenaußenverbindung
dieser Erfindung in einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung;
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18a eine Ansicht einer Strebenaußenverbindung
dieser Erfindung in einer Richtung senkrecht zu einer Axialrichtung;
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18b eine Ansicht einer Strebenaußenverbindung
dieser Erfindung in axialer Richtung;
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19 eine
Ansicht einer Strebenaußenverbindung
dieser Erfindung in einer Richtung senkrecht zu einer Axialrichtung;
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20a eine Ansicht einer Strebenaußenverbindung
dieser Erfindung in einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung;
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20b eine Ansicht einer Strebenaußenverbindung
dieser Er findung entlang in axialer Richtung;
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21 eine
Ansicht einer Teststützstruktur dieser
Erfindung in axialer Richtung;
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22 eine
perspektivische Ansicht eines Modell mit finiten Elementen einer
Stützstruktur
dieser Erfindung; und
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23 eine
perspektivische Ansicht einer katalytischen Verbrennungseinheit
mit einer Stützstruktur
der Erfindung.
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Während die
Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen unterworfen
ist, wurden hier spezifische Varianten beispielhaft in den Zeichnungen
gezeigt, und diese werden hier beschrieben. Es sollte jedoch verständlich sein,
dass diese Erfindung nicht auf die hier beschriebenen besonderen
Formen beschränkt
ist. Stattdessen ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente
und Alternativen innerhalb des durch die beiliegenden Ansprüche definierten
Geists und Umfangs der Erfindung umfasst.
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BESCHREIBUNG
DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Diese
Erfindung sieht für
einen Katalysator eine axiale Stützstruktur
vor, die aus rechtwinklig geformten Stangen oder Streben besteht,
die in einer modifizierten radialen Weise so angeordnet sind, dass
sich alle Streben bei Temperaturveränderungen frei thermisch dehnen
und zusammenziehen können. Übereinstimmend
mit dieser Erfindung bildet eine einzigartige Anordnung von Stützstreben
eine Stützstruktur,
die die Auslassseite der Katalysatoreinheit zurückhält.
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Ein
repräsentatives
Beispiel einer Katalysatorstützstruktur 100 ist in
den 5 und 6a gezeigt. Die Stützstruktur 100 enthält eine
Vielzahl Streben 102, die um ein Zentrum 104 angeordnet
sind. Ein Außenumfang 106 ist
in 6a gezeigt. Jede Strebe 102 enthält ein proximales
Ende 108 und ein distales Ende 110. Das proximate
Ende 108 jeder Strebe 102 liegt nahe des Zentrums 104 relativ
zum distalen Ende 110, das nahe dem Umfang 106 liegt. Am
proximalen Ende 108 jeder Strebe 102 liegt ein Schnittpunkt 112 mit
einer anderen Strebe oder Streben 102, und das distale
Ende 110 jeder Strebe 102 erstreckt sich zum Umfang 106 hin.
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In
einer in 6b gezeigten Variante sind die
Streben 102 unter Bildung eines Ellbogens 103 so
gebogen, dass ihre distalen Enden 110 im Wesentlichen rechtwinklig
zum Umfang 106 stehen. Dabei brauchen nicht alle Streben 102 einen
Ellbogen 103 enthalten. Z.B. stehen Streben 102,
die im Wesentlichen radial laufen, bereits im Wesentlichen senkrecht
zum Umfang. Wenigstens eine Strebe dieser Variante enthält einen
Ellbogen 103.
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Obwohl
der Umfang 106 in 6A kreisförmig ist,
ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und der Umfang 106 kann
jede Form bilden. Generell ist der Umfang 106 so gewählt, dass
er im Wesentlichen mit der Querschnittsform des (nicht gezeigten)
Brenners übereinstimmt,
in dem die Stützstruktur 100 liegt.
Der Umfang 106 umfasst die Vielzahl der Streben 102 und
definiert eine Fläche 113.
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In
einer in 7 dargestellten Variante liegt ein
Außenring 114 an
dem Umfang 106. In dieser Variante sind die distalen Enden 110 wenigstens
einiger Streben 102 mit dem Außenring 114 verbunden.
Zusätzlich
zum Schweißen,
Löten,
Schrauben, Heften oder Nieten können
die Streben 102 mit dem Außenring 114 durch
die Anwendung der nachstehend beschriebenen neuen Konstruktionen
gekoppelt sein. Der in 7 gezeigte Außenring 114 ist
gerippt und enthält
eine Reihe sich abwechselnder Erhebungen 116 und Wannen 118.
Die Streben 102 sind mit dem Außenring 114 an den
Wannen 118 so verbunden, dass eine Bewegung oder thermische
Dehnung oder Kontraktion der Streben den Außenring 114 an dem Ort
der Wannen 118, an dem die Strebe angebracht ist, verbiegt.
Diese Bewegung oder thermische Dehnung oder Kontraktion der Streben
kann den Außenring 114 verbiegen
und erlaubt dadurch eine Bewegungsfreiheit, die die Spannungsverformung
verringert. Natürlich
erlaubt der Außenring 114 eine
individuelle Dehnung der Streben.
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Das
Zentrum 104, wie es in den 5 und 6a gezeigt
ist, bildet eine singuläre
Kreuzung 120. Diese Erfindung ist aber, wie in 8 gezeigt ist,
nicht darauf beschränkt,
und das Zentrum 104 kann eine Nabe 122 mit kreisförmiger Querschnittsform
bilden, welche eine Vielzahl von Kreuzungen 120 abstützt. Natürlich ist
die Form der Nabe 122 nicht auf die Kreisform beschränkt und
kann jede Form haben. Die Nabe 122 kann optional an einer (nicht
gezeigten) zentralen Spindel angebracht sein, um die axiale Last
stromaufwärts
zu einer zweiten Stützstruktur
zu übertragen.
Zusätzlich
muss die Gesamtform der Stützstruktur 100 nicht
kreisförmig sein.
Das Zentrum 104 muss nicht notwendigerweise mit dem geometrischen
Mittelpunkt der Stützstruktur übereinstimmen.
Das Zentrum ist eine zentrale Kreuzung oder eine Nabe, die im geometrischen
Zentrum der Stützstruktur
liegen kann oder nicht.
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Bezogen
auf die 6a und 8 wird die Anordnung
der Streben 102 nun im Einzelnen beschrieben. In der Anordnung
der Vielzahl der Streben 102 der Stützstruktur 100 ist
eine lange oder Primärstrebe 124 mit
gleichartigen Primärstreben 126, 128, 130, 132 und 134 an
einer Einzelkreuzung 120 verbunden, die mit dem Zentrum 104 übereinstimmt,
wie es in 6 gezeigt ist. Alternativ
können,
wie 8 zeigt, Primärstreben 124, 126, 128, 130, 132 und 134 an
separaten Kreuzungen 136, 138, 140, 142, 144 und 146 verbunden
sein, die jeweils auf der Nabe 122 liegen. In jedem Fall
ragen die Primärstreben 124, 126, 128, 130, 132 und 134 von
einer Kreuzung 120 an ihrem proximalen Ende hin zum Umfang 106 an
ihren distalen Enden. Die Streben können an ihren distalen Enden
auf den Umfang treffen. Die Primärstreben 124, 126, 128, 130, 132 und 134 sind
geradlinig und taufen bevorzugt radial bezogen auf das Zentrum 104.
Alternativ laufen die Primärstreben nicht
radial, sondern sind von der Radialrichtung leicht versetzt. Außerdem müssen die
Primärstreben nicht
geradlinig sein, sondern können
z.B. gekurvt oder gerippt sein oder zumindest einen Winkel haben.
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Eine
kürzere
oder Sekundärstrebe 148 ist
an der Kreuzung 150 am proximalen Ende 152 der
Primärstrebe 124 angebracht
und erstreckt sich mit ihrem distalen Ende 154 zum Umfang 106.
Die Sekundärstrebe 148 ist
kürzer
als die Strebe 124 und an der Primärstrebe 124 unter
einem Winkel Θ angebracht. Eine
relativ zur Sekundärstrebe 148 kürzere Sekundärstrebe 156 ist
mit ihrem proximalen Ende 160 an der Kreuzung 158 an
der Sekundärstrebe 148 angebracht
und erstreckt sich mit ihrem distalen Ende 162 zum Umfang 106 hin.
Die Sekundärstrebe 156 ist
an der Sekundärstrebe 148 unter
einem Winkel Θ so
angebracht, dass sie im Wesentlichen parallel zur Strebe 124 verläuft und
zu dieser einen im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand S hat.
Eine Sekundärstrebe 164,
die kürzer
ist, als die Sekundärstrebe 156,
ist mit ihrem proximalen Ende 168 an letzterer an einem Kreuzungspunkt 166 angebracht
und erstreckt sich mit ihrem distalen Ende 170 zum Umfang 106.
Die Strebe 164 ist unter einem Winkel Θ bezogen auf die Sekundärstrebe 156 so
angebracht, dass sie im Wesentlichen parallel zur Strebe 148 verläuft und
zu dieser im Wesentlichen den gleichbleibenden Abstand S hat. Eine
Sekundärstrebe 172,
die kürzer
ist, als die Sekundärstrebe 164,
ist mit ihrem proximalen Ende 176 an letzterer an einem
Kreuzungspunkt 174 angebracht und erstreckt sich mit ihrem
distalen Ende 178 zum Umfang 106 hin. Die Strebe 172 ist
unter einem Winkel Θ so
angebracht, dass sie im Wesentlichen parallel zu den Streben 124 und 156 läuft und
im Wesentlichen von der Strebe 156 den gleichbleibenden Abstand
S hat. Eine Sekundärstrebe 180,
die kürzer ist
als die Sekundärstrebe 172,
ist mit ihrem proximalen Ende 184 an letzterer an einem
Kreuzungspunkt 182 angebracht und erstreckt sich mit ihrem
distalen Ende 186 zum Umfang 106 hin. Die Strebe 180 ist unter
einem Winkel Θ so
angebracht, dass sie im Wesentlichen parallel zu den Streben 148 und 164 verläuft und
im Wesentlichen den gleichbleibenden Abstand S zur Strebe 164 hat.
Eine Strebe 188, die kürzer
als die Strebe 180 ist, ist mit ihrem proximalen Ende 192 an
letzterer an einem Kreuzungspunkt 190 angebracht und erstreckt
sich mit ihrem distalen Ende 194 zum Umfang 106 hin.
Die Strebe 188 ist unter einem Winkel Θ so befestigt, dass sie im
Wesentlichen parallel zu den Streben 124, 156 und 172 verläuft und
zu letzterer einen im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand S hat.
Diese Anordnung kann sich wiederholen und eine vorgewählte Anzahl Streben
bei gegebenen variablen Entwurfsparametern, wie z.B. Durchmesser
der Stützstruktur
und Abstand S enthalten.
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Die
Verzweigung der Primärstreben
mit zunehmendem Abstand vom Zentrum 104 ist so gewählt, dass
der Abstand S zwischen den Streben im Wesentlichen konstant ist.
Dies sorgt für
eine fast konstante Spanne der Katalysatorfolie zwischen den Streben
und deshalb für
eine konstante Kraft zwischen den Katalysatorfolien und den Streben.
Die Kontaktspannung zwischen dem Katalysator und der Kante jeder
Strebe kann durch geeigneten Entwurf, insbesondere durch eine Auswahl
der Trennung zwischen den Streben, der Dicke der Streben und der Dicke
der Katalysatorfolie justiert werden. Die Dicke der Streben ist
bevorzugt so gewählt,
dass sie die örtliche
Strömung
an der Kontaktstelle nicht wesentlich beschränkt und eine glatte Strömung an
der stromabwärtigen
Strebenkante erreicht. Die vorhandene geometrische Anordnung kann
vorteilhafterweise auf jeden Durchmesser vergrößert werden, ohne die Kontaktspannung
an dem Außenumfang
oder die Blockage in der Nähe
der zentralen Kreuzung zu erhöhen.
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Aus 6a erkennt
man, dass die oben beschriebene Anordnung ein verzweigtes Segment 196 bildet,
das sich von jeder Primärstrebe 124, 126, 128, 130, 132 und 134 erstreckt.
Insgesamt umfasst die Anordnung jedes verzweigten Segments 196 eine Primärstrebe
und eine Vielzahl Sekundärstreben, wobei
die Primärstrebe
an ihrem proximalen Ende mit dem Zentrum ver bunden ist und sich
mit ihrem distalen Ende zum Umfang hin erstreckt und wobei jede
folgende Sekundärstrebe
mit der vorangehenden Strebe so verbunden ist, dass das proximate Ende
jeder folgenden Sekundärstrebe
mit der vorangehenden Strebe unter einem Winkel Θ und mit einem Abstand D vom
proximalen Ende der vorangehenden Strebe so verbunden ist, dass
abwechselnd Streben im Wesentlichen parallel zueinander unter Einhaltung
eines Abstands S verlaufen und so, dass sich die distalen Enden
aller Streben zum Durchmesser hin erstrecken. Tatsächlich bildet
jedes Segment 196 zwei Sätze paralleler Streben. 6a zeigt sechs
Primärstreben 124, 126, 128, 130, 132 und 134 und
die gleiche Anzahl verzweigter Segmente 192 um das Zentrum 104.
Jedoch brauchen nicht alle Primärstreben
Sekundärstreben
tragen, wie dies nachstehend bezogen auf eine andere Variante der Stützstruktur
deutlich wird.
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An
den Kreuzungen sind die Streben durch Schweißen, Löten, Schrauben, Heften oder
Nieten miteinander gekoppelt. In einer Variante werden Lötfahnen
verwendet. 9 veranschaulicht eine Lötfahne 198.
Die Lötfahne 198 ist
bevorzugt aus einem Stück
eines dünnen
Metallblattes gebildet, das aus derselben Metalllegierung, wie die
Streben, oder aus einem Material mit geeigneter Festigkeit, Formbarkeit,
Lötbarkeit
u.s.w. besteht. Die Lötfahne 198 enthält zwei
Flansche 200, die schwalbenschwanzartig einen Strebenaufnahmeteil 202 bilden.
Zwei Laschen 204 sind zum Umfalten um eine Strebe 206 eingerichtet,
an der die Lötfahne 198 angebracht
wird. Zumindest eine zusätzliche
Lasche 208 ist zur weiteren Befestigung einer in der Lötfahne 198 aufgenommenen
Strebe 210 enthalten. Die Lötfahne 198 kann durch
Punktschweißen
mit der Strebe 206, an der sie angebracht ist, verschweißt werden.
Eine Strebe 210 wir dann in den Strebenaufnahmeteil 202 der
Lötfahne 198 gesteckt
und dann wird die Struktur in einem Ofen bei hoher Temperatur verlötet, so
dass die Streben ihren Ort einnehmen. Obwohl sie hier als Lötfahne 198 bezeichnet
ist, ist deutlich, dass sie nicht nur zum Löten verwendet werden kann.
In einer Variante kann sich eine in den Strebenaufnahmeteil 202 eingesteckte
Strebe in Reaktion auf thermische mechanische Spannungen frei ausdehnen
und zusam menziehen.
-
Alternativ
sind, wie in 10 gezeigt ist, die Streben
durch Expansionskupplungen verbunden. Natürlich kann jede Kombination
aus Schweißen,
Löten,
Heften, Schrauben, Nieten und Expansionskupplungen eingesetzt werden.
Der Ersatz von Schweißverbindungen
mittels Expansionsverbindungen erhöht die Freiheit der Strebenbewegung,
wie sie von der axialen Belastung und thermischen Expansion und
Kontraktion herrührt.
Die Expansionsverbindungen können
auch Spannungskonzentrationen vermindern. Bezogen auf 10 wird
eine beispielhafte Schnittansicht einer Stützstruktur 212 gezeigt, die
die Anwendung von Expansionskupplungen veranschaulicht. Generell
enthält
eine Primärstrebe 214 an
ihrem proximalen Ende 216 zumindest eine Zunge 218,
die in wenigstens einen in einer Nabe 222 gebildeten Schlitz 220 passt.
Wie gezeigt, enthält
die Primärstrebe 214 zwei
Zungen 218, die von zwei Schlitzen 220 aufgenommen
sind, die an einander entsprechenden Stellen in der Nabe 222 gebildet
sind. Die Nabe 222 enthält,
wie dargestellt, weiterhin wenigstens einen Vorsprung 224,
der auf wenigstens einer Seite der Primärstrebe 214 liegt
und der eine Seitenbewegung der Primärstrebe 214 verhindert.
Expansionskupplungen ermöglichen
eine wesentliche Expansion oder Kontraktion der Primärstrebe 214 relativ
zur Nabe 222. Die Primärstrebe 214 enthält auch einen
Schlitz 226, der eine Zunge 228 einer folgenden
Sekundärstrebe 230 aufnimmt.
Die Primärstrebe 214 ist
an ihrem distalen Ende 234 mit einem Außenring 232 durch
Schweißen,
Löten oder
durch eine Schwalbenschwanzverbindung gekoppelt. Details der verschiedenen
neuen Verbindungen mit dem Außenring 232 werden
nachstehend beschrieben und können
auch eingesetzt werden. Die Primärstrebe 214 kann
auch wenigstens einen (nicht gezeigten) Vorsprung enthalten, der
bei der Festlegung der Sekundärstreben
hilft.
-
Die
Sekundärstrebe 230 enthält an ihrem proximalen
Ende 236 mindestens eine Zunge 228 und einen Schlitz 226,
der zur Aufnahme der Zunge 228 der nächsten Sekundärstrebe 230 eingerichtet ist.
Der Schlitz 226 in der Sekundärstrebe 230 liegt zwischen
ihrem proximalen Ende 236 und ihrem distalen Ende 238.
Das distale Ende 238 der Sekundärstrebe 230 ist mit
dem Außenring 232 gekoppelt.
Die letzte der aufeinander folgenden Sekundärstreben 230 hat keinen
Schlitz 226. Die Zungen und Schlitze der Primärstreben
und Sekundärstreben
sind so bemessen, dass sie ein Ausrücken der Strebe und ein Anstoßen einer
sich bewegenden oder expandierenden Strebe an einer Strebe oder
am Außenring,
mit dem sie gekoppelt ist, verhindert und gleichzeitig alle Streben
am Platz hält.
Expansionskupplungen, wie die Zunge und die Nut, ermöglichen
eine substanzielle Bewegung, Expansion oder Kontraktion einer Sekundärstrebe
relativ zu der Strebe, mit der sie verbunden ist.
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11a zeigt ein verzweigtes Segment 240, das
eine Variante des oben beschriebenen verzweigten Segments 196 ist.
Das verzweigte Segment 240 enthält eine Primärstrebe 242 und
mehrere Sekundärstreben 244.
Die Primärstrebe 242 ist
gewellt und enthält
ein proximales Ende 246, das mit einem Zentrum oder einer
Nabe (nicht gezeigt) verbunden ist. Ein distales Ende 252 der
Primärstrebe 242 erstreckt sich
in einem Zickzackmuster zu einem Umfang 254. Die Primärstrebe 242 enthält eine
erste Seite 256 und eine zweite Seite 258. Jede
Sekundärstrebe 242 hat
ein proximales Ende 260 und ein distales Ende 262.
Das proximale Ende 260 jeder Sekundärstrebe 244 ist an
einer Kreuzung 264 an der Primärstrebe 242 angebracht.
Jede folgende Kreuzung 264 entlang der Primärstrebe 242 ist
gleich beabstandet. Alternativ sind, wie 11b zeigt,
die Sekundärstreben 244 so
angebracht, dass die Kreuzungen 264 überlappende Verbindungen sind,
die geschweißt,
gelötet,
verschraubt, geheftet oder genietet sein können. Nichtsdestoweniger sind
die Sekundärstreben 244 so
angeordnet, dass sie sich von der ersten Seite 256 der
Primärstrebe 246 im
Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, und die von der zweiten
Seite 258 ragenden Sekundärstreben 244 sind
untereinander im Wesentlichen parallel und alle die distalen Ende 262 erstrecken
sich zum Umfang 254.
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Eine
andere Variante ist in 11c gezeigt. Diese
Variante veranschaulicht, dass eine Sekundärstrebe eine gewellte Strebe
sein kann. Z.B. enthält das
verzweigte Segment 241 eine Primärstrebe 243 und mehrere
Sekundärstreben 245.
Jede Sekundärstrebe 245 hat
ein proximales Ende 261 und ein distales Ende 263.
Die Primärstrebe 243 ist
geradlinig und enthält
ein proximales Ende 247, welches mit einem (nicht gezeigten)
Zentrum oder einer Nabe verbunden ist. Ein distales Ende 253 der
Primärstrebe 243 erstreckt
sich zum Umfang 255 hin. Zumindest eine Sekundärstrebe 249 ist
gewellt (durch eine ausgezogene Linie dargestellt) und ist mit einer
weiteren Sekundärstrebe 255 verbunden,
obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und die gewellte Sekundärstrebe
mit der Primärstrebe 243 verbunden sein
kann. Im Umfang der Erfindung liegt jede Variante, bei der eine
Sekundärstrebe
gewellt ist. Die gewellte Sekundärstrebe 249 enthält eine
erste Seite 257 und eine zweite Seite 259. Das
proximale Ende 261 liegt relativ zu ihrem distalen Ende 263 nahe
des (nicht gezeigten) Zentrums. Das proximate Ende 261 jeder
Sekundärstrebe 245 ist
an einer Kreuzung 265 mit der gewellten Sekundärstrebe 249 verbunden. Jede
folgende Kreuzung 265 entlang der gewellten Sekundärstrebe 242 ist
gleichmäßig beabstandet, obwohl
die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Außerdem ist die Erfindung, obwohl 11c eine gewellte Sekundärstrebe 249 mit einer
gewissen Anzahl von Biegestellen zeigt, nicht darauf beschränkt, und
die Strebe 249 kann weniger oder mehr Biegestellen innerhalb
des Umfangs der Erfindung haben. Natürlich können bei einer anderen Variante,
wie in 11b gezeigt, die Sekundärstreben 245 an
den Kreuzungen 265 mit gelappten Verbindungen angebracht
sein, die geschweißt,
gelötet,
geschraubt, geheftet oder genietet sein können. Nichtsdestoweniger sind
die Sekundärstreben 145 so
angebracht, dass sie sich von der ersten Seite 257 der
gewellten Sekundärstrebe 249 im
Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, und die von der zweiten
Seite 259 ragenden Sekundärstreben 245 sind
im Wesentlichen parallel zueinander, und alle distalen Ende 263 erstrecken
sich zu dem Umfang 255 hin.
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Obwohl
in den 5 und 6 sechs verzweigte Segmente
gezeigt sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und
jede Anzahl verzweigter Segmente ist möglich, insbesondere, wenn die
Stützstruktur größer wird.
Z.B. zeigt 12 eine Stützstruktur 266 mit
drei verzweigten Segmenten 268. Gemäß 13 weist
eine Stützstruktur 272 zwei
verzweigte Segmente 274 auf. Bei dieser Variante trägt jede
folgende Sekundärstrebe 276,
die an einer Primärstrebe 278 angebracht
ist, Sekundärstreben 280 an
ihren beiden Seiten. Die verzweigten Segmente 268 und 274 dieser
Varianten verwenden alle hier beschriebenen Vorteile oder gewählte Kombinationen
derselben.
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Bezugnehmend
auf 14 wird noch eine andere Variante einer Stützstruktur 282 beschrieben. Die
Stützstruktur 282 enthält ein Zentrum 284,
das gemäß 14 als
eine Nabe 286 mit kreisförmigen Querschnitt ausgebildet
ist. Natürlich
braucht das Zentrum 284 keine Nabe 286 sein, sondern
kann zum Beispiel eine Einzelkreuzung sein. Zusätzlich muss die Gesamtform
der Stützstruktur 282 nicht kreisförmig sein.
Das Zentrum 284 stimmt nicht notwendigerweise mit dem geometrischen
Mittelpunkt der Stützstruktur überein.
Das Zentrum ist eine zentrale Kreuzung oder eine Nabe 286,
die an dem geometrischen Mittelpunkt der Stützstruktur liegen kann oder
nicht. Die Stützstruktur 282 enthält auch
einen Außenumfang 288.
Die Stützstruktur 282 enthält außerdem drei
verzweigte Segmente 290, die um das Zentrum 284 orientiert
sind. Jedes verzweigte Segment 290 enthält eine Primärstrebe 292 und
mehrere Sekundärstreben 294.
Die Stützstruktur 282 enthält auch
drei Primärstreben 296,
die zwischen den verzweigten Segmenten 290 liegen. Jede
Primärstrebe 296,
die zwischen den verzweigten Segmenten 290 liegen, stützt keine
Sekundärstreben 294 und
bildet somit kein verzweigtes Segment 290. Obwohl diese verzweigten
Segmente 290 und die drei Primärstreben 296, die
keine Sekundärstreben 294 haltern,
dargestellt sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und
jede funktionsgerechte Anzahl verzweigter Segmente 290 und
Primärstreben 296,
die keine Sekundärstreben 294 tragen,
liegt im Rahmen dieser Erfindung.
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Weiterhin
bezogen auf 14 ist die Erfindung nicht auf
den kreisförmigen
Umfang 288 beschränkt.
Jede Form kann durch den Umfang 288 definiert sein. Der
Umfang 236 ist so gewählt,
dass er im Wesentlichen mit der Querschnittsform des (nicht gezeigten)
Brenners übereinstimmt,
in dem die Stützstruktur 282 liegt.
Der Umfang 288 umfängt
die Strebenanordnung und definiert eine Fläche 298. In einer Variante
liegt ein Außenring 300 am
Umfang 288. In dieser Variante sind wenigstens einige Streben
mit dem Außenring 300 gekoppelt.
Außer
durch Verschweißen,
Verschrauben, Löten,
Heften und Nieten können
die Streben mit dem Außenring 300 unter Verwendung
der hier beschriebenen neuen Konstruktionen gekoppelt sein.
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Nun
wird die Anordnung der Streben von 14 detailliert
beschrieben. Jedes verzweigte Segment 290 enthält eine
Primärstrebe 292 und mehrere
Sekundärstreben 294.
Die Primärstrebe 292 verläuft bevorzugt
geradlinig und radial, obwohl diese Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Die Primärstrebe 292 enthält ein proximales
Ende 302, das an einer Kreuzung 306 mit der Nabe 286 verbunden
ist. Ein distales Ende 304 der Primärstrebe 292 erstreckt sich
zum Umfang 288. Außerdem
enthält
die Primärstrebe 292 eine
erste Seite 308 und eine zweite Seite 310.
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Jede
Sekundärstrebe 294 hat
ein proximales Ende 312 und ein distales Ende 314.
Das proximate Ende 312 jeder Sekundärstrebe 294 ist an
einer Kreuzung 316 an der Primärstrebe 292 angebracht. Jede
folgende Kreuzung 316 entlang der Primärstrebe 292 zum Umfang 288 hin
hat den Abstand D. Bei einer Variante ist der Abstand D konstant,
und bei einer anderen Variante verändert sich der Abstand D. Die
Sekundärstreben 294 sind
so angeordnet, dass sie sich von der ersten Seite 308 der
Primärstrebe 292 im
Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, und die von der anderen
Seite 310 ragenden Sekundärstreben 294 sind
im Wesentlichen parallel zueinander, und die distalen Enden 314 alter
Sekundärstreben 294 erstrecken
sich bis zum Umfang 288.
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Die
zwischen den verzweigten Segmenten 290 liegenden Primärstreben 296 sind
so positioniert, dass sie im Wesentlichen parallel zu benachbarten Sekundärstreben 294 laufen.
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Die
Sekundärstreben 294 eines
verzweigten Segments 290 sind an der Primärstrebe 292 beispielsweise
durch Löten,
Schweißen,
Heften, Schrauben oder Nieten angebracht. Alternativ sind die Primärstreben 292 mit
in Axialrichtung sich erstreckenden (nicht gezeigten) Schlitzen
versehen. Die Schlitze haben eine Größe, um eine modifizierte Sekundärstrebe
aufzunehmen. Die modifizierte Sekundärstrebe ist v-förmig. Als
Ergebnis hat die modifizierte Sekundärstrebe zwei distale Enden,
wobei der Scheitel jeder abgewinkelten modifizierten Sekundärstrebe
eine Kreuzung mit der Primärstrebe
bildet, wenn die modifizierte Sekundärstrebe durch den Schlitz geht.
Der Schlitz kann dazu eingerichtet sein, die modifizierte Sekundärstrebe
ohne Löten
oder Schweißen
festzuhalten, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Diese alternative
Konstruktion hat Vorteile, da die modifizierte Sekundärstrebe
dennoch frei genug ist, um in Reaktion auf thermischen Gradienten
ohne die Erzeugung von Spannungskonzentrationen zu expandieren oder
sich zusammenzuziehen.
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Bezogen
auf 15 ist noch eine andere Variante einer Stützstruktur 318 gezeigt.
Die Stützstruktur 318 enthält ein Zentrum 320,
welches in 15 als eine Nabe 322 mit
kreisförmigem
Querschnitt dargestellt ist. Natürlich
muss das Zentrum 320 keine Nabe 322, sondern kann
beispielsweise eine einzelne Kreuzung sein. Zusätzlich muss die Gesamtform der
Stützstruktur 318 nicht
kreisförmig
sein. Das Zentrum 320 muss nicht notwendigerweise mit dem
geometrischen Mittelpunkt der Stützstruktur übereinstimmen.
Das Zentrum ist eine zentrale Kreuzung oder eine Nabe, die am geometrischen
Mittelpunkt der Stützstruktur
liegen kann oder nicht. Die Stützstruktur 318 enthält einen
Außenring 324,
der einen Außenumfang 326 definiert.
Die Stützstruktur 318 enthält sechs
Primärstreben 328,
jeweils mit einem proximalen Ende 330 und einem distalen
Ende 332. Das proximale Ende 330 liegt relativ
zum distalen Ende 332 nahe des Zentrums 320. Jede
Primärstrebe 328 ist an
ihrem proximalen Ende 330 unter Bildung einer Kreuzung 334 mit
der Nabe 322 und an ihrem distalen Ende 332 unter
Bildung einer Kreuzung 336 mit dem Außenring 324 verbunden.
Die Primärstrebe
ist bevorzugt radial und kann an der Nabe 322 und am Außenring
durch jede Kombination von Schweißen, Löten, Zunge-und-Schlitz-Verbindung oder durch eine
andere hier beschriebene oder durch eine einer auf diesem Gebiet
erfahrenen Person geläufige
Methode angebracht sein.
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Die
Stützstruktur 318 enthält auch
einseitig eingespannte Streben 338, die in 15 durch
den Buchstaben A gekennzeichnet sind. Wie gezeigt, liegen zwei einseitig
eingespannte Streben 338 zwischen Primärstreben 328, wobei
diese Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist, so lange wenigstens eine
einseitig eingespannte Strebe zwischen Primärstreben 328 liegt.
Jede einseitig eingespannte Strebe 338 ist mit ihrem distalen
Ende 340 mit dem Außenring 324 unter
Bildung einer Kreuzung 341 verbunden und ragt zum Zentrum 320 hin,
ihr proximales Ende 342 ist jedoch nicht mit dem Zentrum 320 verbunden.
Die einseitig eingespannten Streben 338 enden kurz vor
der Kreuzung mit der Nabe 322 und verhindern eine übermäßige Einschränkung der
Luftströmung
durch die Stützstruktur 318 in
der Nähe
des Zentrums 320, wo die Streben typischerweise näher beieinander
liegen. Die einseitig eingespannten Streben 338 sind bezogen
auf das Zentrum 320 bevorzugt radial und die Kreuzungen 336, 341 des
Außenrings 324 sowohl
mit den Primärstreben 328 als
auch mit den einseitig eingespannten Streben 338 sind um den
Außenring 324 gleichmäßig beabstandet.
Obwohl sechs Primärstreben 328 und
zwölf einseitig eingespannte
Streben 338 dargestellt sind, ist die Erfindung nicht darauf
beschränkt
und im Rahmen dieser Erfindung ist jede Anzahl möglich.
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Diese
Erfindung erzielt optional eine Verbindung oder eine Lastübertragungsanordnung
einzelner Streben der Stützstruktur
auf den Verbrennungszylinder oder Außenring an dem Stützstrukturumfang,
welche Freiheit bei thermischer Dehnung, die Übertragung axialer Last und
ein sicheres Halten der Strebe an ihrem Platz gewährleistet.
Dieser optionale Aspekt der Erfindung wird nun bezogen auf die 16 und 17 beschrieben.
Nach einer Variante enthält
die Stützstruktur 344 eine
Vielzahl von Streben 346. Die Streben 346 der
Stützstruktur 344 können wie
beschrieben gestaltet sein, mit der Ausnahme, dass jede Strebe 346 am
distalen Ende 348 einen Flansch 350 aufweist.
Der Flansch 350 ist einstückig mit der Strebe 346 geformt
oder daran angebracht, so dass ein im Wesentlichen T-förmiges distales
Ende 348 gesehen in einer auf der axialen Richtung senkrecht
stehenden Richtung entsteht, so dass der Flansch oder das T-Ende 350 an
jedem Ende einen Vorsprung 352 hat, der über die
Breite der Strebe 346 hinaussteht. Das T-Ende kann dieselbe
Dicke wie die Strebe 346 haben oder relativ zur Dicke der Strebe 346 eine
dickere Stange sein. Das Maß,
um wie viel der Vorsprung am Ende jeder Strebe 346 vorsteht,
hängt von
dem spezifischen Entwurf ab.
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Die
Stützstruktur 344 ist
in einem Außenbehälter 354 installiert,
der den Katalysator 356 hält, wie dies in 17 gezeigt
ist, die eine senkrecht zur Strömungsachse
durch das äußere Ende
einer der Streben 346 geschnittene Ansicht ist. Der Außenbehälter 354 hat
einen sehr schnellen Gasstrom 358, der zuerst durch den
Katalysator 356 und dann durch die aus einer Strebenanordnung
bestehende Katalysatorstützstruktur 344 strömt. Die
Stützstruktur 344 ist
auf einem Sims 360 gelagert. Der Flansch 350 einer
Strebe 346 ist in einem Dehnungsschlitz 362 aufgenommen.
Die Strebe 346 ist in ihrer Wärmedehnung und -kontraktion
relativ zum Außenbehälter 354 frei,
wobei die Wärmedehnung
die Strebe 346 in radialer Richtung R in den Dehnungsschlitz 362 treibt. Ein
weiterer Vorteil dieses Aspekts der Erfindung besteht darin, dass,
falls zyklische Ermüdung
oder andere Fehlererscheinungen die Strebe 346 aus den anderen
Teilen der Stützstruktur
ausrücken,
die Strebe 346 nicht aus der Struktur herausfallen kann,
da der Flansch oder das T-Ende 350 ein Herausfallen der
Strebe 346 aus dem Dehnungsschlitz 362 verhindert.
Der Dehnungsschlitz 362 ist durch Bildung eines Schlitzes
in dem Außenbehälter 354 oder
Außenrings
gebildet, worauf ein Aufnahmeteil 366 angebracht ist. Die
Flanschkonstruktion am distalen Ende 348 einer Strebe 346 verringert
die Möglichkeit, dass
frei fliegende Teile andere Elemente, insbesondere die stromabwärts liegende
Turbine, beschädigen
können.
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In
den 18a und 18b ist
eine andere Variante der Verbindung des distalen Endes einer Strebe
gezeigt. Bei dieser Variante enthält eine Strebe 368 einer
Stützstruktur 369,
einen Flansch 370 oder ein T-Ende, wie zuvor beschrieben.
Die Stützstruktur 369 enthält jedoch
einen Außenring 372 und jede
Strebe 368 ist, statt direkt mit dem Außenbehälter, mit dem Außenring 372 gekoppelt.
Der Außenring 372 enthält eine
Innenseite 374 und eine Außenseite 376. Eine Öffnung 378 ist
im Außenring 372 gebildet, und
der Flansch 370 oder das T-Ende ist durch die Öffnung 378 geführt. Ein
Aufnahmeteil 380 ist an der Außenseite 376 unter
Bildung eines Dehnungsschlitzes 382 angebracht. Die Strebe 368 ist
in dem Dehnungsschlitz 382 aufgenommen. Eine Draufsicht
auf 18a ist in 18b gezeigt, die eine in dem Dehnungsschlitz 382 vorgesehene
Lücke 384 veranschaulicht,
die Platz für
die Bewegung der Strebe 386 bietet. Diese Variante hält auch
vorteilhafterweise die Strebe 368 fest und verhindert,
dass Zerstörungen durch
freie Teile entstehen.
-
Eine
andere Variante einer Verbindung des distalen Endes einer Strebe
ist in 19 gezeigt. Bei dieser Variante
enthält
eine Strebe 386 einer Stützstruktur 388 zwei
Kerben am distalen Ende 392 der Strebe 386, die
ein T-Ende oder
einen Flansch 394 bildet. Diese Strebenform kann auch zur
Verbindung der Strebe 386 entweder mit einem Außenring 396 oder
mit einem Außenbehälter dienen.
Der Außenring 396 enthält einen
Innenseite 397 und eine Außenseite 398. Im Außenring 396 ist
eine Öffnung 399 gebildet,
durch die der Flansch 394 oder das T-Ende geführt ist.
Ein an der Außenseite 398 angebrachter Aufnahmeteil 395 bildet
einen Dehnungsschlitz 393, worin der Flansch 394 gehalten
ist. In dem Dehnungsschlitz 393 ist eine Lücke 391 vorgesehen,
die Platz für
eine Bewegung der Strebe 386 bietet. Auch diese Variante
hält vorteilhafterweise
die Strebe 386 in axialer Richtung fest und verhindert
Zerstö rungen durch
freie Teile. Gleich wie die vorangehenden Varianten erlaubt die
Strebe 386 dieser Variante eine im Wesentlichen freie Bewegung,
Expansion und Kontraktion der Strebe 386 in radialer Richtung
relativ zum Außenbehälter oder
Außenring
und hält
außerdem
die Strebe sicher fest, sollte diese sich lockern, und ist außerdem einfach
herzustellen.
-
Eine
weitere Variante der Verbindung des distalen Ende eines Strebe ist
in den 20a und 20b gezeigt.
Bei dieser Variante enthält
eine Strebe 401 einer Stützstruktur 403 an
ihrem distalen Ende 407 wenigstens einen Schlitz 405.
Ein Außenring
oder Außenglied 409 ist
in den Schlitz 405 gesteckt und hält die Strebe 401 fest.
Obwohl die 20a und 20b einen
rechteckförmigen Schlitz
zeigen, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Der Schlitz 405 kann
jede Form haben. Z.B. kann der Schlitz 405 kreisförmig sein
und ein Glied 409, wie z.B. einen Draht mit kreisförmigen Querschnitt,
aufnehmen. Der Schlitz 405 ist zur Halterung der Strebe 401 bemessen.
Außerdem
ist der Schlitz 405 so angepasst, dass die Strebe 401 gehalten,
sich jedoch in Reaktion auf thermische Dehnung, Kontraktion oder
andere Bewegung in radialer Richtung 411 frei dehnen kann.
Es ist klar, dass der Schlitz 401 einer Belastung in axialer
Richtung 413 entgegen wirken kann.
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Die
Konstruktionsmaterialien dieser Erfindung können auf Eisen beruhende Legierungen, rostfreie
Stähle,
hochfeste oder Superlegierungen sein, wie z.B. Legierungen aus Nickel,
Chrom und Kobalt oder jede Kombination derselben mit anderen Materialien.
Außerdem
können
aluminiumhaltige Legierungen, z.B. FeCrAl und NiCrAl verwendet werden,
die eine Oxidationsfestigkeit erreichen. Das Herstellungsverfahren
kann durch Schweißen,
Löten,
Verschrauben, Heften oder Nieten jeder Strebe an dem gewünschten
Anbringungspunkt geschehen. Alternativ kann diese Struktur aus einem
einzigen Materialblock durch eine geeignete Bearbeitungsmethode
herausgearbeitet werden, die mechanisches Schleifen, Elektrodenentladungsbearbeitung
u.s.w. enthält.
Zusätzlich
kann diese axiale Stützstruktur auch
gegossen werden.
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In
bevorzugten Aspekten haben die Streben eine Breite in axialer Richtung
von 5 bis 76 mm (0,2 bis 3,0 inches), bevorzugt 10 bis 69,8 mm (0,4
bis 2,75 inches) und noch bevorzugter von 19 bis 69,8 mm (0,75 bis
2,75 inches). Die Dicke und axiale Breite hängen von der abzustützenden
Axialkraft und von anderen Einzelheiten des Entwurfs ab, um eine
vorteilhafte starke Abstützung
in axialer Richtung zu erzielen, wie sie als Gegenwirkung gegen
die axiale Last vom Katalysator erwünscht ist. Des Weiteren haben
die Streben dieser Erfindung eine Dicke von 0,25 bis 5 mm (0,010
bis 0,2 inches), bevorzugt 0,5 bis 2,54 mm (0,02 bis 0,1 inches)
und noch bevorzugter 1 bis 2 mm (0,040 bis 0,080 inches). Zum Vergleich
beträgt
die Dicke des Materials in der bekannten Honigwabenstruktur, wie
sie das US-Patent Nr. 6 116 014 von Dalla Betta et al. beschreibt,
typischerweise 0,12 bis 0,5 mm (0,005 bis 0,020) und reicht möglicherweise
bis zu 1,27 mm (0,050). Ein Vorteil der vorliegenden Gestaltung
der Streben liegt darin, dass diese im Vergleich mit der Honigwabenstruktur dicker
sind. Oxidation verringert mit der Zeit die Dicke des Materials
bei der Betriebstemperatur um denselben Betrag, unabhängig von
der Dicke. Auch geringfügige
Oxidation kann die Metallstruktur wesentlich schwächen. Demgemäß kann dieser
Verlust bei den dünner
gestalteten bekannten Stützelementen
einen beträchtlichen
Teil ihrer Dicke ausmachen, wohingegen die dickere Strebe dieser
Erfindung von der Oxidation weniger beeinflusst oder weniger oxidationsempfindlich
ist, was die Lebensdauer der Stützstruktur
verlängert.
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Zusätzlich erzielen
die dickeren Streben vorteilhafterweise eine Struktur mit einer
höheren
Toleranz gegen Temperaturgefälle.
Es wird auch angenommen, dass die verdickte Strebe dieser Gestaltung
die Kriechfestigkeit der Metalllegierung erhöht.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt in ihrem geringen Strömungshindernis
relativ zur großen Berührungsfläche mit
dem Katalysator. Außerdem arbeitet
dieses nahezu radiale Strebenmuster sehr gut im Kontakt mit einem
in Umfangsrichtung gewickelten Katalysator. Vorteilhafterweise erfährt die Luftströmung durch
diese axiale Stützstruktur
eine sehr geringe Beschränkung
relativ zur Größe der Katalysatorfolienkontaktfläche, weil
ihre annähernd
radial angeordneten Streben die in Umfangsrichtung gewickelte Katalysatorfolie
wirksam über
die gesamte Strebenlänge
berührt.
Dies ist ein Vorteil gegenüber
dem Stand der Technik, bei dem ein beträchtlicher Teil des Stützmaterials
die Katalysatorfolie nicht berührt
oder die Katalysatorfolie in einer sehr ungleichförmigen Weise
berührt.
Darüber
hinaus verursachen die erhöhten
Abstände
der Streben keinen so hohen Strömungswiderstand
in Zentrumsnähe
im Vergleich mit dem am Umfang, wie er durch einfache radiale Streben
verursacht würde.
Insgesamt ist hier eine Strebenanordnung erzielt, die aufgrund der
relativ nahen gleichförmigen
Kontaktstellen mit der Katalysatorfolie eine geringe Kontaktspannung
hat und die den Luftstrom nicht zu stark einschränkt. Die Strebenanordnung stört die Gasströmung nur
sehr gering und hat gleichzeitig eine große Menge kontaktierender Stützstellen
mit der Katalysatorfolie. Diese Anordnung der axialen Stützstruktur
beschränkt
die Gasströmung
durch die Kanäle
der Katalysatorstruktur nur minimal.
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Ein
Vorteil dieser Stützstruktur
gegenüber der
honigwabenartigen Stützstruktur
des Standes der Technik ist das Fehlen von thermischen Spannungen,
die erzeugt werden, wenn die Stützstruktur ungleichförmigen Gastemperaturen
ausgesetzt ist. Das distale Ende jeder Strebe ist, wie 2 zeigt,
in axialer Richtung (Luftströmungsrichtung)
durch Auflagerung auf einem Sims 10 abgestützt oder
durch eine andere Halterung, wie sie in 5 gezeigt
ist, kann sich jedoch in radialer und in Umfangsrichtung frei bewegen.
Auf diese Weise kann sich jede Strebe, wie erforderlich, unbeschränkt frei
thermisch dehnen, so dass in der Strebe keine thermische Spannung
erzeugt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich herausgestellt
hat, dass die thermischen Spannungen in den vorhandenen Stützstrukturen
zur Ermüdung (oder
zum Rasseln oder zur dauerhaften Verformung der axialen Lagerung)
führten.
Beide Dauerhaftigkeitsgesichtspunkte werden durch diese Stützstruktur
verbessert.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Erfindung ist die verbesserte Fähigkeit,
ein Bauteil mit dauerhaft hoher Qualität herzustellen. Z.B. ist die
Herstellbarkeit dadurch verbessert, dass im Vergleich mit vorhandenen
Gestaltungen weniger Stellen eine Materialverbindung benötigen. Außerdem kann
die vorliegende Stützstruktur
optional statt aus Teilbauteilen durch Gießen hergestellt werden. Dies
ermöglicht
eine dauerhaftere und gesteuerte Herstellungsmethode für dieses
Bauteil und ermöglicht
auch die Herstellung aus Legierungen mit einer verbesserten Kriechfestigkeit.
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Bei
einem Test wurden fünf
unterschiedliche Gestaltungen einer Stützstruktur bewertet. Dieser Test
wird „Regenbogentest" genannt, da er wie
ein Regenbogen mit vielen unterschiedlichen Farben eine Anzahl unterschiedlicher
Konfigurationen bewertet. Die verschiedenen Konfigurationen bestanden
aus fünf
verschiedenen Strebendicken, wobei jede Strebendicke ein Sechstel
des Segments der axialen Stützstruktur
füllte,
wie dies in 21 gezeigt ist. Die axiale Stützstruktur 400 wurde
aus Streben 402 mit einer Dicke von 2,66 mm (0,105 inches), Streben 404 mit
einer Dicke von 2,16 mm (0,085 inches), Streben 406 mit
einer Dicke von 1,6 mm (0,063 inches), Streben 408 mit
einer Dicke von 1,27 mm (0,050 inches) und Streben 410 mit
einer Dicke von 0,94 mm (0,037 inches) konstruiert. In jedem Fall wurde
die Strebentrennung so eingestellt, dass in allen Abschnitten dieselbe
Kontaktspannung entstand.
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Diese
axiale „Regenbogen"-Stützstruktur wurde
in einen Gasturbinenbrenner eingebaut, bei dem die axiale Halterung
als Stütze
für einen
katalytischen Verbrennungskatalysator wirkte. Nachdem die Struktur
36 Stunden lang Betriebsbedingungen und 13 Start/Stoppvorgängen mit
vier Volllastfahrten ausgesetzt wurde, wurde eine Überhitzungszone
mittels visueller Beobachtung der Regenbogenstrebe während des
Betriebs durch eine in dem Gasturbinenbrenner eingebaute Wärmebildkamera
beobachtet. Diese Überhitzungsstelle
fiel mit dem Ort einer sehr dicken Schweißstelle an der Verbindung von zwei
2,66 mm (0,105 inch) dicken Streben zusammen. Es stellte sich heraus,
dass die übermäßig dicke
Schweißstelle
eine Unterbrechung des Strömungsprofils
verursachte, was sich in der Überhitzung
des Katalysators und der Strebe auswirkte. Weder nach dem Test,
noch von der Wärmebildkamera wurden
irgendwelche weiteren Zerstörungen
oder Zeichen der Überhitzung
der axialen Stützstruktur beobachtet.
Da der Regenbogentest sowohl die nominelle Gestaltung als auch Gestaltungen
der Stützstruktur über und
unter dem erwarteten Entwurfsraum umfasste, identifizierte er die
Entwurfsgrenzen. Aus diesem Test konnte man schließen, dass
diese Gestaltung beträchtliche
Vorteile bietet und zur Kompensation thermischer Spannungen besonders
gut geeignet war.
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Um
die Langzeitdauerhaftigkeit dieses Entwurfs der Strebenanordnung
noch weiterhin zu bestätigen,
wurden finite Elementanalysen und Lebensdauervoraussagen verwendet.
Ein finites Elementmodell 412 ist in 22 gezeigt.
Dieses Modell 412 wurde zur Berechnung der Kurzzeitermüdung, für den Kriechbruch
und die Ausbeulstabilität
der vorliegenden Strebengestaltung verwendet. Die Geometrie des
Brenners und die Betriebsbedingungen wurden für diese Einschätzung als
die schwierigstmögliche
Applikation ausgewählt.
Die Analyseergebnisse beweisen, dass das vorliegende System für seine Anwendung
in einem Gasturbinenbrenner sehr gute Sicherheitsgrade hat. Die
von der Druckbelastung herrührende äquivalente
Stressverteilung lag unter den akzeptierten Grenzwerten für eine gute
Dauerhaftigkeit.
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Eine
Zusammenfassung der finiten Elementanalyse und der Lebensdauervoraussage
ergab, dass die Dauerhaftigkeit bei thermischer Kurzzeitermüdung für viel mehr
als 630 Lastzyklen ausreicht. Beim 3,3-fachen des Betriebsbeanspruchungsbereichs
ergab der Test des hergestellten Materials 630 Zyklen bis zum Bruchbeginn.
Außerdem
beeinträchtigt
ein von einer teilweise durchdringenden Verbindung herrührender
Bruch die Lebensdauergrenze nicht. Bei nur 2/3-Durchdringung der
Verschweißung in
den Y-Verbindungen waren 3250 Zyklen erforderlich, dass Brüche durch
die Strebendicke wuchsen.
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Die
Spannung in dieser Struktur ist annähernd halb so groß als die,
die Brüche
beim 10.000-Stundenbetrieb verursacht. Dies zeigt einen annehmbaren
Bruchgrenzwert an. Außerdem
wurde Kriechdurchbiegung nach 8000 Stunden zu annähernd 0,21
inches eingeschätzt,
und man erwartet, dass sie geringer als bei den früheren Gestaltungen ist.
Außerdem
ist die Ausbeulstabilität
der langen dünnen
Streben beim Biegen analysiert worden und ergab Unstabilität beim siebenfachen
Betriebsdruck, was eine ausgezeichnete Stabilität anzeigt.
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In 23 ist
eine Realisation der Erfindung gezeigt, wobei eine katalytische
Brennereinheit 414 mit dieser Stützstruktur 416 ausgestattet
ist, die zur Halterung des Katalysators dient. Die Stützstruktur dieser
Erfindung ist am Auslass der katalytischen Brennereinheit sichtbar.
Nach der obigen Beschreibung erzielt diese Erfindung eine Anzahl
Vorteile. Insbesondere verringert die Stützstruktur dieser Erfindung
die Einschränkung
der Luftströmung
durch den Katalysator, erzielt eine gleichförmige Abstützung der Katalysatorfolien,
geringere Spannungskonzentration und Streben, die sich in Reaktion
auf örtliche
Wärmegradienten
frei dehnen und zusammenziehen können.