EP2442029A1 - Impingement cooled head plate with thermal decoupling for a jet pilot - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a top plate device for a pilot nozzle carrier and a pilot nozzle carrier or a jet burner with a pilot nozzle carrier.
- the invention further relates to a method for producing a pilot nozzle carrier.
- the top plate of the jet pilot In order to decouple the thermal expansions of the top plate of the jet pilot from the nozzle carrier (jet carrier) for the premix nozzles, this is to be stored freely displaceable. However, the top plate should not jam.
- the object of the invention is to provide a head plate device for a pilot nozzle holder, which does not jam. Another object of the invention is to provide a corresponding pilot nozzle carrier or a jet burner with such a pilot nozzle carrier. It is another object of the invention to provide a method for producing such a pilot nozzle carrier.
- the plate (impingement cooling plate) has cooling openings. Through many holes in the impingement cooling plate, the top plate is rebound cooled. The supply of air via a direct central jet.
- the top plate disc is provided with a thermal barrier coating (TBC) to lower the temperature of the material during operation of the torch.
- TBC thermal barrier coating
- the openings for pilot nozzles in the top plate disc hollow-cylindrical nozzle guides in the direction of the plate, wherein the nozzle guides relative to their respective Have axis radial grooves. Small grooves in the nozzle guides allow the flow of cooling air in the direction of the combustion chamber through the gap between the top plate and nozzle and thus lock it for the hot gas entering the jet pilot.
- the top plate disc has a raised peripheral edge on the side facing the ring.
- the ring has a raised peripheral edge on the side facing the top plate disc.
- Elevated peripheral edges allow for quick and accurate assembly of the headstock device components.
- top plate disc is welded to the ring.
- the raised peripheral edge has radial bores.
- the gap between the top plate and nozzle carrier (jet carrier) is blocked against ingress of hot gases from the combustion chamber, since cooling air can flow through the holes and the gap.
- a pilot nozzle carrier further comprises a hollow cylinder, at one end of which the top plate device is arranged. At its other end, the hollow cylinder has a flange.
- the pilot nozzle carrier is connected to the premix nozzle carrier (Jet Carrier) of the jet burner via the flange.
- pilot nozzles are arranged in the openings of the plate and connected to the plate in the pilot nozzle carrier.
- an alignment plate is arranged on the flange of the pilot nozzle carrier, wherein the alignment plate has openings for fixing pilot nozzles in the radial direction relative to a longitudinal axis of the pilot nozzle carrier.
- the alignment plate serves as a floating bearing and allows thermal displacements of the central jet nozzles in the axial direction.
- a jet burner comprises a substantially cylindrical premix nozzle carrier (jet carrier) with a central passage opening and, advantageously, a pilot nozzle carrier according to the invention arranged in the central passage opening.
- a plate is inserted into a top plate disc and a ring firmly connected to the top plate disc.
- top plate disc is welded to the ring.
- pilot nozzles are welded to the plate.
- FIG. 1 shows schematically and by way of example a jet burner 1 with a jet pilot 2.
- the jet burner 1 comprises a nozzle carrier 3 for premixing nozzles (jet carrier) and a pilot nozzle carrier 4.
- Premix nozzles 5 are arranged in a circle in the nozzle carrier 3.
- a top plate device 6 closes the interior of the pilot nozzle carrier 4 with respect to the combustion chamber.
- the openings 7 for the pilot nozzles 8 in the top plate device 6 are in the embodiment of FIG. 1 arranged on a line.
- FIG. 2 shows the jet pilot 2
- the pilot nozzle carrier 4 is formed as a hollow cylinder 9 having at one end a flange 10 for attachment of the jet pilot 2 and the pilot nozzle carrier 4 on the nozzle carrier 3 for premixing nozzles.
- FIG. 2 At the other end of the pilot nozzle carrier 4, a head plate device 6. Pilot nozzle carrier 4 and head plate device 6 are provided at their radially outer sides with cooling air openings 11, 12. The upstream part of the pilot nozzles 8 and their arrangement in the pilot nozzle carrier 4 are in FIG. 2 also shown.
- FIG. 3 shows an exploded view of a jet pilot 2 with a top plate disc 13, a plate 14, a ring 15, three pilot nozzles 8, a hollow cylinder 9 with flange 10 and an alignment plate 16th
- Top plate disc 13, plate 14 and ring 15 form the top plate device 6.
- the top plate disc 13 has a Edge 17 with cooling air openings 12 and hollow cylindrical nozzle guides 18, which have radial grooves 19 relative to their respective axis.
- the plate 14 has in the embodiment of FIG. 3 three openings 20 for pilot nozzles 8 and further cooling holes 21 for impingement cooling of the top plate disc 13.
- the supply of cooling air via a direct central jet along the axis of the hollow cylinder 9.
- the top plate 13 is hot gas side coated with TBC.
- the ring 15 has in the embodiment of FIG. 3 on the head plate disc 13 side facing a raised peripheral edge 22nd
- the impact cooling plate 14 which serves as a piston and permits thermal displacements in the radial direction, is inserted into the top plate disk 13. Thereafter, the piston chamber is closed by means of a welded connection via the ring 15.
- the pilot nozzles 8 are now firmly connected to the impingement cooling plate 14.
- the hollow cylinder 9 of the pilot nozzle carrier 4 is firmly welded to the ring 15 and screwed over the flange 10 to the jet carrier (nozzle carrier) 3.
- the alignment plate 16 with openings 23 for fixing pilot nozzles 8 in the radial direction relative to a longitudinal axis of the pilot nozzle carrier 4 is screwed onto the flange 10. It serves as a floating bearing and allows thermal displacements of the pilot nozzles 8 in the axial direction.
- FIG. 4 shows a section through a combustion chamber-side part of a jet burner 1 with Vormischdüsenvic 3 and pilot nozzle carrier 4 according to the invention.
- the top plate disc 13 is welded to the ring 15. A portion 25 between the top plate disc 13 and the ring 15 is defined.
- the mounted between the top plate disc 13 and ring 15 plate 14 with openings 20 for pilot nozzles 8 is displaceable in this region 25 in the radial direction 26 and fixed in the axial direction.
- the ring 15 is welded to the hollow cylinder 9 27.
- the plate 14 is with the pilot nozzles 8 welded.
- the top plate disc has nozzle guides 18 with grooves 19.
- FIG. 5 shows a detailed view of the top plate device 6 and the cooling air streams 29, 30, 31 in the top plate device 6.
- Air 29 strikes the plate 14 and penetrates through the cooling holes 21 in the space between the plate 14 and head plate disc 13 a. Through the grooves 19 in the nozzle guides 18 of the top plate disc 13, the air 30 penetrates into the gap 32 between the pilot nozzle 8 and nozzle guide 18 and flows in the direction of the combustion chamber from 31. Thus, the gap 32 between the top plate and nozzle is blocked.
- the space between the pilot nozzle carrier 4 and the premixing nozzle carrier 3 (jet carrier) is flushed through radial bores in the hollow cylinder 9 of the pilot nozzle carrier 4.
- the blocking of the gap between top plate device 6 and premix nozzle carrier 3 takes place by means of air flow through cooling air openings 12 in the edge of the top plate device 6.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kopfplattenvorrichtung für einen Pilotdüsenträger sowie einen Pilotdüsenträger bzw. einen Strahlbrenner mit einem Pilotdüsenträger. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Pilotdüsenträgers.The invention relates to a top plate device for a pilot nozzle carrier and a pilot nozzle carrier or a jet burner with a pilot nozzle carrier. The invention further relates to a method for producing a pilot nozzle carrier.
Auf vorgemischten Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmerfreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinskalige Stömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die typisch für drallstabilisierte Flammen sind, unterdrücken.On premixed jet flame based combustion systems offer over spin-stabilized systems due to the distributed heat release zones and the lack of spin-induced vortex advantages, especially from a thermoacoustic point of view. By suitable choice of the jet pulse, small-scale flow structures can be generated which dissipate acoustically induced heat release fluctuations and thus suppress pressure pulsations typical of spin-stabilized flames.
Bisherige Strahlbrennersysteme wurden mittels eines Drallpiloten stabilisiert, welcher die oben beschriebenen Vorteile zumindest teilweise aufhebt. Um dies zu vermeiden, sollen anstelle der Drallpiloten Strahlpiloten zum Einsatz kommen.Previous jet burner systems have been stabilized by means of a twisting pilot, which at least partially overcomes the advantages described above. To avoid this, jet pilots should be used instead of the swirl pilots.
Bei der konstruktiven Umsetzung eines Strahlpiloten müssen thermischen Dehnungen, die aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen (heiße Seite / kalte Seite) entstehen, berücksichtigt werden.In the design implementation of a jet pilot thermal expansion, which arise due to different temperatures (hot side / cold side) must be considered.
Um die thermischen Dehnungen der Kopfplatte des Strahlpiloten vom Düsenträger (Jet Carrier) für die Vormisch-Düsen zu entkoppeln, ist dieser frei verschiebbar zu lagern. Dabei soll die Kopfplatte jedoch nicht verklemmen.In order to decouple the thermal expansions of the top plate of the jet pilot from the nozzle carrier (jet carrier) for the premix nozzles, this is to be stored freely displaceable. However, the top plate should not jam.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kopfplattenvorrichtung für einen Pilotdüsenträger anzugeben, die nicht verklemmt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen entsprechenden Pilotdüsenträger bzw. einen Strahlbrenner mit einem solchen Pilotdüsenträger anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pilotdüsenträgers anzugeben.The object of the invention is to provide a head plate device for a pilot nozzle holder, which does not jam. Another object of the invention is to provide a corresponding pilot nozzle carrier or a jet burner with such a pilot nozzle carrier. It is another object of the invention to provide a method for producing such a pilot nozzle carrier.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1, 9 und 12 und das Verfahren gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem eine Kopfplattenvorrichtung für einen Pilotdüsenträger eine im Wesentlichen zylindrische Kopfplattenscheibe mit Öffnungen für Pilotdüsen und einen Ring mit im Wesentlichen gleichem Außenradius wie die Kopfplattenscheibe umfasst, der koaxial in einem Abstand zur Kopfplattenscheibe angeordnet ist, so dass ein Bereich zwischen der Kopfplattenscheibe und dem Ring definiert wird, wobei eine zwischen Kopfplattenscheibe und Ring gelagerte Platte mit Öffnungen für Pilotdüsen in diesem Bereich in radialer Richtung verschiebbar und in axialer Richtung fixierbar ist, wird folgendes erreicht:
- Die in die Kopfplatte eingelegte Platte dient als Kolben und lässt thermische Verschiebungen in radialer Richtung zu.
- The inserted into the top plate plate serves as a piston and allows thermal shifts in the radial direction.
Es ist vorteilhaft, wenn die Platte (Prallkühlplatte) Kühlöffnungen aufweist. Durch viele Bohrungen in der Prallkühlplatte wird die Kopfplatte prallgekühlt. Die Versorgung mit Luft erfolgt über einen direkten zentralen Strahl.It is advantageous if the plate (impingement cooling plate) has cooling openings. Through many holes in the impingement cooling plate, the top plate is rebound cooled. The supply of air via a direct central jet.
Zweckmäßiger Weise ist die Kopfplattenscheibe mit einer Wärmedämmschicht (engl. thermal barrier coating, TBC) versehen, um die Werkstofftemperatur beim Betrieb des Brenners zu senken.Conveniently, the top plate disc is provided with a thermal barrier coating (TBC) to lower the temperature of the material during operation of the torch.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Kopfplattenvorrichtung weisen die Öffnungen für Pilotdüsen in der Kopfplattenscheibe hohlzylindrische Düsenführungen in Richtung der Platte auf, wobei die Düsenführungen bezogen auf ihre jeweilige Achse radiale Nuten aufweisen. Kleine Nuten in den Düsenführungen ermöglichen die Strömung von Kühlluft in Richtung der Brennkammer durch den Spalt zwischen Kopfplatte und Düse und sperren ihn somit für den Heißgaseintritt in den Strahlpiloten.In an advantageous embodiment of the top plate device, the openings for pilot nozzles in the top plate disc hollow-cylindrical nozzle guides in the direction of the plate, wherein the nozzle guides relative to their respective Have axis radial grooves. Small grooves in the nozzle guides allow the flow of cooling air in the direction of the combustion chamber through the gap between the top plate and nozzle and thus lock it for the hot gas entering the jet pilot.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Kopfplattenvorrichtung weist die Kopfplattenscheibe auf der dem Ring zugewandten Seite einen erhöhten umlaufenden Rand auf.In a further advantageous embodiment of the top plate device, the top plate disc has a raised peripheral edge on the side facing the ring.
Es ist auch vorteilhaft, wenn der Ring auf der der Kopfplattenscheibe zugewandten Seite einen erhöhten umlaufenden Rand aufweist.It is also advantageous if the ring has a raised peripheral edge on the side facing the top plate disc.
Erhöhte umlaufende Ränder erlauben einen schnellen und genauen Zusammenbau der Komponenten der Kopfplattenvorrichtung.Elevated peripheral edges allow for quick and accurate assembly of the headstock device components.
Es ist zweckmäßig, wenn die Kopfplattenscheibe mit dem Ring verschweißt ist.It is useful if the top plate disc is welded to the ring.
Es ist ebenfalls zweckmäßig, wenn der erhöhte umlaufende Rand radiale Bohrungen aufweist. Durch radiale Bohrungen in der Kopfplatte wird der Spalt zwischen Kopfplatte und Düsenträger (Jet Carrier) gegen ein Eindringen von Heißgasen aus dem Verbrennungsraum gesperrt, da Kühlluft durch die Bohrungen und den Spalt strömen kann.It is also expedient if the raised peripheral edge has radial bores. By radial holes in the top plate, the gap between the top plate and nozzle carrier (jet carrier) is blocked against ingress of hot gases from the combustion chamber, since cooling air can flow through the holes and the gap.
Neben der erfinderischen Kopfplattenvorrichtung umfasst ein Pilotdüsenträger ferner einen Hohlzylinder, an dessen einem Ende die Kopfplattenvorrichtung angeordnet ist. An seinem anderen Ende weist der Hohlzylinder einen Flansch auf. Über den Flansch wird der Pilotdüsenträger mit dem Vormischdüsenträger (Jet Carrier) des Strahlbrenners verbunden.In addition to the inventive top plate device, a pilot nozzle carrier further comprises a hollow cylinder, at one end of which the top plate device is arranged. At its other end, the hollow cylinder has a flange. The pilot nozzle carrier is connected to the premix nozzle carrier (Jet Carrier) of the jet burner via the flange.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn bei dem Pilotdüsenträger Pilotdüsen in den Öffnungen der Platte angeordnet und mit der Platte verbunden sind.Furthermore, it is expedient if pilot nozzles are arranged in the openings of the plate and connected to the plate in the pilot nozzle carrier.
Vorteilhafter Weise ist eine Ausrichtplatte auf dem Flansch des Pilotdüsenträgers angeordnet, wobei die Ausrichtplatte Öffnungen zur Fixierung von Pilotdüsen in radialer Richtung bezogen auf eine Längsachse des Pilotdüsenträgers aufweist. Die Ausrichtplatte dient als Loslager und lässt thermische Verschiebungen der zentralen Strahldüsen in axialer Richtung zu.Advantageously, an alignment plate is arranged on the flange of the pilot nozzle carrier, wherein the alignment plate has openings for fixing pilot nozzles in the radial direction relative to a longitudinal axis of the pilot nozzle carrier. The alignment plate serves as a floating bearing and allows thermal displacements of the central jet nozzles in the axial direction.
Ein Strahlbrenner umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Vormischdüsenträger (Jet Carrier) mit einer zentralen Durchgangsöffnung sowie vorteilhafter Weise einen in der zentralen Durchgangsöffnung angeordneten Pilotdüsenträger nach der Erfindung.A jet burner comprises a substantially cylindrical premix nozzle carrier (jet carrier) with a central passage opening and, advantageously, a pilot nozzle carrier according to the invention arranged in the central passage opening.
Im erfinderischen Verfahren zum Herstellen eines Pilotdüsenträgers, wird in eine Kopfplattenscheibe eine Platte eingelegt und ein Ring mit der Kopfplattenscheibe fest verbunden.In the inventive method for producing a pilot nozzle carrier, a plate is inserted into a top plate disc and a ring firmly connected to the top plate disc.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kopfplattenscheibe mit dem Ring verschweißt wird.It is advantageous if the top plate disc is welded to the ring.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn Pilotdüsen mit der Platte verschweißt werden.It is also advantageous if pilot nozzles are welded to the plate.
Mit der Erfindung wird eine unbehinderte Wärmedehnung der Pilotdüsen in axialer und radialer Richtung erzielt. Durch die Kolbenführung werden thermische Spannungen minimiert, ohne dabei auf eine notwendige Positionsgenauigkeit der Pilotdüsen verzichten zu müssen. Durch thermische Spannungen hervorgerufene dauerhafte Verformungen treten somit nicht auf, was einen verlässlichen Betrieb des Piloten gewährleistet. Dabei ist die Herstellung kostengünstig.With the invention an unobstructed thermal expansion of the pilot nozzles is achieved in the axial and radial directions. The piston guide minimizes thermal stresses without sacrificing the necessary position accuracy of the pilot nozzles. Thermal deformation caused by permanent deformations thus do not occur, which ensures reliable operation of the pilot. The production is inexpensive.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
- Figur 1
- einen Strahlbrenner mit Strahlpiloten,
Figur 2- einen Pilotdüsenträger mit Kopfplatte,
Figur 3- eine Explosionszeichnung eines Strahlpiloten,
Figur 4- einen Schnitt durch einen brennkammerseitigen Teil eines Strahlbrenners und
Figur 5- eine Detailansicht einer Kopfplattenvorrichtung.
- FIG. 1
- a jet burner with jet pilot,
- FIG. 2
- a pilot nozzle carrier with head plate,
- FIG. 3
- an exploded view of a jet pilot,
- FIG. 4
- a section through a combustion chamber side part of a jet burner and
- FIG. 5
- a detailed view of a top plate device.
Die
Kopfplattenscheibe 13, Platte 14 und Ring 15 bilden die Kopfplattenvorrichtung 6. Die Kopfplattenscheibe 13 weist einen Rand 17 mit Kühlluftöffnungen 12 auf sowie hohlzylindrische Düsenführungen 18, die bezogen auf ihre jeweilige Achse radiale Nuten 19 aufweisen. Die Platte 14 hat in der Ausführungsform der
Zur Herstellung der Kopfplattenvorrichtung 6 wird in die Kopfplattenscheibe 13 die Prallkühlplatte 14, die als Kolben dient und thermische Verschiebungen in radialer Richtung zulässt, eingelegt. Danach wird über den Ring 15 der Kolbenraum mit Hilfe einer Schweißverbindung geschlossen.To produce the
Die Pilotdüsen 8 werden nun mit der Prallkühlplatte 14 fest verbunden. Der Hohlzylinder 9 des Pilotdüsenträgers 4 wird fest mit dem Ring 15 verschweißt und über den Flansch 10 an den Jet Carrier (Düsenträger) 3 geschraubt. Die Ausrichtplatte 16 mit Öffnungen 23 zur Fixierung von Pilotdüsen 8 in radialer Richtung bezogen auf eine Längsachse des Pilotdüsenträgers 4 wird auf den Flansch 10 geschraubt. Sie dient als Loslager und lässt thermische Verschiebungen der Pilotdüsen 8 in axialer Richtung zu.The
Nach demselben Prinzip wird durch radiale Bohrungen im Hohlzylinder 9 des Pilotdüsenträgers 4 der Raum zwischen dem Pilotdüsenträger 4 und dem Vormischdüsenträger 3 (Jet Carrier) gespült. Die Sperrung des Spalts zwischen Kopfplattenvorrichtung 6 und Vormischdüsenträger 3 erfolgt mittels Luftstrom durch Kühlluftöffnungen 12 im Rand der Kopfplattenvorrichtung 6.According to the same principle, the space between the
Claims (15)
wobei eine Ausrichtplatte (16) auf dem Flansch (10) angeordnet ist und die Ausrichtplatte (16) Öffnungen (23) zur Fixierung von Pilotdüsen (8) in radialer Richtung bezogen auf eine Längsachse des Pilotdüsenträgers (4) aufweist.Pilot nozzle carrier (4) according to one of claims 9 or 10,
wherein an alignment plate (16) on the flange (10) is arranged and the alignment plate (16) has openings (23) for fixing pilot nozzles (8) in the radial direction relative to a longitudinal axis of the pilot nozzle carrier (4).
dem in eine Kopfplattenscheibe (13) eine Platte (14) eingelegt und ein Ring (15) mit der Kopfplattenscheibe (13) fest verbunden wird.Method for producing a pilot nozzle carrier (4), at
in a head plate disc (13) a plate (14) inserted and a ring (15) with the top plate disc (13) is firmly connected.
und Ring (15) verschweißt werden.Method according to claim 12, wherein top plate disc (13)
and ring (15) are welded.
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