Düsenträger aus metallischem Schaum

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Düsenträger (1) für einen Strahlbrenner, mit einem Düsenträgerkörper (2) umfassend eine im Betrieb einer Brennkammer zugewandte Heißseite (3) und eine von der Brennkammer abgewandte Kaltseite (4), zwischen denen sich ein umlaufender Rand (5) erstreckt, wobei sich Durchlässe (6) im Düsenträgerkörper (2) von der Kaltseite (4) bis zur Heißseite (3) erstrecken und Vormischzonen ausbilden, wobei der Düsenträgerkörper (2) aus Metallschaum (7) gefertigt ist und Innenwände (8) der Durchlässe (6) für Vormischzonen gasdicht ausgeführt sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Düsenträger für einen Strahlbrenner.

[0002] Strahlstabilisierte Verbrennungssysteme, bei denen stromabwärts des Brenners der Brennstoff in einer Strahlflamme verbrannt wird, weisen gegenüber drallstabilisierten Systemen eine einfachere Vormischzone auf. Da die Druckdifferenz im Brenner ausschließlich in die Axialgeschwindigkeitskomponente gewandelt wird, zeichnen sich diese Brenner durch eine geringe Flammenrückschlagsneigung aus, weshalb auch höher reaktive Verbrennungsgemische mit höherem Wasserstoffanteil mit diesem Brenner verbrannt werden können. Weiterhin werden in strahlstabilisierten Verbrennungssystemen keine drallinduzierten Wirbelstrukturen erzeugt, die Flammeninstabilitäten verursachen können.

[0003] Ein solcher strahlstabilisierter Brenner umfasst beispielsweise einen Düsenträger (jet carrier) mit mehreren Düsen, die üblicherweise konzentrisch auf einem oder mehreren Ringen angeordnet werden können.

[0004] Das Design des Düsenträgers ist üblicherweise sehr massiv und daher mit hohen Material- und Bearbeitungskosten verbunden.

[0005] Ferner muss der Düsenträger beschichtet und gekühlt werden.

[0006] Der Düsenträger wird durch Schmieden hergestellt. Dieses Formgebungsverfahren ist zum einen sehr teuer und ist zum anderen prozessbedingt nur zur Herstellung von einfachen Geometrien geeignet.

[0007] Des Weiteren ist nach dem Schmieden eine Bearbeitung notwendig, um Durchbrüche z.B. für die Vormischzone aus dem Schmiedeteil zu entfernen.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten Düsenträger weiterzuentwickeln, so dass er zumindest einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.

[0009] Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Düsenträger für einen Strahlbrenner, mit einem Düsenträgerkörper umfassend eine im Betrieb einer Brennkammer zugewandte Heißseite und eine von der Brennkammer abgewandte Kaltseite, zwischen denen sich ein umlaufender Rand erstreckt, wobei sich Durchlässe im Düsenträgerkörper von der Kaltseite bis zur Heißseite erstrecken und Vormischzonen ausbilden, der Düsenträgerkörper aus Metallschaum gefertigt ist und Innenwände der Durchlässe für Vormischzonen gasdicht ausgeführt sind.

[0010] Der Düsenträger wird nicht mehr massiv geschmiedet und bearbeitet, sondern es wird ein Düsenträgerkörper aus aufgeschäumtem Metallpulver hergestellt. Hohlräume oder Durchbrüche (z.B. für Vormischzone und Pilotkonus) können direkt beim Aufschäumen in Form gebracht werden. Dadurch entfällt die Bearbeitung. Als Werkstoff sollte ein hochtemperaturbeständiger Werkstoff eingesetzt werden (z.B. Nickel-Basis-Legierung).

[0011] Metallschaum kann mit unterschiedlichen Porengrößen hergestellt werden. Aufgrund des schwammartigen Aufbaus bietet er eine sehr große Oberfläche, ist gasdurchlässig und verbindet ein geringes Gewicht mit guter Festigkeit. Ähnlich wie bei jeglicher Art von Dämm-Material, ist eine Schwammstruktur gut geeignet, Frequenzen zu brechen und diese zu absorbieren.

[0012] Aufgrund der Gasdurchlässigkeit des Metallschaums müssen die Durchlässe für die Vormischzonen, in denen sich Brennstoff und Verbrennungsluft mischen sollen, durch geeignete Maßnahmen gasdicht ausgeführt sein.

[0013] Es ergibt sich eine deutliche Kostenreduzierung bei der Fertigung. Trotz Schaumstruktur bleibt das Bauteil aber stabil und duktil.

[0014] Im Hinblick auf die gasdichte Ausführung der Durchlässe für die Vormischzonen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Innenwände durch in den Durchlässen für Vormischzonen angeordnete Rohre gebildet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Brennstoff unkontrolliert und abseits der Vormischzonen in den Düsenträger eindringt.

[0015] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Platte, insbesondere eine Metallplatte, fest mit der Heißseite verbunden ist. Dadurch lässt sich die Temperatur vor dem Schaum etwas absenken bzw. der Düsenträger aus Metallschaum kann damit gegen das Eindringen des Heißgases aus dem Brennraum abgedichtet werden. Dabei soll die Metallplatte auf der Heißseite möglichst dünn gestaltet werden, so dass sie ähnlich wie eine Membran Schwingungen der Brenners auf den mit ihr verbundenen Metallschaum weiterleiten kann. Die Schwingungen werden vom Metallschaum aufgenommen und absorbiert.

[0016] Bei Vorhandensein einer solchen Metallplatte ist es zweckmäßig, wenn diese eine Wärmedämmschicht aufweist, um den Temperaturschutz für den Düsenträger weiter zu verbessern.

[0017] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine entsprechend geformte Einfassung fest mit dem umlaufenden Rand verbunden. Eine Möglichkeit ist z.B., den Körper aus Metallschaum mit einem Zylinder aus einer geformten Metallplatte zu umgeben. Verdichterendluft, die im Betrieb am Düsenträger vorbeigeleitet wird, bevor sie an der Brennerrückwand umund in die Vormischpassagen des Düsenträgers hinein gelenkt wird, kann somit besser am Düsenträger vorbeigeleitet werden. Außerdem verbessert sich die mechanische Stabilität des Düsenträgers.

[0018] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Platte fest mit der Kaltseite verbunden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Platte eine Metallplatte ist. An diese Metallplatte können Befestigungselemente des Düsenträgers angebracht werden, mittels derer der Düsenträger an einer Brennerrückwand (cover plate) montiert werden kann.

[0019] Zur Kühlung der Frontplatte ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Kühlrohr in den Metallschaum eingearbeitet ist. Dieses Kühlrohr kann bereits beim Aufschäumen in den Metallschaum eingearbeitet werden. Durch das Kühlrohr kann Kühlluft durch den Schaum gezielt zur Platte auf der Heißseite geleitet werden.

[0020] Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn Kühlluftbohrungen in der Platte auf der Heißseite vorgesehen sind, um die Kühlluft in die Brennkammer ableiten zu können.

[0021] Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Düsenträger und

Figur 2 einen weiteren Schnitt durch einen Düsenträger.

[0022] Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Schnitt durch einen Düsenträger 1 für einen Strahlbrenner, mit einem Düsenträgerkörper 2, umfassend eine im Betrieb einer Brennkammer zugewandte Heißseite 3 und eine von der Brennkammer abgewandte Kaltseite 4, zwischen denen sich ein umlaufender Rand 5 erstreckt.

[0023] Durchlässe 6 im Düsenträgerkörper 2 erstrecken sich von der Kaltseite 4 bis zur Heißseite 3. Im Betrieb strömt Verbrennungsluft von der Kaltseite 4 her in die Durchlässe 6 hinein und vermischt sich mit Brennstoff aus Brennstofflanzen, die in die Durchlässe 6 hineinragen. In den Durchlässen 6 bilden sich somit Vormischzonen aus.

[0024] Gemäß der Erfindung ist der Düsenträgerkörper 2 aus Metallschaum 7 gefertigt und die Innenwände 8 der Durchlässe 6 für Vormischzonen sind gasdicht ausgeführt, beispielsweise mittels metallischer Rohre 9 für die Vormischzone, die fest in den Metallschaum 7 des Düsenträgerkörpers 2 eingearbeitet sind.

[0025] Ferner zeigt die Figur 1 zwei metallische Platten 10, 13, zwischen denen der Metallschaum 7 fest anhaftend aufgeschäumt ist.

[0026] Die Platte 10 an der Heißseite 3 weist eine Wärmedämmschicht 11 auf, um die Temperatur im Düsenträger 1 zu senken. Die mit der Kaltseite 4 verbundene Platte 13 kann beispielsweise Befestigungselemente aufweisen (nicht gezeigt) mit denen der Düsenträger 1 in beispielsweise einer Gasturbine montiert werden kann.

[0027] Weiter zeigt die Figur 1 eine entsprechend geformte, im Beispiel der Figur 1 hohlzylinderförmige Einfassung 12, die fest mit dem umlaufenden Rand 5 des Düsenträgerkörpers 2 verbunden ist.

[0028] Bei der Ausführungsform der Figur 2 ist ein Kühlrohr 14 in den Metallschaum 7 eingearbeitet. Das Kühlrohr 14 dient der Kühlung der Platte 10 auf der Heißseite 3 des Düsenträgers 1 und erlaubt es, Kühlluft 15 gezielt, d.h. ohne hohen Druckverlust, bis zur Platte 10 zu leiten, wo sie durch zusätzliche, in die Platte 10 eingebrachte Kühlluftbohrungen 16 in eine Brennkammer abgeleitet werden kann.

[0029] Weiter zeigt Figur 2, dass zumindest auf der Kaltseite 4 nicht zwingend eine Platte 13 vorgesehen sein muss.

Ansprüche

1. Düsenträger (1) für einen Strahlbrenner, mit einem Düsenträgerkörper (2) umfassend eine im Betrieb einer Brennkammer zugewandte Heißseite (3) und eine von der Brennkammer abgewandte Kaltseite (4), zwischen denen sich ein umlaufender Rand (5) erstreckt, wobei sich Durchlässe (6) im Düsenträgerkörper (2) von der Kaltseite (4) bis zur Heißseite (3) erstrecken und Vormischzonen ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenträgerkörper (2) aus Metallschaum (7) gefertigt ist und Innenwände (8) der Durchlässe (6) für Vormischzonen gasdicht ausgeführt sind.

2. Düsenträger (1) nach Anspruch 1, wobei die Innenwände (8) durch in den Durchlässen (6) für Vormischzonen angeordnete Rohre (9) gebildet sind.

3. Düsenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Platte (10) fest mit der Heißseite (3) verbunden ist.

4. Düsenträger (1) nach Anspruch 3, wobei die Platte (10) eine Wärmedämmschicht (11) aufweist.

5. Düsenträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine entsprechend geformte Einfassung (12) fest mit dem umlaufenden Rand (5) verbunden ist.

6. Düsenträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Platte (13) fest mit der Kaltseite (4) verbunden ist.

7. Düsenträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Kühlrohr (14) in den Metallschaum (7) eingearbeitet ist.
Düsenträger (1) nach den Ansprüchen 3 und 7, wobei Kühlluftbohrungen (16) in der Platte (10) vorgesehen sind.

Zeichnung