Brenner für eine Strömungsmaschine, Leitblech für einen derartigen Brenner sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Brenner

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , ein Leitblech für einen derartigen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 sowie eine Strömungsmaschine mit einem derarti- gen Brenner nach Anspruchs 11.

Bei einem in einer Flammkammer eines Brenners für Strömungsmaschinen ablaufenden Verbrennungsprozess entsteht eine Wärmestrahlung, die insbesondere eine die Flammkammer begrenzende Kammerwandung aufheizt. Diese Aufheizung führt bei großen Wandstärken bzw. bei Materialüberlappungen zu starken Thermalspan- nungen. Eine Kühlung der jeweiligen Wandungsabschnitte der Flammkammer erfolgt meist über Konvektion, bei der Außenluft über von der Flammkammer abgewandte Außenflächen der Wandungsabschnitte geführt wird. Zur Reduzierung der Thermal- spannungen und zur Optimierung der Konvektionskühlung bestehen die Flamm- kammern meist aus dünnwandigen Blechkonstruktionen wie zum Beispiel Flammrohren. Querschnittsveränderungen oder Maßnahmen zur Strömungsführung eines Brennstoff-Luftgemischstroms oder eines Luftstroms wie zum Beispiel Leitbleche o- der Drallerzeuger sind eingeschweißt. Die Leitbleche können als konische Ringe ausgebildet sein mit einem Befestigungsabschnitt zum Verschweißen mit einem Wandungsabschnitt der Flammkammer und mit einer von dem Befestigungsabschnitt abgewandten Strömungsführungskante. Nach dem Verschweißen liegt das Leitblech mit seinem Befestigungsabschnitt großflächig an dem Wandungsabschnitt der Flammkammer an, wodurch eine großflächige Materialüberlappung gebildet ist, die eine Entstehung von Thermalspannungen begünstigt. Da die überlappungsbereiche nur einseitig gekühlt werden können, sind die Thermalspannungen nicht ausreichend zu reduzieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Brenner für Strömungsmaschinen die thermische Beanspruchung unter Beibehaltung der bewährten strömungs-

technischen Randbedingungen zu minimieren sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Brenner zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Leitblech mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

Ein erfindungsgemäßer Brenner für eine Strömungsmaschine weist eine Flammkammer, einen Drallerzeuger zur Drallbeauschlagung eines Luftstroms und ein in der Flammkammer angeordnetes Leitblech zur Strömungsführung des Luftstroms in der Flammkammer auf. Das Leitblech hat einen Befestigungsabschnitt zur Befestigung an einem Wandungsabschnitt der Flammkammer. Erfindungsgemäß ist der Befestigungsabschnitt über eine Vielzahl von Abstandshaltern mit dem Wandungsabschnitt der Flammkammer verbunden. Die Verbindung kann herkömmlicherweise über Schweißungen erfolgen. Durch die Abstandshalter ist zum einen eine großflächige Materialüberlappung zwischen dem Befestigungsabschnitts des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt der Flammkammer verhindert. Zum anderen kann zwischen dem Befestigungsabschnitt des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt der Flammkammer ein Teilstrom der Luft strömen, wodurch eine beidseitige Kühlung der Wand- ungsabschnitte erfolgt. D.h., die Wandungsabschnitte werden erfindungsgemäß an Ihrer der Flammkammer zugewandten Innenfläche als auch herkömmlicherweise an ihrer der Flammkammer abgewandten Außenfläche gekühlt. Ebenso werden Schweißverbindungen zur Befestigung des Leitblechs beidseitig gekühlt.

Die Abstandshalter können separate Bauteile sein oder zum Beispiel Erhebungen des Befestigungsabschnitts oder des Wandungsabschnitts der Flammkammer darstellen, die durch eine wellenförmige Verformung des Befestigungsabschnitts bzw. des Wandungsabschnitts erzielt sind.

Ein erfindungsgemäßes Leitblech für einen Brenner einer Strömungsmaschine weist eine Strömungsführungskante zur Führung eines Luftstroms sowie einen von der Strömungsführungskante abgewandten Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Leitblechs an einem Wandungsabschnitts des Brenners auf. Erfindungsgemäß zeigt

der Befestigungsabschnitt eine Vielzahl von Erhebungen, über die er an einem Wandungsabschnitt einer Flammkammer eines Brenners befestigbar ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Erhebungen jeweils von einer Befestigungskante des Befestigungsabschnitts zur Strömungsführungskan- te. Hierdurch ist zwischen den Erhebungen eine Vielzahl von Kanälen gebildet, die sich im Wesentlichen in Strömungsrichtung des Luftstroms erstrecken. Dies hat den

Vorteil, dass ein Teilstrom der eingedüsten Luft nahezu ohne Richtungsänderung zwischen dem Befestigungsabschnitt des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt der Flammkammer strömen kann.

Bevorzugterweise laufen die Erhebungen in Richtung der Strömungsführungskante aus und gehen in einen ebenen Strömungsfuhrungsabschnitt über. Die Beibehaltung des ebenen Strömungsabschnitts mit seiner geraden Strömungsführungskante hat den Vorteil, dass die bewährten strömungsgünstigen Randbedingungen unverändert bleiben.

Die Erhebungen können wellenartig mit einer Vielzahl von Wellenbergen und Wellentälern ausgebildet sein. Die Wellentäler dienen dabei als die Kanäle für die Luftfüh- rung zur Konvektionskühlung zwischen dem Befestigungsabschnitt des Leitblechs und dem Wandungsabschnitt der Flammkammer.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Erhebungen stufenartig in Form einer Rechteckkurve ausgeführt.

Vorzugsweise weisen die Wellenberge und Wellentäler jeweils eine einheitliche Geometrie auf und sind gleichmäßig auf dem Befestigungsabschnitt angeordnet. Hierdurch lässt sich über den Umfang des Leitblechs eine einheitliche Kühlung erzielen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Leitblech ein konischer Leitblechring, der aus einem trapezartigen Materialstreifen mit einer kurzen Längsseite und einer langen Längsseite besteht. Dabei ist die Strömungsführungskante an der kurzen Längsseite und die Befestigungskante an der langen Längsseite angeordnet.

Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist einen Brenner mit einem Leitblech auf, das mit seinem Befestigungsabschnitt bereichsweise über Abstandshalter von Wandungsabschnitten einer Flammkammer beabstandet ist.

Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen stark vereinfachten Teillängsschnitt durch eine Flammkammer eines erfindungsgemäßen Brenners,

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitblechs, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitblechs, Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitblechs, und Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitblechs.

Figur 1 zeigt einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner 2 für eine Strömungsmaschine im Bereich seiner Brennstoff- bzw. Lufteindüsung. Der Brenner 2 ist in geschweißter Blechbauweise ausgeführt und hat eine Flammkammer 4, die axial von einem kreisförmigen Brennerboden 6 begrenzt ist. In dem Brennerboden 6 sind nicht dargestellte Düsen zur Eindüsung eines Brennstoffs 8 in die Flammkammer 4 angeordnet. Die Flammkammer 4 öffnet sich ausgehend von dem Brennerboden 6 konisch und wird radial im Wesentlichen von einem Flammrohr 10 begrenzt.

Zwischen dem Brennerboden 6 und dem Flammenrohr 10 ist ein Drallerzeuger 12 zur Eindüsung von Luft 14 und zur Drallbeaufschlagung derselben angeordnet. Der Drallerzeuger 12 umgreift die Flammkammer 4 radial und ist axial zur Längsachse 16 des Brenners 2 orientiert. Aufgrund der konischen Ausbildung der Flammkammer 4 weist der Drallerzeuger 12 eine schräg verlaufende Einströmmündung 18 für die Luft 14 in die Flammkammer 4 auf. Ein vom Brennerboden 6 entfernt liegender, die Einströmmündung 16 begrenzender bogenförmiger Randabschnitt 20 des Drallerzeu ^¬ gers 12 ist stoßartig mit einem konischen Wandungsabschnitt 22 der Flammkammer 4 verbunden

Das Flammrohr 10 ist mit einem stufenartigen Endabschnitt 24 derart mit dem Wandungsabschnitt 22 verbunden, dass zwischen einem von dem Drallerzeuger 12 abgewandten Randbereich 26 des Wandungsabschnitts 22 und dem stufenförmigen Endabschnitt 24 des Flammrohrs 10 ein Ringraum 26 gebildet ist.

Im Verbindungsbereich des Drallerzeugers 12 mit dem Wandungsabschnitt 22 ist ein erfindungsgemäßes Leitblech 30 angeordnet, welches zu einem Leitblechring verformt ist. Der Leitblechring 30 ist konisch ausgebildet und hat einen Befestigungsab- schnitt 32 sowie eine von dem Befestigungsabschnitt 32 abgewandte Stromführungskante 34. Der Leitblechring 30 ist über einen in Figur 2 näher erläuterten Befestigungsabschnitt 32 an einer Innenfläche 36 des Wandungsabschnitts 22 derart angeordnet, dass die Stromführungskante 34 über den Randabschnitt 20 des Drallerzeugers 12 in die Einströmmündung 18 hinein ragt. Aufgrund von in den folgenden Figuren 2 bis 5 dargestellten erfindungsgemäßen Erhebungen 48 des Befestigungsabschnitts 22 sind eine Vielzahl von nicht gezeigten Kanälen zwischen dem Wandungsabschnitt 22 und dem Befestigungsabschnitt 32 des Leitblechrings 30 gebildet. Durch die Kanäle strömt im Betrieb des Brenners 2 ein Teilstrom der durch die Einstrommündung 18 des Drallerzeugers 12 eingedüste Luft 14, wodurch die Innenflä- che 36 des Wandungsabschnitts 22 abschnittsweise via Konvektion gekühlt und Thermalspannungen in dem Leitblechring 30 und dem Wandungsabschnitt 22 somit reduziert werden. Ebenso wird der Befestigungsabschnitt 32 des Leitblechs 30 durch den Teilstrom der Luft 14 gekühlt. Das Ein- und Durchströmen des Teilstroms der Luft 14 durch die Kanäle wird durch einen sich einstellenden Druckabfall in den Ka- nälen begünstigt.

Gemäß Figur 2 ist der konische Leitblechring 30 durch einen trapezartigen Materialstreifen 38 gebildet. Der Materialstreifen 38 hat eine kurze Längsseite 40 und eine entgegengesetzte lange Längsseite 42. Die beiden Längsseiten 40, 42 sind über zwei voneinander abgewandte Schmalseiten 44, 46 miteinander verbunden. Zum Formen des Leitblechrings 30 sind die Schmalseiten 44, 46 stoßartig in Anlage zu bringen.

Die kurze Längsseite 40 weist die Stromführungskante 34 auf, die gemäß der Darstellung in Figur 2 im unverformten Zustand des Materialstreifens 38 gerade ausgeführt ist.

Von der langen Längsseite 36 erstreckt sich in Richtung der Strömungsführungskan- te 34 der Befestigungsabschnitt 32. Dieser weist eine Vielzahl von Erhebungen 48 auf, die wellenförmig ausgebildet sind, so dass eine Vielzahl von Wellenbergen 50a, 50b, 50c, ... und Wellentälern 52a, 52b, 52c,... gebildet ist. Im in der Flammkammer 4 montierten Zustand ist der Leitblechring 30 zumindest abschnittsweise über die Wellenberge 50a, 50b, 50c, ... an der Innenfläche 36 des Wandungsabschnitts 22 befestigt. Die Befestigung erfolgt bevorzugterweise mittels bekannten Schweißtechniken wie zum Punktschweißen. Die Erhebungen 48 bzw. die Wellenberge 50a, 50b, 50c, ... wirken quasi als Abstandshalter, mittels denen der Befestigungsabschnitt 32 von dem Wandungsabschnitt 22 beabstandet ist, so dass eine flächige Materialüber- lappung verhindert ist. Die Wellentäler 52a, 52b, 52c,... dienen hierbei als die in Figur 1 bereits erwähnten Kanäle, durch die zur beidseitigen Konvektionskühlung des Wandungsabschnitts 22 der Teilstrom der Luft 14 strömt. Ebenso werden durch die erfindungsgemäße innerhalb der Flammkammer 4 erfolgende Konvektionskühlung im Befestigungsbereich der Leitblechrings 30 die Schweißverbindungen zur Befesti- gung des Leitblechrings 32 gekühlt.

Die Erhebungen 48 erstrecken sich von einer von der langen Längsseite 42 gebildeten Befestigungskante 54 in Richtung der Stromführungskante 34 und gehen in einen ebenen Stromführungsabschnitt 56 über, der an den Befestigungsabschnitt 32 an- grenzt. Durch diese Erstreckung laufen im montierten Zustand die Wellenberge 50a, 50b, 5Oc ₁ ... in Strömungsrichtung bzw. radial nach außen. Die Wellenberge 50a, 50b, 5Oc ₁ ... und die Wellentäler 52a, 52b, 52c,... weisen jeweils die gleiche Geometrie auf und sind gleichmäßig über den Befestigungsabschnitt 32 verteilt, so dass sie symmetrisch beidseits des Befestigungsabschnitts 32 verlaufen.

Die Wellenform des Befestigungsabschnitts 32 bewirkt eine gewisse Elastizität des Leitblechrings 30, wodurch zusätzlich zur verbesserten Kühlung die Thermalspan- nungen besser ausgeglichen bzw. minimiert werden. Dabei bewirkt die vorbeschriebene Gleichmäßigkeit der Wellenform, dass die Thermalspannungen gleichmäßig

über den Umfang des Leitblechs 30 abgebaut werden und keine neuen Spannungen in den Leitblechring 32 eingeleitet werden.

Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfin- dungsgemäßen Leitblechs 58, 60, 62. Der wesentliche Unterschied dieser Leitbleche 58, 60, 62 zu dem in Figur 2 beschriebenen Leitblech 30 besteht darin, dass die Anzahl der Erhebungen 48 und somit die Frequenz der Wellenform des Befestigungsabschnitts 32 von Figur 2 bis zur Figur 5 erhöht ist. Eine detaillierte Betrachtung der in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigten Leitbleche 58, 60, 62 kann somit entfallen.

Es sei erwähnt, dass es ebenfalls vorstellbar ist, die Erhebungen 48 mit unterschiedlichen Geometrien und/oder ungleichmäßig über den Umfang des Leitblechrings 30 auf dem Befestigungsabschnitt 32 anzuordnen, so dass über den Urnfang des Wandungsabschnitts 22 die Konvektionskühlung verschieden intensiv ausgeführt wird. Beispielhaft sei als eine weitere Geometrie eine stufenartige Ausbildung in Form einer Rechteckkurve oder einer Sägezahnkurve genannt. Weiterhin ist es vorstellbar die Kanäle trichterförmig in Richtung der Befestigungskante zu erweitern, so dass in den Kanälen ein verstärkter Düseneffekt zum Durchströmen des Teilstroms der Luft 14 auftritt. Ebenso ist es vorstellbar, die Erhebungen an dem Wandungsabschnitt 22 auszubilden und den Befestigungsabschnitt 32 des Leitblechrings 30 eben. Weiterhin ist es vorstellbar, die Erhebungen 48 durch externe bzw. durch separat ausgeführte Abstandshalter zu ersetzen, die zwischen dem Wandungsabschnitt 22 und einem Befestigungsabschnitt angeordnet sind. Ferner sei erwähnt, dass beliebige Formen eines Leitblechs 30 vorstellbar sind und diese Anmeldung nicht auch eine ringförmi- ge Form beschränkt ist.

Offenbart ist ein Brenner für eine Strömungsmaschine mit einem in einer Flamm ^¬ kammer angeordneten Leitblech, das über Abstandshalter an einem Wandungsabschnitt angreift, ein Leitblech, dessen Befestigungsabschnitt eine Vielzahl von Erhebungen zur Befestigung an einem Wandungsabschnitt einer Flammkammer aufweist, sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Brenner.

Bezuαszeichenliste

Brenner

Flammkammer

Brennerboden

Brennstoff

Flammrohr

Drallerzeuger

Luft

Längsachse

Einströmmündung

Randabschnitt

Wandungsabschnitt

Endabschnitt

Randbereich

Ringraum

Leitblech bzw. Leitblechring

Befestigungsabschnitt

Stromführungskante

Innenflächenabschnitt

Materialstreifen kurzen Längsseite langen Längsseite

Schmalseite

Schmalseite

Erhebungen a, 5Ob ₁ 50c, ... Wellenberg a, 52b, 52c,... Wellental

Befestigungskante

Strömungsführungsabschnitt

Leitblech

Leitblech

Leitblech