Strahlbrenner mit Kühlkanal in der Grundplatte In modernen Gasturbinenverbrennungssystemen übersteigen lokale Heißgastemperaturen bisweilen zulässige Temperaturgrenzen von Superlegierungen mit Wärmedämmschichten, weshalb zusätzliche Kühlung notwendig ist. Die Erfindung betrifft daher die Kühlung des Düsenträgers eines Strahlbrenners .

Strahlstabilisierte Verbrennungssysteme bei denen stromab des Brenners der Brennstoff in einer Strahlflamme verbrannt wird, weisen im Vergleich zu drallstabilisierten Systemen eine einfache 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 Verbren- nungsgemische mit höherem Wasserstoffanteil mit diesem Brenner verbrannt werden können.

Weiterhin werden in strahlstabilsierten Verbrennungssystemen keine drallinduzierten Wirbelstrukturen erzeugt, die Flammen- Instabilitäten verursachen können. Ein solches strahlstabilisiertes Verbrennungssystem offenbart beispielsweise die US 2010/0300104 AI. Zur Aufnahme der Vormischpassagen wird ein sogenannter "Jet Carrier" (Düsenträger) benötigt, der je nach Bauart eine unterschiedliche Anzahl von Düsen aufweist, die konzentrisch auf einem oder mehreren Ringen angeordnet werden können .

Der Düsenträger wird üblicherweise aus massivem Schmiedmaterial hergestellt, was sehr teuer, aber für das Prototyp- Design vorteilhaft ist, da er so vergleichsweise einfach herzustellen ist. Ferner wird auf der Heißgasseite des Düsenträgers aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und gutem Wär- meübertrag zwischen Luft im Düsenträger und Düsenträger keine Kühlung benötigt.

Aufgrund der aktuellen Fertigung des Düsenträgers durch

Schmieden aus beispielsweise einer Nickellegierung ist die Bearbeitung der erforderlichen Bohrungen aufwendig, die Bauweise ist massiv und somit ist auch das Gewicht hoch, ferner ist die Bauteilgeometrie durch die Herstellmethode eingeschränkt. Infolgedessen ergibt sich eine sehr teure Fertigung für das Bauteil mit teilweise nicht realisierbaren Merkmalen. Zumindest ist es sehr aufwändig, zusätzliche Merkmale oder Besonderheiten, wie Kühl- oder Spülluftkanäle, in den Düsenträger einzubringen. Auch aufgrund der Kosten kommt eine Serienproduktion nicht in Betracht .

Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten Strahlbrenner weiterzuentwickeln, so dass Herstellungskosten minimiert und zusätzliche Designmerkmale integriert werden können, die den Betrieb des Verbrennungssystems positiv beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem Strahlbrenner mit einer im Betrieb einer Brennkammer zugewandten Heißgasseite und einer von der Brennkammer abgewandten Kaltgasseite, umfassend eine Grundplatte, auf der mehrere Strahldüsen angeordnet sind, wobei die Grundplatte mindestens einen Kühlkanal aufweist, der mindestens eine Kühlkanal in eine Brennerstufe mündet, die einen auf der Grundplatte angeordneten Pilotbrenner umfasst, wird erreicht, dass der bisherige Düsenträger deutlich kostengünstiger hergestellt werden kann, als bei massiver Bauweise.

Erst durch aktive Kühlung kann ein kostengünstigeres Material für den Düsenträger verwendet werden, um die durch die leichtere Bauweise verloren gegangene mechanische Belastbarkeit zu kompensieren. Dabei kann der Kühlkanal einer von mehreren Kühlkanälen sein, oder aber auch eine Art Hohlraum, der sich nahezu über die gesamte Fläche der Grundplatte erstreckt und durch den die Kühlluft strömt.

Die aktive Kühlung durch beispielsweise Effusionskühlung be- einflusst NOx-Emissionen negativ, da der Luftmassenstrom zur Flammenfront verringert ist. Dadurch erhöht sich lokal die Flammentemperatur und somit die NOx-Emissionen. Dies wird da- durch vermieden, dass nach der Erfindung der mindestens eine Kühlkanal in eine Brennerstufe mündet, wodurch Kühlluft nicht mehr einfach nur in die Brennkammer abgegeben wird.

Dabei ist es wichtig, dass die Brennerstufe einen auf der Grundplatte angeordneten Pilotbrenner umfasst. Dieser kann nämlich bei geringerem Druckverlust betrieben werden, als die Strahldüsen des Hauptbrenners.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Brennerstufe aus einem auf der Grundplatte angeordneten Pilotbrenner besteht und die für den Betrieb des Pilotbrenners benötigte Luft aus dem Kühlkanal zuführbar ist, d.h. wenn der Pilotbrenner direkt und ausschließlich über den Kühlkanal mit der nötigen Luft versorgt wird und ein gleichmäßiger Luftmassenstrom zur Flammenfront sichergestellt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Grundplatte heißgasseitig eine Wärmedämmschicht (thermal barrier coating) aufweist, wodurch die Werkstofftemperatur im Betrieb des Brenners bzw. der Kühlbedarf gesenkt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal über eine Öffnung an einem umlaufenden Rand der Grundplatte mit Kühlluft beaufschlagbar.

In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal über eine Öffnung an der Kaltgasseite der Grundplatte mit Kühlluft beaufschlagbar .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal über eine in einer die Strahldüsen umgebenden, an die Grundplatte anschließenden Wandung angeordnete, zur Kaltgasseite des Strahlbrenners hin geöffnete und in die Grundplatte mündende Kühlluftleitung beaufschlagbar .

Ist der Kühlkanal als eine Art Hohlraum ausgeführt, können sich Totwasser-Bereiche hinter den von der Kühlluft umströmten Vormischpassagen ausbilden. In diesen Bereichen ist die Wärmeübertragung bzw. die Kühlung der Grundplatte durch die Kühlluft verringert. Um Totwassergebiete hinter den Strahldüsen zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, können Elemente für erhöhte Wärmeübertragung bzw. Strömungsführung in den Strömungspfad eingebracht sein. Beispielsweise kann der Kühl- kanal in der Grundplatte Umlenkbleche (spoilers) oder Wirbel- erzeuger wie Rippen oder vergleichsweise kleine Vertiefungen (dimples) aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest die Grundplatte ein Gussteil. Die Einschränkungen, bedingt durch das Schmiede-Verfahren aus dem Stand der Technik, können durch Verwendung eines Gussprozesses zum Urformen des Düsenträgers minimiert werden. Die Anwendung dieses Prozesses erlaubt die Herstellung eines endkonturnahen Rohlings, der geringfügig auf Endkontur bearbeitet werden muss. Zum Beispiel können Bohrungen durch Verwendung von Kernen bereits im Guss- prozess dargestellt werden, was Volumen und Masse einspart. Ferner können mit dem Gussverfahren komplexere Geometrien realisiert werden. Hierdurch können zusätzliche Funktionen ins Bauteil eingebracht werden und die Bauteileigenschaften damit verbessert werden. Die durch den Gussprozess ermöglichte Flexibilität der Bauteilgeometrie könnte bei genügender Optimierung der Kühlung die Betriebstemperatur des Bauteils soweit senken, dass anstelle einer Nickelbasis-Legierung ein günsti- gerer Stahlguss-Werkstoff verwendet werden kann. Ferner kann das Bauteil beanspruchungsgerecht ausgelegt werden.

Vorteilhafter Weise umfasst das Gussteil weiterhin die

Strahldüsen, welche den Hauptbrenner bilden. Diese können beim Gießen der Grundplatte direkt mitgegossen werden.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Grundplatte eine Blechkonstruktion. Auch mit dieser Lösung lassen sich die Herstellungskosten alleine schon wegen deutlich geringerer Rohmaterialkosten im Vergleich zur Variante mit massivem Schmiedmaterial senken.

Insbesondere bei einer Blechkonstruktion, aber nicht aus- schließlich dort, ist des vorteilhaft, wenn sich eine über die Kaltgasseite der Grundplatte hinaus erstreckende umlaufende Wand mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte einer Mittelachse des Strahlbrenners annähert. Diese Wand und der sie umgebende, typischerweise zylindrische äußere Gehäuseteil bilden dann eine Art Diffusor, wodurch sich die vom Kompressor bereitgestellte Luftströmung verlangsamt und den Druck vorteilhaft erhöht.

Beim erfindungsgemäßen Strahlbrenner werden die Luftversor- gung des Pilotbrenners und des Hauptbrenners getrennt. Dadurch kann der Pilotbrenner-Luftmassenstrom für die Kühlung des Brenners verwendet werden. Durch die Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlbrenners mittels Guss oder die Verwendung einer Blechkonstruktion können nicht nur Kosten gespart, sondern auch zusätzliche Designmerkmale in den Düsenträger integriert werden, die den Betrieb des Verbrennungssystems positiv beeinflussen (z.B. verbesserte Lebensdauer, höhere Rückschlagsicherheit und geringerer Druckverlust) . Diese positiven Eigenschaften werden in der vorliegenden Erfindung durch das Einbringen von Kühl- und Spülluftkanälen erreicht.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: Figur 1 einen Strahlbrenner nach dem Stand der Technik, Figur 2 einen Schnitt durch einen Strahlbrenner senkrecht zu einer Mittelachse des Brenners,

Figur 3 einen Schnitt durch einen weiteren Strahlbrenner senkrecht zu einer Mittelachse des Brenners,

Figur 4 einen Schnitt durch einen Teil eines Strahlbrenners nach der Erfindung mit Möglichkeiten der Kühlluftentnahme , Figur 5 eine weitere Möglichkeit der Kühlluftentnahme , Figur 6 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlkonzepts, bei dem Luft durch einen Kühlkanal in Form eines Hohlraums strömt und

Figur 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Strahl - brenner senkrecht zur Mittelachse mit Blick in den Hohlraum.

Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Strahlbrenners 1 in Längsrichtung, also entlang der Mittelachse 2 des Brenners 1 nach dem Stand der Technik. Der Brenner 1 weist mindestens eine in einem Düsenträger 3 ange- ordnete Strahldüse 4 auf. Die Strahldüse 4 umfasst einen

Strahldüseneintritt 5 und einen Strahldüsenaustritt 6. An den Strahldüsenaustritt 6 schließt sich die Brennkammer 7 an. Zudem ist die Strahldüse 4 so im Düsenträger 3 angeordnet, dass der Strahldüseneintritt 5 der Rückwand 8 des Brenners 1 zuge- wandt ist. Die der Brennkammer 7 zugewandte Seite des Strahlbrenners 1 wird als Heißgasseite 9 bezeichnet, die der Brennkammer 7 abgewandte Seite wird als Kaltgasseite 10 bezeichnet. Im Bereich des Strahldüseneintritts 5 der Strahldüse 4 ist eine Brennstoffdüse 11 angeordnet. Durch die Brennstoff- düse 11 wird Brennstoff in die Strahldüse 4 eingedüst . Der Brenner 1 umfasst weiterhin einen radial in Bezug auf die Mittelachse 2 des Brenners 1 äußeren Gehäuseteil 12, der mit dem Düsenträger 3 einen Ringkanal 13 bildet. Durch diesen Ringkanal 13 strömt Luft 14 aus dem Kompressor in Richtung der Rückwand 8 des Brenners 1 und wird dort umgelenkt, so dass sie durch die Strahldüseneintritte 5 in die Strahldüsen 4 gelangt . Was Figur 1 nicht zeigt, ist, dass Brenner, insbesondere Vor- mischbrenner wie der gezeigte Strahlbrenner 1, mit einem zusätzlichen Pilotbrenner ausgestattet sein können, um die stabile Verbrennung über einen weiten Betriebsbereich, insbe- sondere im Leerlauf und Teillastbereich sicherzustellen. Ein solcher Pilotbrenner ist dann typischerweise auf der Mittelachse 2 des Brenners angeordnet .

Die Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen

Strahlbrenner 1 senkrecht zu einer Mittelachse 2 des Brenners 1. Der Düsenträger 3 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Innerhalb des Düsenträgers 3 ist eine bestimmte Anzahl an Strahldüsen 4 im Wesentlichen ringförmig angeordnet. Jede Strahldüse 4 weist dabei einen kreisförmigen Querschnitt auf.

Die Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen

Strahlbrenner 101, wobei der Schnitt senkrecht zur Mittelachse des Brenners 101 verläuft. Der Brenner 101 weist ebenfalls einen Düsenträger 3 auf, welcher einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in welchem eine Anzahl innerer und äußerer Strahldüsen 4, 104 angeordnet ist. Die Strahldüsen 4, 104 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die äußeren Strahldüsen 4 eine gleich große oder größere Querschnittsfläche besitzen als die inneren Strahldüsen 104. Die äußeren Strahldüsen 4 sind im Wesentlichen ringförmig innerhalb des Düsenträgers 3 angeordnet und bilden einen äußeren Ring. Die inneren Strahldüsen 104 sind ebenfalls innerhalb des Gehäuses 3 ringförmig angeordnet . Die inneren

Strahldüsen 104 bilden einen inneren Ring, der konzentrisch zu dem äußeren Strahldüsenring angeordnet ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen lediglich Beispiele für die Anordnung von Strahldüsen 4, 104 innerhalb eines Strahlbrenners 1, 101. Selbstverständlich sind alternative Anordnungen, ebenso wie die Verwendung einer anderen Anzahl an Strahldüsen 4, 104 möglich. Außerdem kann der Brenner 1, 101 einen Pilotbrenner umfassen . _n

Figur 4 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Strahlbrenners 15 nach der Erfindung, bei dem die Strahldüsen 16 auf einer Grundplatte 17 angeordnet sind, wobei die Grundplatte 17 Kühlkanäle 18 aufweist, welche beispielsweise bei Verwendung eines Gussprozesses direkt in die Grundplatte 17 mit eingegossen werden können. Dabei können auch die Strahldüsen 16, die den Hauptbrenner (Vormischbrenner) bilden, direkt mitgegossen werden. Die Grundplatte 17 wird über die Kühlluftkanäle 18 gekühlt.

Heißgasseitig kann die Grundplatte 17 durch eine Wärmedämmschicht 19 (thermal barrier coating) ergänzt werden. Durch die Kombination von Wärmedämmschichten 19 und effektiver Kühlung ist es unter Umständen möglich, auf beispielsweise Ni- ckelbasislegierungen zu verzichten. Allerdings ist auch bei Verwendung einer Nickelbasislegierung eine Kostenreduzierung zu erwarten, da deutlich weniger Material für ein Gussbauteil notwendig ist.

Wie in Figur 4 weiter dargestellt, kann die Kühlluft 20 entweder aus dem Ringkanal 13 oder aus dem Plenum 21 vor der Grundplatte 17 entnommen werden. Bei Entnahme aus dem Ringkanal 13 wird die Kühlluft 20 durch Öffnungen 22 an einem umlaufenden Rand 23 der Grundplatte 17 dem Kühlkanal 18 zugeführt. Bei Entnahme aus dem Plenum 21 wird die Kühlluft 20 durch Öffnungen 24 auf der Kaltgasseite 10 der Grundplatte 17 dem Kühlkanal 18 zugeführt. Nach erfolgter Kühlung der Grundplatte 17 gelangt die Kühlluft 20 nicht direkt in die Brennkammer 7, sondern wird dem Pilotbrenner (vgl. Figur 6) zugeführt .

Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Strahldüsen 16 (deutlicher Abfall des statischen Drucks) steht hier ein hohes Druckgefälle zur Verfügung, welches genutzt werden kann, um die Kühlkanäle 18 mit Elementen 26 für eine erhöhte Wärmeübertragung (z.B. Rippen oder Vertiefungen 36) und/oder eine Strömungsführung (z.B. Umlenkbleche 35) auszustatten (vgl . Figur 7 ) . Bezieht der Pilot die für seinen Betrieb benötigte Luftmenge im Wesentlichen über die Kühlluftkanäle 18, steht vergleichsweise viel Luft zur Verfügung (ca. 5-12% der gesamten verfügbaren Luftmenge 14), d.h. die Kühlkanäle 18 müssen hier ent- sprechend groß ausfallen, damit der angestrebte Pilot-Luft- Split, d.h. der Anteil der dem Piloten zugeführten Luft bezogen auf die Gesamtluftmenge 14, bei dem vorgegebenen Differenzdruck auch erreicht wird. In diesem Fall würden die Kühl- kanäle 18 ohne oder nur mit wenigen Rippen oder ähnlichen Elementen 26 ausgestattet. Die notwendige Kühlwirkung wird über den erhöhten Massenstrom realisiert.

Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Kühlluftentnahme . Im dargestellten Fall wird die Kühlluft für die Grundplatte 17 (oder zumindest ein Teil der Kühlluft) aus der Grenzschicht an der Umlenkung 30 vom Ringkanal 13 in das Plenum 21 entnommen. Durch diese Entnahme wird die Grenzschicht stabilisiert und liegt länger an. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Umlenkdruckverlust. Der gewonnene Druck kann z.B. für eine höhere Strahlgeschwindigkeit verwendet werden. Über eine in der die Strahldüsen 16 umgebenden, an die Grundplatte 17 anschließenden Wandung 31 des Düsenträgers angeordnete, zur Kaltgasseite 10 des Strahlbrenners 15 hin geöffnete und in die Grundplatte 17 mündende Kühlluftleitung 32 gelangt die Kühlluft 20 in den Kühlkanal 18 der Grundplatte 17.

Figur 6 zeigt eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlkonzepts, bei dem Luft durch einen Kühlkanal 18 strömt, wobei sich der Kühlkanal 18 in der Art eines Hohl- raums nahezu über die gesamte Fläche der Grundplatte 17 erstreckt und wobei die Kühlluft 20, nachdem sie den Kühlkanal 18 durchströmt hat, dem Pilotbrenner 33 als Pilotluft 27 zugeführt wird. Die Luftversorgung des Pilotbrenners 33 erfolgt hierbei direkt und ausschließlich über den Kühlkanal 18.

Die über die Kaltgasseite 10 der Grundplatte 17 hinaus sich erstreckende umlaufende Wand 34 nähert sich mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte 17 einer Mittelachse 2 des Strahlbrenners 15 an. Diese Wand 34, und der sie umgebende, typischerweise zylindrische äußere Gehäuseteil 12 bilden dann eine Art Diffusor, wodurch sich die vom Kompressor bereitgestellte Luftströmung 14 verlangsamt und der Druck sich vor- teilhaft erhöht.

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Strahlbrenner 15 senkrecht zur Mittelachse 2, der sich vorteilhafter Weise mittels einer Blechkonstruktion verwirkli- chen lässt, da sich der Kühlkanal 18 im Wesentlichen über die Grundfläche der Grundplatte 17 erstreckt, ggf. nur unterbrochen durch stützende Elemente. Im vorliegenden Beispiel der Figur 7 wird die Kühlluft 20 zwischen Heißgas- 9 und Kaltgasseite 10 der Grundplatte 17 von radial außen nach radial in- nen geführt (der Pilotbrenner ist nicht gezeigt) . Dabei muss die nach innen zum Piloten strömende Kühlluft 20 die Strahldüsen 4 der Vormischpassagen des Hauptbrenners 25 umströmen.

Um Totwassergebiete hinter den Strahldüsen 4 zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, können Elemente 26 für erhöhte Wärmeübertragung bzw. Strömungsführung in den Strömungspfad eingebracht sein, wie Figur 7 mit den Umlenkblechen 35 (Spoilers) oder Vertiefungen 36 (dimples) zeigt.