Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchströmungseinrichtung, insbesondere zur Verwendung als Flammensperre eines Porenbrenners, die einen mit Strömungskanälen versehenen Durchströmungskörper aufweist, der Siliziumcarbid und eine Kohlenstofffaser-Verstärkung aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Porenbrenner mit einer derartigen Durchströmungseinrichtung.

Porenbrenner weisen zur Einleitung eines Gas-Luft-Gemisches in eine Verbrennungszone eine als„Flammensperre", bezeichnete Durchströmungseinrichtung auf. Die Durchströmungseinrichtung ist mit einer Vielzahl von Strömungskanälen versehen, die einerseits eine möglichst von Strömungsverlusten freie Einführung des Gas-Luft-Gemisches in die Verbrennungszone ermöglichen sollen und andererseits einen Flammenrückschlag verhindern sollen. Zur Ausbildung der Verbrennungszone werden konventionell Siliziumcarbid-Schaumstrukturen verwendet, die offenporig ausgebildet sind und eine flammenlose, vo lumetrische Ver- brennung ermöglichen, sodass ein im Betrieb befindlicher Porenbrenner als„glühender Schaum" wirkt. Die Flammensperre ist aufgrund der Tatsache, dass sie die Schnittstelle zwischen der Verbrennungszone und der Gaszuleitung bildet, einer erheblichen Temperaturbelastung ausgesetzt, mit Verbrennungstemperaturen im Bereich von 1400°C auf der Strömungsausgangsseite der Flam- mensperre und quasi Raumtemperatur auf der Strömungseintrittsseite. Um eine ausreichende Standfestigkeit des als Flammensperre verwendeten Strömungskörpers bei derartigen Temperaturbelastungen zu ermöglichen, ist es bekannt, Flammensperren aus einem kohlenstofffaserverstärkten Siliziumcarbid-Körper herzustellen. Aus der EP 1 693 61 8 B l ist eine als Flammensperre ausgebildete Durchströmungseinrichtung bekannt, mit einem Durchströmungskörper, der auf Basis eines Kohlenstofffasergewebes hergestellt ist, das über einen Gasphasenprozess siliziert wird. Zur Ausbildung der Strömungskanäle werden Wellenlagen des Kohlenstofffasergewebes hergestellt und zwi- sehen Decklagen angeordnet, sodass die Porenbreite bei dem bekannten Durchströmungskörper durch die Wellenamplitude, also den Abstand der Wellenberge von den Wellentälern, definiert ist.

Die Herstellung eines derartigen Durchströmungskörpers erweist sich aufgrund des Lagenaufbaus als sehr aufwendig. Darüber hinaus erweist sich insbesondere die Herstellung von Strömungskanälen mit kleinsten Durchmessern aufgrund der Verwendung von Gewebelagen als Halbzeug sehr schwierig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Durchströmungseinrichtung sowie einen Porenbrenner vorzuschlagen, die bzw. der einfacher herzustellen ist und darüber hinaus eine hohe Zeitstandfestigkeit bei genauest möglicher Anpassung an den gewünschten Leistungsbereich einer anschließenden Verbrennungszone ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Durchströmungseinrichtung gelö st, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Durchströmungseinrichtung ist die Kohlenstofffaser-Verstärkung als Faserfilz ausgebildet, der mit einer Silizi- umcarbid-Beschichtung versehen ist.

Die erfindungsgemäße Durchströmungseinrichtung ermöglicht somit eine Herstellung des Durchströmungskörpers auf Basis eines Faserfilzes, der im Unterschied zu einem Durchströmungskörper, der gemäß dem Stand der Technik aus übereinander angeordneten Wellenlagen mit zwischenliegenden Trennlagen aufgebaut ist, einen homogenen Aufbau aufweist, welcher vergleichsweise einfach herzustellen ist und insbesondere nicht die Ausformung von Wellenlagen auf Basis eines Fasergewebes in einem separaten Formungsprozess mit anschließender Stapelanordnung von Wellenlagen und Trennlagen als Voraussetzung zur Ausbildung von Strömungskanälen erfordert.

Vielmehr kann auf die an sich bekannte einfache Art und Weise basie- rend auf Zellulose- oder vollsynthetischen Fasern, wie Polyacrylnitril (PAN), ein Faserfilz hergestellt werden. Dem Ausgangsmaterial zur Herstellung des Faserfilzes können bei Bedarf auch Mineralfasern oder Stahlfasern zugesetzt werden.

Insbesondere bei einer nicht ausschließlichen Verwendung von Kohlen- stofffasern oder Zellulo sefasern als Ausgangsmaterial für den Faserfilz kann dem Ausgangsmaterial vor Durchführung einer Pyrolyse des Faserfilzes ein kohlenstoffbasiertes Bindemittel, wie insbesondere Phenolharz, hinzugefügt werden.

Vorzugsweise weisen die in dem Faserfilz ausgebildeten Strömungskanä- le eine geradlinig ausgebildete Strömungsachse auf, sodass, insbesondere bei der Verwendung des Durchströmungskörpers als Flammensperre eines Porenbrenners, eine möglichst Strömungsverlustfreie Durchströmung des Durchströmungskörpers zur Einbringung eines Gas-Luft- Gemisches in die Verbrennungszone des Porenbrenners ermöglicht wird. Die Gefahr eines Flammenrückschlags kann dabei durch einen möglichst kleinen Durchmesser der Strömungskanäle bei ausreichend großer Anzahl der Strömungskanäle als Voraussetzung zur Einbringung der erforderlichen Gasmenge in die Verbrennungszone vermieden werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser der Strömungskanäle durch die Dicke der auf eine Kanalwandung der Strömungskanäle aufgebrachten Siliziumcarbid-Beschichtung bestimmt ist. Hiermit kann die Siliziumcarbid-Beschichtung des Faserfilzes nicht nur als Oxidations- schutz für den Faserfilz eingesetzt werden, sondern dient darüber hinaus auch zur Kalibrierung der Strömungskanäle. Bevorzugte Verfahren zur Aufbringung der Siliziumcarbid-Beschichtung sind Verfahren, bei denen Siliziumcarbid aus der Dampfphase abgeschieden wird. Die Siliziumcarbid-Beschichtung des Durchströmungskörpers ist daher vorzugsweise im CVI- oder CVD-Verfahren aufgebracht.

Insbesondere in dem Fall, wenn eine besonders weitgehende Silizierung des Faserfilzes gewünscht ist, also eine möglichst weitgehende Auffüllung der Faserzwischenräume im Faserfilz, ist eine Siliziumcarbid- Beschichtung im CVI-Verfahren aufgebracht, sodass in diesem Fall die einzelnen Fasern des Faserfilzes weitestgehend mit einer Siliziumcarbid- Beschichtung umhüllt sind. Vorzugsweise lässt sich der gewünschte Grad der Silizierung bzw. die gewünschte Schichtdicke der Siliziumcarbid-Beschichtung dadurch erreichen, dass die Siliziumcarbid-Beschichtung mehrlagig ausgebildet ist, was beispielsweise dadurch erreicht wird, dass nacheinander mehrere Ofenfahrten ausgeführt werden, bei denen jeweils die Ausbildung einer Siliziumcarbid-Schicht erfolgt.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Durchströmungskörper eine im CVI-Verfahren auf die Kohlenstofffasern des Faserfilzes abgeschiedene erste Siliziumcarbid-Beschichtunglage und zumindest eine zweite auf die erste Beschichtungslage im CVD- Verfahren abgeschiedene Siliziumcarbid-Beschichtunglage aufweist. Somit wird einerseits durch die CVI-Beschichtung eine Siliziumcarbid- Beschichtung der einzelnen Kohlenstofffasern ermöglicht und andererseits durch die CVD-Beschichtung die Ausbildung einer gewünschten Schichtstärke auf der Oberfläche des Durchströmungskörpers beschleu- nigt sowie gleichzeitig auch eine möglichst genaue Kalibrierung der Strömungskanäle erreicht.

Zur Erzielung eines noch weiter verbesserten Oxidationsschutzes für die Kohlenstofffasern des Faserfilzes hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn vor der Beschichtung des Faserfilzes mit einer Siliziumcar- bid-Beschichtung eine Ausbildung einer Pyrokohlenstoffschicht auf den Fasern des Faserfilzes oder zumindest auf den an der Oberfläche des Faserfilzes angeordneten Kohlenstofffasern des Faserfilzes erfolgt.

Beispielsweise kann dies durch eine Nachimprägnierung des karbonisierten Faserfilzes mit anschließender Pyrolyse des Faserfilzes erfolgen. Zur Beeinflussung des Durchströmungsverhaltens der Strömungskanäle können die Strömungskanäle einen sich längs der Strömungsachse ändernden Querschnitt aufweisen, wobei vorzugsweise die Strömungskanäle einen konischen Längsschnitt aufweisen.

Ganz grundsätzlich ist es möglich und auch bevorzugt, die Strömungska- näle durch die Anwendung eines Wasserstrahlschneidverfahrens im

Faserfilz auszubilden, wobei dieses Verfahren sich auch besonders dazu eignet, die Strömungskanäle so auszubilden, dass diese einen konischen Längsschnitt aufweisen, da dieser sich in Folge der Strahlaufweitung des Schneidstrahls ergibt. Durch eine Einstellung der Strahlaufweitung lässt sich somit auch die Längsschnittausbildung der Strömungskanäle vor

Beschichtung der Kanaloberflächen durch Aufbringung der Siliziumcar- bid-Beschichtung beeinflussen.

Abgesehen von der gewählten Geometrie der Strömungskanäle ist für die Funktion der Durchströmungseinrichtung die Dichte oder Verteilung der Strömungskanäle und das Verhältnis der durch die Gesamtheit der Strömungskanäle definierten Durchströmungsfläche zu einer durch die Oberfläche des Durchströmungskörpers definierten Anströmfläche maßgeblich. Betreffend das Verhältnis der Durchströmungsfläche der Strömungskanäle zur Anströmfläche des Durchströmungskörpers hat sich ein Verhältnis zwischen 0, 1 % und 5 % als vorteilhaft herausgestellt.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verhältnis der Durchströmungsfläche zur Anströmfläche von 2 % bis 4 % erwiesen.

Der erfindungsgemäße Porenbrenner weist die Merkmale des Anspruchs

12 auf. Nachfo lgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Durchströmungseinrichtung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Porenbrenners mit einer von einer Durchströmungseinrichtung gebildeten Flammensperre;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt der Durchströmungseinrichtung gemäß Schnittlinienverlauf II-II in Fig. 1 ;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines einer Verbrennungszone des Porenbrenners zugewandten Kanalaustrittsabschnitt des in Fig. 2 dargestellten Strömungskanals;

Fig. 4 einen Kanalübergangsabschnitt des in Fig. 2 dargestellten Strömungskanals;

Fig. 5 einen Kanalmittelabschnitt des in Fig. 2 dargestellten

Strömungskanals . Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Porenbrenners 10 mit einer auf einer Anströmseite einer Verbrennungszone 1 1 angeordneten, hier als Flammensperre fungierenden Durchströmungseinrichtung 12.

Die Durchströmungseinrichtung 12 weist eine Vielzahl von in einem Durchströmungskörper 16 ausgebildeten Strömungskanälen 13 auf, die eine Anströmseite 14 mit einer Ausströmseite 15 des Durchströmungskörpers 16 verbinden. Abweichend von der tatsächlich wesentlich größeren Verteilungsdichte der Strömungskanäle 13 sind zum Zwecke der schematischen Darstellung in Fig. 1 lediglich einige wenige Strömungs- kanäle 13 in einem tatsächlich nicht zutreffenden Größenverhältnis dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsdarstellung der in Fig. 1

dargestellten Durchströmungseinrichtung 12 mit dem Durchströmungskörper 16, der einen Faserfilz 7 aufweist, der im vorliegenden Fall durch Karbonisierung von Polyacrylnitril (PAN)-Fasern gebildete Kohlenstofffasern 1 8 aufweist. Zur Herstellung des in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Durchströmungskörpers 16 wird zunächst auf Basis der Polyacrylnitril (PAN)-Fasern auf bekannte Art und Weise ein Faserfilz hergestellt, der zusätzlich zur Stabilisierung mit einem beispielsweise als Phenolharz ausgebildeten Bindemittel versehen sein kann und ggf. nach hinreichender Aushärtung des Bindemittels in einem Wasserstrahlschneidverfahren zur Ausbildung der Strömungskanäle 13 bearbeitet wird. Die in dem Wasserstrahlschneidverfahren hergestellten Strömungskanäle 13 weisen einen Durchmesser di auf, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 1 ,2 mm beträgt.

Fig. 2 zeigt den Durchströmungskörper 16 nachfo lgend einer Karbonisierung mit den zu Kohlenstofffasern 1 8 umgewandelten PAN-Fasern.

Weiterhin zeigt Fig. 2 den Durchströmungskörper 16 nachfo lgend einer Beschichtung mit Siliziumcarbid, sodass der in Fig. 2 dargestellte

Durchströmungskörper 16, wie aus den vergrößerten Abschnittsdarstel- lungen des Strömungskanals 13 in den Fig. 3 bis 5 hervorgeht, eine Siliziumcarbid-Beschichtung 19 aufweist.

Die Fig. 3 , 4 und 5 zeigen den Strömungskanal 13 in unterschiedlichen Abschnitten längs einer Strömungsachse 27, wobei Fig. 3 einen Kanal- austrittsabschnitt 20 des Strömungskanals 13 auf der Ausströmseite 15 des Durchströmungskörpers 16 darstellt, die Fig. 4 einen Kanalübergangsabschnitt 2 1 darstellt und die Fig. 5 einen Kanalmittelabschnitt 22 darstellt.

Die Ausführung der Siliziumcarbid-Beschichtung 19 des Durchströ- mungskörpers 1 6 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in mehreren Phasen erfolgt, wobei zunächst zur Ausbildung einer ersten Beschichtungslage 24 eine Beschichtung der Kohlenstofffasern 1 8 des Faserfilzes 17 mit Siliziumcarbid in einem CVI-Verfahren erfolgt ist, sodass aufgrund der Infiltration mit Siliziumcarbid eine große Eindring- tiefe erreicht wird, mit der Folge, dass sich das Siliziumcarbid sowohl im Inneren des Durchströmungskörpers 1 6 abseits der Strömungskanäle 13 als auch an den eine Kanalwandung 23 ausbildenden Kohlenstofffasern 1 8 abscheidet, wie insbesondere in Fig. 5 zu erkennen ist.

Zusätzlich zu der ersten im CVI-Verfahren hergestellten Beschichtungs- läge 24 weist der Durchströmungskörper 1 6 eine weitere Beschichtungslage 25 auf, die ebenfalls durch eine Abscheidung von Siliziumcarbid aus der Dampfphase erfolgt, wobei hier j edoch die Parameter der Dampf- phasenabscheidung so gewählt sind, dass die Abscheidung der Beschichtungslage 25 im CVD-Verfahren erfo lgt, also nicht die Eindringtiefe wie bei der Infiltration mit Siliziumcarbid (CVI) erreicht wird, sondern vielmehr die Beschichtungslage 25 auf der Oberfläche des Durchströmungskörpers 16 ausgebildet wird, mit der Folge, dass die Beschichtungslage 25 eine sowohl von der Anströmseite 14 als auch von der Ausströmseite 15 in Richtung des Kanalmittelabschnitts 22 abnehmende Beschichtungsstärke aufweist. Fig. 3 zeigt deutlich, dass die Siliziumcarbid-Beschichtung 19 insbesondere im Bereich eines Strömungskanalaustrittsrands 26 des Kanalaustrittsabschnitts 20 eine vergleichsweise größere Beschichtungsstärke als im Bereich des Kanalübergangsabschnitts 21 zwischen dem Kanalaustrittsabschnitt 20 und dem Kanalmittelabschnitt 22 aufweist.

Aufgrund der Siliziumcarbid-Beschichtung 19 im Kanalaustrittsabschnitt 20 , die im Fall des dargestellten Ausführungsbeispiels eine Schichtstärke von etwa 200 μιη aufweist, ist der Kanalquerschnitt von ursprünglich di ist gleich 1 ,2 mm auf d ₂ ist gleich 0, 8 mm reduziert. Die Anzahl und Art der durchgeführten Beschichtungsgänge, als CVI oder CVD, können so gewählt werden, dass ausgehend von dem ursprünglichen Durchmesser der Strömungskanäle 13 der Durchmesser durch Aufbringung der Siliziumcarbid-Beschichtung 19 auf den gewünschten Durchmesser eingestellt werden kann.

Im vorliegenden Fall wurde ein kombiniertes CVI-CVD-Beschichtungs- verfahren gewählt mit sieben aufeinander folgenden Beschichtungsgän- gen im CVI-Verfahren und drei daran anschließenden Beschichtungsgän- gen im CVD-Verfahren.