DE102013221286A1

DE102013221286A1 - Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, z. B. für ein Luftfahrttriebwerk

Info

Publication number: DE102013221286A1
Application number: DE201310221286
Authority: DE
Inventors: Tim Richter
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: DE102013221286B4

Abstract

Die Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer z.B. für ein Luftfahrtriebwerk, ist versehen mit einer Brennkammerwand (12), die eine hohen Temperaturen aussetzbare Innenseite (28) und eine der Innenseite (28) abgewandte Außenseite (20) aufweist, einer Vielzahl von die Brennkammerwand (12) durchdringenden Kühlluftdurchlässen (18) mit Kühllufteinlassöffnungen an der Außenseite (20) der Brennkammerwand (12) sowie mit Kühlluftauslassöffnungen (26) an der Innenseite der Brennkammerwand (12) und den Kühlluftauslassöffnungen (26) vorgeschaltete Kühlluftkanäle (22), die im Wesentlichen parallel zur Außenseite (20) der Brennkammerwand (12) sowie auf dieser verlaufen und die Kühlluftkanaleinlässe (30) sowie in die Kühllufteinlassöffnungen (24) mündende Kühlluftkanalauslässe (32) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer und insbesondere eine Brennkammer einer Gasturbine, bei der es sich beispielsweise um ein Luftfahrttriebwerk handeln kann.
Die Wände von Heißgaskammern, insbesondere von Brennkammern sind extremen Temperaturen ausgesetzt. Dies gilt vor allem für Gasturbinenbrennkammern bzw. Flugtriebwerksbrennkammern. Insoweit ist also eine Kühlung der Brennkammerwände erforderlich.
Es ist bekannt, die Wände von Brennkammern durch Kühlfilme zu kühlen, die auf der Innenseite der Brennkammer entlang strömen und insoweit einen Film zwischen den heißen Verbrennungsgasen und der Brennkammerwand bilden. Durch schräg angestellte Bohrungen in der Brennkammerwand (sog. Effusionsbohrungen) kann dieser Kühlfilm effizient erzeugt werden. Dadurch, dass die Effusionsbohrungen schräg angestellt sind, bilden sich Kühlluftdurchlässe, deren Innenflächen größer sind als in dem Fall, in dem die Bohrungen senkrecht durch die Brennkammerwand führen würden. Über die vergrößerte Innenfläche dieser Effusionsbohrungen wird zusätzlich Wärme von der Brennkammerwand an die die Effusionsbohrungen durchströmende Kühlluft abgegeben, womit die Kühlwirkung weiter verbessert wird.
Ein Beispiel für die Kühlung von extremen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen wie beispielsweise Brennkammerwänden und Turbinenschaufeln ist in US 5 326 224 offenbart.
Aus Gewichtsgründen ist man insbesondere bei Flugtriebwerken daran interessiert, die Brennkammerwand möglichst dünn auszuführen. Je dünner aber die Brennkammerwand ist, desto weniger ist eine Führung des Kühlluftstroms an der Innenseite der Brennkammerwand möglich, da die Kühlluft in die Brennkammerwand im Wesentlichen quer zur Brennkammerwanderstreckung einströmt, womit die Kühlwirkung abnimmt. Darüber hinaus verringert sich mit verminderter Brennkammerdicke die Innenfläche der Kühlluftdurchlässe, womit weniger Wärme von der Brennkammerwand an die Kühlluft abgegeben und damit ebenfalls die Kühlwirkung verringert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, auch bei dünnwandigen Brennkammern noch effizient einen Kühlfilm zu erzeugen, wie es durch den Einsatz von Effusionsbohrungen möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, z.B. für ein Luftfahrttriebwerk vorgeschlagen, die versehen ist mit einer Brennkammerwand, die eine hohen Temperaturen aussetzbare Innenseite und eine der Innenseite abgewandte Außenseite aufweist, einer Vielzahl von die Brennkammerwand durchdringenden Kühlluftdurchlässen mit Kühllufteinlassöffnungen an der Außenseite der Brennkammerwand sowie mit Kühlluftauslassöffnungen an der Innenseite der Brennkammerwand und den Kühlluftauslassöffnungen vorgeschaltete Kühlluftkanäle, die im Wesentlichen parallel zur Außenseite der Brennkammerwand sowie auf dieser verlaufen und die Kühlluftkanaleinlässe sowie in die Kühllufteinlassöffnungen mündende Kühlluftkanalauslässe aufweist.
Das erfindungsgemäße Konzept der Erzeugung eines Kühlfilms durch Effusionsbohrungen bei dünnwandigen Brennkammern besteht darin, außen an der Brennkammerwand eine Vielzahl von Kühlluftkanälen zu schaffen, die jeweils in einer Effusionsbohrung bzw. allgemeiner ausgedrückt einem Kühlluftdurchlass enden. Dabei sind die Kühlluftkanäle im Wesentlichen parallel zur Außenseite der Brennkammerwand geführt, wobei hier kleine spitze Winkel zwischen 0° und bis zu 20° bzw. bis zu 30° möglich sind. Durch diese Kühlluftführung außerhalb der Brennkammerwand wird dem Kühlfilm eine Vorzugsrichtung verliehen, die der Kühlfilm beibehält, wenn die Kühlluft durch die Effusionsbohrungen bzw. durch die Kühlluftdurchlässe in den Innenraum der Brennkammer einströmt.
Durch die in Folge der Kühlluftkanäle vergrößerte Kontaktfläche von Kühlluft zur Brennkammerwand erhöht sich auch bei dünnwandigen Brennkammern die thermische Kopplung der Brennkammerwand an die Kühlluft, womit wiederum die Kühlwirkung steigt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ferner eine Außenwand vorgesehen sein, die zusammen mit der Brennkammerwand eine Brennkammerdoppelwand mit einem Zwischenraum zwischen der Brennkammerwand und der Außenwand bildet, wobei die Außenwand eine der Außenseite der Brennkammerwand gegenüberliegende Innenseite und eine dieser abgewandte Außenseite aufweist, wobei sich durch die Außenwand hindurch eine Vielzahl von Kühlluftdurchlässen mit Kühllufteinlässen an der Außenseite der Außenwand und mit über den Zwischenraum in Strömungsverbindung mit den Kühlkanaleinlässen stehende Kühlluftauslässe an der Innenseite der Außenwand erstrecken. Bei diesem Doppelwandkonzept nutzt man die sog. Zusätzliche Prallkühlung, indem die durch die Kühlluftdurchlässe der Außenwand einströmende Kühlluft auf die Außenseite der Brennkammerwand auftrifft, sich dort insbesondere zu allen Seiten hin verteilt, um vor dort in die Kühlluftkanäle zu gelangen. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn in dem Zwischenraum mit den Kühlluftdurchlässen der Außenwand fluchtende Prallelemente zur seitlichen Umlenkung der Kühlluft angeordnet sind. Dabei kann die seitliche Umlenkung der Kühlluft in diametral gegenüberliegenden Luftabführrichtungen erfolgen.
Ferner kann es zweckmäßig sein wenn, die Außenwand auf den der Brennkammerwand abgewandten Oberseiten der Kühlluftkanäle aufliegt oder dass Bereiche der Außenseite der Außenwand diese Oberseiten der Kühlluftkanäle bilden.
Was die Herstellung der Brennkammerwand zur erfindungsgemäßen Erzeugung eines Kühlluftstroms bzw. Kühlluftfilms betrifft, so ist es von Vorteil, wenn die Brennkammerwand einschließlich der Kühlluftkanäle, der Kühlluftdurchlässe und der Ein- und Auslässe mittels eines Metalldruckverfahrens, eines generativen Laserschmelzverfahrens oder eines generativen Lasersinterverfahrens hergestellt ist.
Entscheidend für die Erfindung ist die an der Außenseite der Brennkammerwand vorgesehene "Verlängerung" der Effusionsbohrungen entlang der Brennkammerwand durch eine Art Rohr (tube) oder "Hutze", bzw. allgemein ausgesprochen, durch Kühlluftkanäle. Die Wanddicke der Brennkammer kann durch diese Maßnahme signifikant reduziert werden, ohne dass sich dadurch die Erzeugung und Ausbreitung des Kühlfilms des Wandkühlungssystems der Brennkammer auf deren Innenseite verschlechtert. Durch die außenseitigen Hutzen gelingt es gerade bei dünnen Brennkammerwänden, dass die in die Brennkammer eintretende Kühlluft ihre Strömungsrichtung parallel zur Brennkammerwanderstreckung beibehält, also auf der Innenseite der Brennkammerwand als Kühlfilm entlangströmt. Dieser Kühlfilm auf der Innenseite der Brennkammerwand wirkt nach Art einer Isolation, durch die die heißen Verbrennungsgase an einer unmittelbaren Kontaktierung der Brennkammerwand gehindert werden. Durch die Länge der Kühlluftkanäle und deren Führung im Wesentlichen parallel zur Brennkammerwand wird ein ungewolltes Eindringen der Kühlluftstrahlen in die Brennkammer verhindert. Gleichzeitig bleibt eine ausreichend große Innenoberfläche der Kühlluftkanäle für den Wärmeaustausch erhalten, wobei die Größe dieser Fläche vergleichbar ist mit denen bei der konventionellen Effusionskühlung mit schräg gestellten Effusionsbohrungen bei entsprechend dick ausgebildeten Brennkammern. Durch den Einsatz von generativen Fertigungsverfahren ist das erfindungsgemäße Kühlkonzept zudem günstig herstellbar. Durch die erfindungsgemäß nun möglichen geringen Wanddicken von Brennkammern ist eine Reduktion der Wandkammerdicken bis zu 60% möglich, ohne dass sich die Kühlleistung und die Ausbreitung des Kühlfilms wesentlich verändert. Erste numerische Abschätzungen zeigen einen Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion in der Kühleffektivität in Bezug zur konventionellen Effusionskühlung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
1 schematisch eine Brennkammer im Längsschnitt mit einer Vielzahl von Effusionsbohrungen sowie diesen jeweils vorgeschalteten außenliegenden Kühlluftkanälen,
2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II der 1,
3 eine perspektivische Darstellung auf einen Abschnitt der Außenseite der Brennkammerwand, auf der mehrere Kühlluftkanäle verlaufen,
4 eine Darstellung ähnlich der 1, jedoch mit doppelwandiger Brennkammer und
5 eine perspektivische Darstellung eines Bereichs der doppelwandigen Brennkammerwand, teilweise aufgebrochen.
1 zeigt ein Beispiel für eine Brennkammer 10 eines beispielsweise Luftfahrttriebwerks, die eine dünne Brennkammerwand 12 aufweist. Über eine Öffnung 14 gelangt verdichtete Luft in die Brennkammer 10, wo die Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Die heißen Verbrennungsgase treten bei 16 aus der Brennkammer wieder heraus, wobei die Brennkammerwand 12 diesen heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist.
Die Brennkammer 10 ist mit einem Wandkühlungssystem ausgestattet, bei dem auf der Innenseite der Brennkammerwand 12 ein Kühlfilm entlang strömt der wie eine Isolation zwischen den heißen Verbrennungsgasen und der Brennkammerwand 12 wirkt. Zur Erzeugung des Kühlfilms dient eine Vielzahl von Kühlluftdurchlässen 18 (auch Effusionsbohrungen genannt), die sich in diesem Ausführungsbeispiel schräg durch die Brennkammerwand 12 erstrecken. Auf der Außenseite 20 der Brennkammerwand 12 sind insbesondere einteilig mit der Brennkammerwand 12 hergestellte Kühlluftkanäle 22 angeordnet, die jeweils in einem Kühlluftdurchlass 18 münden. Jeder Kühlluftdurchlass 18 weist eine Kühllufteinlassöffnung 24 an der Außenseite 20 der Brennkammerwand 12 und eine Kühlluftauslassöffnung 26 an der Innenseite 28 der Brennkammer 12 auf. Jeder außen auf der Brennkammerwand 12 angeordnete Kühlluftkanal 22 ist mit einem Kühlluftkanaleinlass 30 und einem Kühlluftkanalauslass 32 versehen, zwischen denen sich der Kühlluftkanal 22 erstreckt. Dabei mündet der Kühlluftkanalauslass 32 in die Kühllufteinlassöffnung 24 des zugeordneten Kühlluftdurchlasses 18. Dies ist in 2 zeichnerisch dargestellt.
3 zeigt perspektivisch eine Außenansicht auf einen Teilbereich der Brennkammerwand 12.
In den 4 und 5 sind diejenigen Bauteile der Brennkammerwand und des Wandkühlungssystems, die konstruktiv bzw. funktional gleich den Bauteilen gemäß den 1 bis 3 sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 ist die Brennkammer 10' als Doppelwandstruktur ausgebildet und weist neben der eigentlichen Brennkammerwand 12 noch eine Außenwand 40 auf. In der Außenwand 40 sind eine Vielzahl von Kühlluftdurchlässen 42 ausgebildet, durch die Kühlluft strömt, wobei die einzelnen Kühlluftstrahlen auf die Außenseite 20 der Brennkammerwand 12 auftreffen (Pralleffekt) und zur Seite in den Zwischenraum 44 zwischen der Außenwand 40 und der Brennkammerwand 12 verteilt strömen. In Verlängerung der Kühlluftdurchlässe 42 der Außenwand 40 können auf der Außenseite 20 der Brennkammerwand 12 Prallelemente 46 angeordnet sein, wie dies auch in 5 gezeigt ist. Als Kühlmedium kommt insbesondere ein gasförmiges Medium und insbesondere Luft in Frage. Alternativ kann aber auch ein flüssiges Kühlmedium eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5326224 [0004]

Claims

Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer z.B. für ein Luftfahrttriebwerk, mit – einer Brennkammerwand (12), die eine hohen Temperaturen aussetzbare Innenseite (28) und eine der Innenseite (28) abgewandte Außenseite (20) aufweist, – einer Vielzahl von die Brennkammerwand (12) durchdringenden Kühlluftdurchlässen (18) mit Kühllufteinlassöffnungen an der Außenseite (20) der Brennkammerwand (12) sowie mit Kühlluftauslassöffnungen (26) an der Innenseite der Brennkammerwand (12) und – den Kühlluftauslassöffnungen (26) vorgeschaltete Kühlluftkanäle (22), die im Wesentlichen parallel zur Außenseite (20) der Brennkammerwand (12) sowie auf dieser verlaufen und die Kühlluftkanaleinlässe (30) sowie in die Kühllufteinlassöffnungen (24) mündende Kühlluftkanalauslässe (32) aufweist.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftkanäle (22) in einer zur Außenseite der Brennkammerwand (12) im Wesentlichen orthogonalen Erstreckung eine Höhe aufweisen und dass die Höhe der Kühlluftkanäle (22) in Strömungsrichtung der Kühlluft betrachtet spätestens im Bereich der stromaufliegenden Randabschnitte der Kühllufteinlassöffnungen (24) der Brennkammerwand (12) bis zu den Enden der Kühlluftkanäle (22) abnimmt.
Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Außenwand, die zusammen mit der Brennkammerwand (12) eine Brennkammerdoppelwand mit einem Zwischenraum zwischen der Brennkammerwand (12) und der Außenwand bildet, wobei die Außenwand eine der Außenseite der Brennkammerwand (12) gegenüberliegende Innenseite (28) und eine dieser abgewandte Außenseite (20) aufweist, wobei sich durch die Außenwand (40) hindurch eine Vielzahl von Kühlluftdurchlässen (42) mit Kühllufteinlässen an der Außenseite (20) der Außenwand (40) und mit über den Zwischenraum in Strömungsverbindung mit den Kühlluftkanaleinlässen (30) stehende Kühlluftkanalauslässe (32) an der Innenseite (28) der Außenwand (40) erstrecken.
Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum mit den Kühlluftdurchlässen (42) der Außenwand (40) fluchtende Prallelemente zur seitlichen Umlenkung der Kühlluft angeordnet sind.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (40) auf den der Brennkammerwand (12) abgewandten Oberseiten der Kühlluftkanäle (22) aufliegt oder dass Bereiche der Außenseite (20) der Außenwand (40) diese Oberseiten der Kühlluftkanäle (22) bilden.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (12) einschließlich der Kühlluftkanäle (22), der Kühlluftdurchlässe und der Ein- und Auslässe mittels eines Metalldruckverfahrens, eines generativen Laserschmelzverfahrens oder eines generativen Lasersinterverfahrens hergestellt ist.