DE1059719B - Gekuehlte Wand einer Verbrennungskammer, insbesondere fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die gekühlte Wand von Verbrennungskammern, insbesondere für Gasturbinen.

Derartige Verbrennungskammern sind in einem sie stützenden Gehäuse untergebracht. Wegen der hohen Temperaturen im Innern der Verbrennungskammer müssen ihre Wände gekühlt werden. Einmal um einem zu raschen Verbrauch vorzubeugen und zum anderen um das Gehäuse vor zu großer Hitze zu schützen. Eine Herstellung der Verbrennungskammern aus keramischer Masse ist bedenklich, weil die keramischen Wände bei den hohen Temperaturen und durch den Temperaturwechsel während des Betriebes und während des Stillstandes allmählich zerstört werden, wobei die abgelösten Teilchen Erosionen in der Turbine hervorrufen können. Die Verbrennungskammern werden deshalb aus hochlegiertem hitzebeständigem Metall angefertigt, sie sind deshalb sehr teuer.

Um die Temperatur der Wandung der Verbrennungskammern in erträglichen Grenzen zu halten, wurde vorgeschlagen, die Verbrennungskammer selbst doppelwandig auszuführen und durch den Hohlraum zwischen den beiden Wänden eine Kühlflüssigkeit durchfließen zu lassen. Bei dieser Ausführung ist die \''erbrennungskammer vollständig in das Gehäuse eingebettet. Dieses wurde wieder doppelwandig ausgebildet, um ein nach außen isolierendes Luftpolster zu schaffen. Aus Herstellungsgründen wurde die Verbrennungskammer als ein in sich geschlossener, wenn auch aus mehreren Teilen hergestellter Körper ausgebildet. Dessen Herstellung ist sehr umständlich, zeitraubend und teuer. Außerdem ist die Ausbildung der Verbrennungskammer als in sich geschlossener Körper unvorteilhaft, weil in ihm durch die hohen Temperaturen recht erhebliche Spannungen in der Wandung auftreten, die leicht zu Rissen führen können.

Wesentlich günstiger in bezug auf die Herstellung und im Hinblick auf die Wärmeausdehnung ist die gebräuchlichere Bauweise, bei welcher die Verbrennungskammer aus in ihrer Längsrichtung gegeneinander verschiebbaren Schüssen oder gar aus zu Schüssen zusammengesetzten Segmenten gebildet wird. Bei dieser Ausführung ist zwischen der Verbrennungskammer und der Gehäusewandung ein Zwischenraum belassen, durch welchen in der Längsrichtung der Verbrennungskammer Kühlluft geleitet wird, und zwar von dem kälteren Ende, an welchem sich die Einspritzdüse befindet, nach dem heißeren Teile hin. Mitunter wird diese Luft dann in erhitztem Zustande in die Verbrennungskammer übergeführt. Trotz dieser Kühlung treten sowohl in der Wandung der Verbrennungskammer als auch im Gehäuse so er-

Gekühlte Wand

einer Verbrennungskammer,

insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:
Dr.-Ing. Jan Jerie und Zdenek Fenci, Prag

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,
Göttingen, Groner Str. 37

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 16. Juni 1955

Dr.-Ing. Jan Jerie und Zdenek Fenci, Prag,
sind als Erfinder genannt worden

hebliche Temperaturen auf, daß auch die Gehäusewandung aus hitzebeständigem Material hergestellt werden muß. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, bei derartigen Gestaltungen der Verbrennungskammer das Gehäuse doppelwandig auszuführen und durch den Hohlraum zwischen den beiden Wänden Wasser oder Chemikalien zu leiten, die zur anderweitigen Verwendung verdampft oder stark erhitzt werden sollen. Auch bei dieser Ausführung strömt das Kühlmittel in Längsrichtung der meist zylindrischen Verbrennungskammer, je nach den Verhältnissen von deren kältesten Teil zum heißesten Teil oder umgekehrt. Bei dieser Ausführung wird zwar die Temperatur der Gehäusewand in erträglichen Grenzen gehalten, eine wirksame Kühlung der Verbrennungskammer selbst tritt jedoch nicht ein.

Schließlich ist auch eine Einrichtung bekannt, bei welcher die Verbrennungskammer aus auf der Außenseite mit Längsrippen versehenen Segmenten in mehreren Schüssen gebildet ist, die von Schuß zu Schuß an Durchmesser derart zunehmen, daß der eine Schuß in den nächsten Schuß eingreift. Jeder aus Segmenten zusammengesetzte Schuß ist von einem Metallmantel umgeben, an dessen oberem Ende die Segmentstücke mit außen vorstehenden Haken aufgehängt sind. Das Ganze ist in ein einwandiges Metallgehäuse von einem Durchmesser eingebaut, daß selbst an der Stelle, an welcher sich der Schuß von größtem Durchmesser befindet, zwischen diesem und der Gehäusewandung ein Zwischenraum verbleibt. Das Gehäuse ist am oberen.

909 557/148

Ende mit einem Lufteintrittsstutzen versehen. Die eintretende Luft wird teils unmittelbar der in den Schuß von kleinstem Durchmesser ragenden Einspritzdüse zugeführt, teils strömt sie in den Raum zwischen den Schüssen und der Gehäusewandung, aus dem sie durch die Zwischenräume zwischen den Längs rippen der Segmente in das Innere der Schüsse und damit in die Verbrennungskammer tritt. Die Kühlluft strömt also auch hier in Längsrichtung der Verbrennungskammer und kühlt dabei sowohl die Segmentstücke von der Außenseite als auch die die Schüsse umgebenden Mantel und schließlich auch noch die Gehäusewandung von innen. Die so strömende Luft wird aber auf ihrem Wege immer heißer und ihre Kühlwirkung geringer. Der untere Teil der Verbrennungskammer und das Gehäuse sind deshalb noch so hohen Temperaturen ausgesetzt, daß das Gehäuse aus hochivertigem Metall und die Segmentstücke aus hochlegiertem Metall angefertigt werden müsen. Unvorteilhaft ist bei dieser Ausführung baulieh, daß wegen der Zunahme des Durchmessers der Schüsse, die zur Luftzuführung längs der Rippen der Segmentstücke erforderlich ist, Segmentstücke der verschiedensten Größe verwendet werden müssen.

Die Erfindung bezweckt, die Kühlung durch Luft so wirksam zu gestalten, daß zur Anfertigung der Segmentstücke nicht mehr hochlegiertes Metall erforderlich ist und zur Herstellung des Gehäuses unlegiertes billiges Blech verwendet werden kann. Sie geht von der zuletzt beschriebenen bekannten Ausführung aus, die allgemein betrachtet eine aus in einem Doppelmantel eingelegten gerippten Segmenten bestehende Verbrennungskammer darstellt, bei der die Innenwände des Doppelmantels mit Öffnungen zur Verteilung des Kühlmittels versehen sind. Zur Lösung der Aufgabe ist gemäß der Erfindung der Doppelmantel als ein mit senkrecht zur Achse stehenden Zwischenwänden versteifter Tragmantel ausgebildet, wobei diese Zwischenwände ein Netz von Kanälen zur tangentialen Kühlluftzuführung zu den einzelnen mit in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen besetzten Segmenten der gekühlten Wand bilden. Die Anzahl der Öffnungen in der Innenwand des Tragmantels stimmt zweckmäßig mit der Anzahl der Segmente der eigentlichen gekühlten Wand überein, wobei im Falle der Kühlung durch einen äußeren Luftstrom eine Hälfte der Öffnungen zur Zufuhr und die eine Hälfte zur Abfuhr der Kühlluft dient, während im Falle einer beiderseitigen Kühlung der Segmentstücke durch alle öffnungen Kühlluft zugeführt wird. Die öffnungen in der Innenwand werden vorteilhaft in Höhe der Stoßstellen der Segmente angeordnet.

Bei der ernndimgsgemäßen Ausbildung wird der zu kühlenden Wandung der Verbrennungskammer in verschiedenen Zonen frische Luft zugeführt, die an den Segmenten in Richtung des Umfanges entlangströmt. Im Hinblick auf diese Richtung des Kühlstromes sind die Rippen an den Segmentstücken nicht in Längsrichtung verlaufend angeordnet, sondern in Richtung des Umfanges. Da den verschiedenen Zonen der Verbrennungskammer Frischluft zugeführt wird, findet eine ganz intensive Kühlung der Verbrennungskammerwand statt. Auch die Kühlung des Gehäusedoppelmantels ist durch die viele Kanäle durchströmende Frischluft sehr wirksam.

Infolgedessen ist es möglich, den Tragmantel durch Schweißung aus Blechteilen herzustellen, während die gerippten Segmente aus einer hitzebeständigen Legierung gegossen sind.

Beispiele der Ausführung der gekühlten Wand einer Verbrennungskammer gemäß der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, und zwar in

Fig. 1, 2 und 3 für den Fall der Kühlung der Wand durch einen äußeren Luftstrom und in

Fig. 4, 5, 6 und 7 für eine beiderseits gekühlte Wand.

Für den erstgenannten Fall veranschaulicht

Fig. 1 einen radialen Schnitt durch einen Teil der zylindrischen Wand gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch diesen Teil der Wand in einer zur Achse senkrechten Ebene und

Fig. 3 einen aufgerollten zylindrischen Schnitt.

Der Tragmantel besteht aus zwei zylindrischen Wänden 1, 2, welche zusammen mit den ringförmigen Wänden 3, 4, 5 ein System von Kanälen für die Zufuhr und Abfuhr der Kühlluft bilden. Die derart gebildete Tragkonstruktion ist natürlich sehr starr und gleichzeitig verhältnismäßig leicht. In der inneren zylindrischen Wand 2 und in der ringförmigen Wand 4 sind Ausschnitte vorgesehen, in welche Formeinlagen 6, 7 eingreifen. Durch diese fließt den Segmenten 8 Kühlluft zu, die durch den Stutzen 9 zugeführt wird und nach dem Abkühlen der Segmente 8 wiederum gegen den Austrittsstutzen 10 abfließt. Die Segmente 8. welche die eigentliche den Raum der Verbrennungskammer 8 begrenzende gekühlte Wand bilden, sind mit Rippen versehen, die die Wirkung der äußeren Kühlung erhöhen. Die richtige Lage der Segmente 8 in dem Tragmantel wird durch einfache Zentrierelemente gesichert. In dem vorliegenden Fall greifen die Formeinlagen 6, 7 in entsprechende Ausschnitte in den Rippen der Segmente 8 ein, wobei die Segmente gegeneinander mittels einer Feder und Nut in den Teilflächen zentriert sind, welche parallel mit der Achse sowie senkrecht zu derselben verlaufen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, stimmt die Anzahl der Ausschnitte in der Innenwand 2 des Tragmantels mit der Anzahl der Segmente 8 der eigentlichen gekühlten Wand überein, wobei eine Hälfte der Ausschnitte für die Zufuhr und eine Hälfte zur Abfuhr der Kühlluft dient.

Fig. 4 und 5 veranschaulichen in einem Längs- und Querschnitt ein anderes Ausführungsbeispiel der gekühlten Wand gemäß der Erfindung, und zwar zur Kühlung der Wand an beiden Seiten. Der Tragmantel besteht wiederum aus zwei zylindrischen Wänden 11. 12, die zusammen mit den ringförmigen Wänden 13, 14 Kanäle für die Zufuhr von durch den Stutzen 15 zufließender Kühlluft bilden. In der inneren zylindrischen Wand 12 sind Längsausschnitte vorgesehen, an deren Rändern die zylindrische Wand durch Rippen 16 und 17 (Fig. 5) versteift ist. Durch die Ausschnitte fließt eine abgemessene Kühlluftmenge gegen die gerippten Segmente 18 zu, welche die eigentliche den Raum der Verbrennungskammer begrenzende Kühlwand bilden. Die gerippten Segmente 18 sind vorzugsweise als Abgüsse aus hitzebeständigen Legierungen gebildet. Die den Raum der Verbrennungskammer begrenzende Wand des Segmentes ist mit Schlitzen versehen, durch welche die Kühlluft in der Richtung der Pfeile 19 in die Grenzschicht an die erwärmte Seite des Segmentes ausfließt. Die richtige Lage der Segmente 18 in dem Tragmantel wird durch Lagerung auf Feder und Nut gesichert. Die Feder wird an dem Tragmantel durch die Versteifungsrippe gebildet, die Rille ist in den Rippen des Segmentes 18 angeordnet. Einander gegenüber sind die Segmente 18 wiederum auf Feder und Nut zentriert, wobei die Zentrierung in konstruktiver

Hinsicht derart beschaffen ist. daß sie gleichzeitig die Führung der Kühlluft aus dem Tragmantel in das Segment gemäß dem Pfeil 20 sowie auch die Leitung der Luft aus dem Segment in die Grenzschicht an die erwärmte Seite des Segmentes gemäß dem Pfeil 21 gewährleistet.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß auch in diesem Falle die Anzahl der Ausschnitte in der Innenwand 12 des Tragmantels mit der Anzahl der Segmente 18 übereinstimmt; bei beiderseitiger Kühlung wird natürlich durch alle Ausschnitte Kühlluft zugeführt.

Fig. 6 und 7 veranschaulichen beispielsweise weitere Verfahren zum Zentrieren von gerippten Segmenten in bezug auf die Tragkonstruktion der gekühlten Wand sowie einander gegenüber, wodurch ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung der Segmente sowie deren Zusammenstellung gewährleistet wird.

Gemäß Fig. 6 ist in der Innenwand 22 des Tragmantels ein Ausschnitt für die Zufuhr von Kühlluft gemäß dem Pfeil 23 vorgesehen. Die Versteifung der Wand 22 bei dem Ausschnitt wird durch einen Saum 24 und eine angeschweißte Rippe 25 gesichert, wobei die Rippe 25 auch an die andere Seite der Wand 22 ausragt, wo sie eine Verriegehingsfeder 26 bildet. In dem Segment 27 ist eine Verriegelungswand 28 angeordnet, die in die Feder 26 eingreift. Diese Wand bildet mit dem Endteil der inneren Schlitzwand 29 eine Rille, in welche die Schlitzwand 30 des benachbarten Segmentes 31 eingreift. In den Rippen 32 dieses Segmentes ist eine Rille vorgesehen, in welche die Verriegelungswand 28 des Segmentes 27 eingreift. Die Rippen 32 des Segmentes 31 stützen sich gegen die Verriegelungsfeder 26 und fixieren dadurch in der Umfangsrichtung die Lage des Segmentes gegenüber der Tragkonstruktion.

In Fig. 7 bedeutet wiederum 33 die Innenwand des Tragmantels mit einem Ausschnitt, der durch den Saum 34 und die Rippe 35 versteift ist, wobei die Rippe 35 wiederum an die andere Seite der Wand 33 ausragt und dort eine Verriegelungsfeder 36 bildet. An dem Segment 37 ist eine in die Verriegelungsfeder 36 eingreifende Verriegelungswand 38 vorgesehen. Die Verriegelungswand 38 bildet zusammen mit der Schlitzwand 39 eine Nut, in welche ein Vorsprung der Schlitzwand 40 des benachbarten Segmentes 41 eingreift. Die Rippen 42 dieses Segmentes greifen wiederum in die Verriegelungsfeder 36 ein und sichern so die Umfangslage des Segmentes.

Die beschriebenen Ausführungen der gekühlten Wand sind nur ein Beispiel der Anordnung gemäß der Erfindung, welche die Konstruktion und Herstellung von gekühlten Wänden von Verbrennungskammern ermöglicht, die eine hohe Lebensdauer auch unter sehr schweren Betriebsbedingungen gewährleistet, und zwar ohne Bedarf an teurem hochlegiertem Material. Dies sind natürlich bedeutende Vorteile, die insbesondere bei der Lösung von Verbrennungskammern für stationäre sowie Fahrzeugantriebsturbinen zur Geltung kommen können, wo ein größeres Gewicht der Konstruktion aus gegossenen Elementen nicht von Nachteil ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gekühlte Wand einer aus in einem Doppelmantel eingelegten gerippten Segmenten bestehenden Verbrennungskammer, insbesondere für Gasturbinen, wobei die Innenwand des Doppelmantels mit Öffnungen zur Verteilung des Kühlmittels versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelmantel (1, 2 in Fig. 1 und 3 bzw. 11, 12 in Fig. 4) als ein mit senkrecht zur Achse stehenden Zwischenwänden (3, 4, 5, 6 in Fig. 1 und 3 bzw. 13,14 in Fig. 4) versteifter Tragmantel ausgebildet ist, wobei diese Zwischenwände ein Netz von Kanälen zur tangentialen Kühlluftzuführung zu den einzelnen mit in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen besetzten Segmenten der gekühlten Wand bilden.

2. Gekühlte Wand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Öffnungen in der Innenwand (2) des Tragmantele mit der Anzahl der Segmente (8) der eigentlichen gekühlten Wand übereinstimmt, wobei im Falle der Kühlung durch einen äußeren Luftstrom (Fig. 1 bis 3) eine Hälfte der Öffnungen zur Zufuhr und die eine Hälfte zur Abfuhr der Kühlluft dient, während im Falle einer beiderseitigen Kühlung (Fig. 4, 5) durch alle Öffnungen Kühlluft zugeführt wird.

3. Gekühlte Wand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungen in der Innenwand in Höhe der Stoßstellen der Segmente befinden.

4. Gekühlte Wand nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den öffnungen des Innenmantels nach den Segmenten zu vorstehende Stege vorgesehen sind, welche in entsprechende Aussparungen an der äußeren Kante der Rippen der an den Stoßstellen in bekannter Weise durch Nut und Feder verriegelten Segmente eingreifen.

5. Gekühlte Wand nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragmantel durch Schweißung aus Blechteilen hergestellt ist, während die gerippten Segmente aus einer hitzebeständigen Legierung gegossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 904 255;
schweizerische Patentschrift Nr. 255 541;
französische Patentschrift Nr. 461 011;
britische Patentschriften Nr. 710 287, 677 602,
151;
USA.-Patentschrift Nr. 2 617 255.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 557/148 6.