DE1476789A1

DE1476789A1 - Kuehlsystem

Info

Publication number: DE1476789A1
Application number: DE19661476789
Authority: DE
Inventors: Campbell Thomas Chase; Edward Edstedt; Macaulay Robert Wallace
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-10-01
Filing date: 1966-06-18
Publication date: 1969-10-23
Also published as: CH451600A; SE330802B; NL6609154A; US3307354A; BE683582A; GB1108705A

Description

15. Juni 1966.

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Unser Zeiohen: G 1051

Kühlsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem und insbesondere auf einen Verbrennungskammeraufbau für Gasturbinentriebwerke.

Bei gegenwärtigen Plugzeugtriebwerken und bei Triebwerken, die sich im Entwicklungsstadium befinden, werden immer höher und höher liegende Betriebstemperaturen verwendet. Zusätzlich werden die Zeitabschnitte zwischen Triebwerksüberholungen erheblich verlängert, um die Wartungskosten zu verringern. Ein Bauteil von Triebwerken, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist und der eine geringe Lebensdauer hat, ist die Verbrennungskammer. Venn es also erwünscht ist, den Zeitabschnitt zwischen Triebwerksüberholungen zu verlängern, so ist es erforderlich, daß ein Kühlsystem oder eine Kühleinrichtung für eine Verbrennungskammer vorgesehen wird, die unter wesentlich härteren Bedingungen, höhren Temperaturen und während größerer Zeitabschnitte betriebssioherarbeitet.

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Die gegenwärtig verwendeten Brennkammern sind im allgemeinen ringförmige Systeme, die im wesentlichen aus einander teleskopartig überlappenden Ringen bestehen· Die sich teleskopartig überlappenden Ringe sind im allgemeinen mittels eines gewellten Streifens voneinander getrennt. Dieses gewellte Element trennt die Teile durch die Wirkung der Tiefe der Wellungen und der Dicke des Metalls. Ganz allgemein gesprochen, ist die Netalldicke des Streifens ein wesentlicher Anteil des Gesamtabstandes. Dies führt dazu, daß die Kühlluft, die duroh die Wellungen hinduroh geht, durch die Stufe gehemmt wird, die duroh die Kante des Metalls oder durch die Kante der Wellungen gebildet wird. Dadurch kann der Kühlluftfilm nicht an der Oberfläche, die gekühlt werden soll anhaften und dieser Film wird duroh die heißen Gase fortgeführt, sodaß keine gleichförmige Kühlung der Ringelemente erfolgt. Es entstehen also unterschiedlich temperierte Zonen mit entsprechenden Temperaturgradienten und dadurch wird die Lebensdauer der Verbrennungskammern sehr nachteilig beeinflußt. Der Kühlfilm ist ferner verhältnismäßig dünn und dessen Wärmeübertragungseigenschaften gegenüber dem Gasstrom sind nicht so wirksam als sie es sein würden, falls die Geschwindigkeit der Kühlluft besser der Geschwindigkeit des Gasstromes angepaßt wäre. Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß gegenwärtig gewellte Streifen verwendet werden, duroh die heiße und kühle Stellen in den Verbrennungskammerelementen erzeugt werden und demzufolge tennische

Gradienten 909843/0472

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Gradienten, die nioht zur Erhöhung der Lebensdauer beitragen und eine verbesserte Auebildung ist unbedingt erforderlieh.

Eb ist das Ziel der Erfindung, einen Verbrennungskammeraufbau su schaffen, der eine gleiohförmige Temperaturrerteilung aioheretellt, wobei im wesentlichen Temperaturgradienten in der Baugruppe auegesohaltet «erden und wobei ea emöglioht wird, daß die Geschwindigkeiten dea Kühlluftfilmes dicht an die Oesohwindigkeiten des Austrittagaaatromes angepaßt werden und wobei gewellte Streifen Bit einem verbesserten Aufbau verwendet werden, wobei bei diesem verbesserten Aufbau Kühlluftöffnungen vorge· ■eben sind, sodafi heiße Gebiete ausgeschaltet werden, die durch Anstiege in den gewellten Streifen erzeugt werden können·

Gemäß der Erfindung ist ein Kühlsystem für eine Verbrennungskammer vorgesehen, welche Wandungen aufweist, die aus sich überlappenden Ringen gebildet sind, wobei zu beiden Seiten dieser Wandungen heiße und kalte fluide Medien strömen und wobei ein gewellter Streifen vorgesehen ist, der an den sich überlappenden Abschnitten der Ringe befestigt ist und der diese sich überlappenden Abschnitte voneinander trennt, um einen Durchgangskanal für ein fluides Medium zwischen den Ringen zu bilden, wobei sich Zumeßdämme vom Streifen aus erstrecken, um

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die Querschnittsflache der Kanäle zwischen den Ringen zu vermindern und wobei sich einer der Ringe vom Streifen aus stromab erstreckt, um eine Kammer mit dem anderen Ring zu bilden, und wobei die Strömung durch den Kanal bemessen und difundiert wird, um eine gleiohförmige Temperaturverteilung über dem stromab sich* erstreckenden Ring zu erzeugen. Der gewellte Streifen weist Stufen auf, und die Zumeßdämme sind zwischen den Stufen angeordnet und Füllöffnungen sind in einem der Ringe neben und stromab von den Stufen angeordnet und fluchten mit diesen·

In den Figuren der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilaneicht eines übliohen Verbrennungskammeraufbaue, wobei die termisohen Gradienten gezeigt sind,

Fig. 2 eine Teilsohnittansioht, genommen längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Ansioht einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht, genommen längs der Linie 4-4 der Fig. 3,

Fig. 5 eine Endanaicht der in Fig.4 gezeigten Einriohtung und

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Fig. 6

Pig. 6 eine Draufsicht auf die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung·

Es sei zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen. Es ist ein Bauteil dargestellt, der ein Teil einer Verbrennungskammer sein kann, die entweder ringförmig oder kanalartig ausgebildet ist* Bei einem derartigen Aufbau besteht die Verbrennungskammer im allgemeinen aus konzentrischen im Abstand voneinander angeordneten Wandungen, die einzeln aus Ringen 10 und 12 bestehen, die im Abstand voneinander angeordnet sind und teleskopartig, wie in Fig· 1 dargestellt, zueinander angeordnet sind. Um die Ringe voneinander zu trennen, ist ein Ringkörper 14 in Form eines Wellstreifens vorgesehen, der Stufen 20 hat und dieser gewellte Streifen kann mittels PunktsohweiBungen 16 an den Ringen befestigt sein. Sie Kammer ist im allgemeinen so aufgebaut, daß die innere Oberfläche des Ringes 10 den heißen-Austrittsgasen ausgesetzt ist, die sohematisoh duroh den Pfeil 17 dargestellt sind und der äußere Ring 12 leitet Kühlmedium ein, welohes am Streifen 14 hindurchgeht, wie es sohematisch duroh den Pfeil 18 dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß ein derartiger Aufbau zu abwechselnden langgestreckten kühlen und heißen Streifen am Ring 12 führt, wie es dargestellt ist. Eine typische ungleichmäßige Temperaturverteilung ist bei 22 gezeigt. Daduroh wird der Ring Wärmespannungen an der Oberfläohe des Ringes 12 und an jedem Ende unterworfen. Wie

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deutlioh der Fig. 2 zu entnehmen ist, führt der übliche Aufbau vom äußeren Hing 10, gewelltem Streifen 14 und innerem Ring 12 zu einer Stufe 24, die bewirkt, daß die eintretende Kühlluft 18 nicht ale Kühlfilm an Hing 12 entlang einer gewissen Streoke stromab tob Ende des Streifens 14 anhaften kann. Dies führt dazu, daß eich die in Fig. 1 dargestellten warmen Bereiche ausbilden. Zusätzlich ist das heiße Gas 17 bestrebt, da· Kühlmedium fortzublasen und verhindert ein zufrieden stellendes Anhaften des lühlmedlums am Ring 12. Dies führt insgesamt dazu, daß sioh die in Fig. 1 dargestellte ungleichmäßige Temperaturverteilung längs einer Axialstreoke einstellt. Es sei bemkert, daß die Dicke des Streifens 14 ein wesentlicher Teil der öffnung zwischen den Ringen 10 und ist, und dies trägt zu den im vorstehenden dargelegten, durch die große Stufe 24 erzeugten geringen Ergebnissen bei.

Es sei nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen. Der erfindungsgemäße Aufbau ist bei einem gleichen Bauelement dargestellt. Bei diesem Aufbau ist ein innerer Ring 26 vorgesehen, der den heißen Oasen ausgesetzt ist und ein im Abstand angeordneter äußerer Ring 28, der dem Kühlmedium ausgesetzt ist. Es sei bemerkt, daß diese Ringe sich im allgemeinen überlappen und die Bauteile 26 und 28 können als einzelne sioh überlappende Ringe in einer zylindrischen Konfiguration angesehen werden, wobei diese Ringe konzentrisch angeordnet sind und radial einen Abstand voneinander

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haben, wie es dargestellt wurde. Um die erforderliche Befestigung Bioherzustellen und üb einen radialen Abstand cur Bildung eines Strömungsringes für ein Kühlmedium sicherzustellen, sind Trenneinrichtungen in Form •ines andere ausgebildeten gewellten Streifens 32 vorgesehen« Dieser Streifen ist derart angeordnet, daß er sieh ua die Ringe la sioh Überlappenden Abschnitt herum erstreokt, um einen Kühlkanal 30 zwisohen diesen Ringen su bilden. Ber gewellte Streifen liegt abweohselnd gegen die benaohbarten Ringe an und ist mittels einer Punktvereohweieung 34 an diesen Ringen befestigt· Kühlluft strömt, wie es durch den Pfeil 36 dargestellt ist, sswiaohen den Ringen hinduroh und die heißen Gase strömen in der Weise, wie se duroh die Pfeil 38 dargestellt ist, über die Innenseite des Ringes 26 hinweg. Zum Zweoke der Herstellung und des Zusammenbaue kann der gewellte Streifen 32 zwischen den Verbindungsstufen 40 im wesentlichen flach ausgebildet sein. Um eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturvertellung über den Ringen und längs der Ringe su erhalten, werden- mehrere Merkmale verwendet. Um die gleiche Menge der zur Verfügung stehenden Luft zu verwenden und um diese Luft in wirkungsvollerer Weise auszunutzen, ist der gewellte Streifen mit Zumeßeinrichtungen wie beispielsweise Dämmen 42 in der Oberfläche der Wellungen zwisohen den Stufen versehen· Jeder Zumeßdamm erstreckt sieh zum benaohbarten Ring hin, sodaß der Strömungsquer sohnitt zwischen den Ringen vermindert wird. Die-

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eer Aufbau let deutlioh in Pig. 4 dargestellt und ee sei bemerkt, daß die Gesamthöhe der beiden Ringe wesentlich größer ist als beim in Fig. 2 dargestellten übliohen Aufbau, um eine größere Festigkeit und Starrheit cu erzielen, und um die gleiche Luftmenge zu verwenden. Duroh eine Verminderung dee Strömungsquerschnittes duroh die Dämme 42 ist es möglich, -eine gewünschte vorgegebene Luftmenge duroh den gewellten Streifen hinduroh suzumesaen. Die Dämme 42 können am Ende des Streifens ausgebildet sein, wie es auf der linken Seite der Fig. 4 gezeigt ist oder vor dem Ende, wie es auf der rechten Seite der Fig. 4 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsfor* wird ein festerer Aufbau erzielt. Die gleiohe Luftmenge oder Kühlmittelmenge kann verwendet werden und zwar duroh den beschriebenen Aufbau und diese Luftmenge wird für ein· bessere Kühlung besser ausgenützt. Ss ist wünschenswert, daß der Kühlfilm an der heißen Oberfläche dee Ringes 28 anhaftet. Um dies zu erreichen, ist der Ring 26, der den Heißen Gasen ausgesetzt ist, stromab des gewellten Streifens 32 verlängert, um stromab des Streifens eine Art Kammer 44 auszubilden· Diese Kammer hat eine beträohtliohen größeren Querschnitt als der Querschnitt am gewellten Streifen. Duroh eine Diffusion in diese Kammer wird die Geschwindigkeit des Kühlmittelstromeβ erheblioh herabgesetzt. Dadurch wird ermöglicht, daß Kühlmittel am Ring 28 anhaftet, um einen Sohutzfilm an diesem Ring auszubilden. Die Geschwindigkeit des Kühlmittels kann sehr dioht an die der heißen Gase angepaßt werden, sodaß die heißen

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Oase nicht die Heigung haben, den Kühlmittelfilm von der Oberfläche, die dieaer Film schützen soll, fortzureiasen. Ee wurde gefunden, daß ein Verhältnis von Kammerhöhe zur Höhe des Zumeßabschnittes von 5 : 1 maximal ist. Durch die Anordnung des gewellten.Streifens und der naohgesehalteten Kammer wird eine große geschützte Diffusionszone geschaffen, in der das Kühlmittel eine geringere Geschwindigkeit hat. Bs ist daduroh möglich, die Ströme der fluiden Medien besser, aneinander anzupassen und die Wirksamkeit des Kühlmittelfilmes wird dadurch erhöht, daß der Kühlmittelfilm an der Oberfläche des Ringea 28 anhaftet. Ee kann daher die gleiche Kühlmittelmenge verwendet werden, doch duroh eine Zumessung und eine Diffusion wird diese gleiche Menge besser ausgenutzt.

Die Endansicht dea in Fig. 4 dargestellten Aufbaues ist in Fig. 5 gezeigt. Die alternierenden Wehre 42 sind deutlich zu erkennen und es ist ferner der verminderte Querschnitt 46 zu sehen. Um eine radiale Ausbildung zu ermöglichen, werden die Wellungen durch Stufen 40 verbunden. Diese Stufen 40 bilden eine Übergangszone 41, wie es

aus Fig. 6 zu sehen ist und diese Zone ist eine heiße Wir- '

beIzone, wie sie in Fig. 1 zwischen der warmen und der kühlen Zone dargestellt ist. Um diesen Haohteil zu über- I winden, sind erfindungsgemäß Füllöffnungen 48 im äußeren Hing 28 vorgesehen· Diese Füllöffnungen haben im wesentlichen die gleichen Querschnittsfläohen wie die Stufen und diese Füllöffnungen sind vorzugsweise in der Kammer

909843/0472 amre.rfa.t.

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angeordnet. Weiterhin sind die Öffnungen 48 stromab τοη den Studen und den Stufen benachbart und in fluohtender Lage zu den Stufen angeordnet, wie es deutlich in Flg. 6 dargestellt iat. Der Druckunterschied am Ring 28 führt dazu, daß Kühlluft in der in Pig. 3 durch die Pfeile dargestellten Weise einströmt, um die heißen Wirbelflächen abzukühlen·

Irgendwelche anderen geeigneten Zumeßeinrichtungen, die den Dämmen 42 äquivalent sind, können verwendet werden. Zur leichteren Herstellung erstrecken sich die Falze 42 zwisohen den Stufen und sind vorn und hinten an abweohselnden Wellungen angeordnet. Durch diesen Aufbau wird die Herstellung vereinfacht, Untersuchungen haben gezeigt, daß duroh die beschriebenen Zumeßeinrichtungen, die Verlängerung des Ringes und die Kammer und die Füllöffnungen sioh eine Temperaturverteilung ergibt, wie es in Pig· 3 bei dargestellt ist. Es kann also festgestellt werden, daß eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung am Ring erzeugt wird. Dies führt zu einer größeren Lebensdauer der Kühlvorrichtung und der gekühlte Aufbau kann höheren Temperaturen widerstehen und tennisohe Spannungen und termisohe Gradienten und deren Naohteile werden ausgeschaltet.

Patentansprüche 909843/0472

Claims

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1.) Kühlauf bau für eine Verbrennungskammer, die Wandungen aufweist, die aus sich überlappenden Ringen bestehen, «ob·! helfe und kalte fluide Medien zu beiden Seiten der Binge Torhanden sind und wobei ein gewellter Streifen an dan eioh überlappenden Teilen der Ringe befestigt ist und diese la Abstand voneinander hält und EWisohen diesen Ringen einen Strömungskanal für ein fluides Medium bildet, dadurch gekennzeichnet, daß sioh ZuaeBdämie (42) vom gewellten Streifen (52) aus erstrekken, üb den Strömungsquerechnitt der Kanäle (30) zwisohen den Ringen (26), (28) zu verringern, daß eioh einer der Ringe (28) stromab vom Streifen 32 erstreckt, um eine Kammer (44) mit dem anderen Ring (26) zu bilden, daß die StrOmung duroh die Kanäle (30) zugemessen und diffundiert wird, um eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung über den stromab sioh erstreckenden Ring (28) zu erzeugen.

2. Kühlaufbau naoh Inspruoh 1, daduroh gekennzeichnet, daß der gewellte Streifen (32) Stufen (40) und Zumeßdämme (42) aufweist, die ζwieοhen den Stufen (40) angeordnet sind, daß Füllöffnungen (48) in einem der Ringe (28) stromab und neben den Stufen (40) und mit diesen Stufen fluchtend angeordnet sind.

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3. Kühlaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßdämme (42) an abwechselnden Kanten des gewellten Streifens (32) angeordnet sind.

4. Kühlaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stromab sich erstreckende Ring der äußere Ring (28) ist und daß der überlappende Ring der innere Ring (26) der Verbrennungskammer ist und daß die Füllöffnungen (48) im äußeren Ring angeordnet sind.

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