DE1938326B2 - Flammrohr für ein Gasturbinen triebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flammrohr für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Doppelwandabschnitt, zwischen dessen Innenwand und Außenwand ein Kühlkanal gebildet ist, wobei die Außenwand Öffnungen aufweist, durch die Kühlluft in den Kühlkanal unter einem beträchtlichen Winkel gegenüber der Oberfläche der Innenwand eintreten kann, wobei der Kühlkanal am stromunterseitigen Ende offen ist, so daß Kühlluft, die aus dem Kühlkanal austritt, über die innere Oberfläche des Flammrohrs streichen kann und dort einen Kühlfilm bildet.

Bei einem bekannten Flammrohr dieser Bauart sind mehrere kurze Doppelwandabschnitte vorgesehen, zwischen denen lange einwandige Abschnitte liegen. Den stromoberseitigen Enden des zwischen Außen- und Innenwand gebildeten Kühlluftkanals wird vom Kompressor gelieferte Kühlluft zugeführt, wodurch ein Kühlfilm auf den Innenflächen der einwandigen Abschnitte erzeugt werden soll, um diese zu kühlen. Die radialen Löcher in der Außenwand sollen die Bildung des Filmes begünstigen. Dieser so gebildeie Kühlluftfilm zwischen den Brenngasen und der Flammrohrwandung soll letztere gegen überhitzung schützen. Um diese Schutzwirkung durchführen zu können, ist eine wirbelfreie laminare Schichtströinung in unmittelbarer Nähe der Flammrohrwandung erforderlich. Diese glatte Strömung des Kühlfilms kann im Betrieb insbesondere wegen des am stromoberseitigen Teil des Flammrohrs bestehenden Druckgradienten beeinträchtigt werden und der Kühlfilm kann sich von der inneren Oberfläche des Flammrohres ablösen, was die Wirksamkeit der Kühlung beeinträchtigt und zu einer stellenweisen ijber-

hitzung des Flammrohres führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und gleichmäßige Kühlung der am stärksten wärmebeanspruchten Abschnitte des Flammrohres zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Flammroh' der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß der Doppelwandabschnitt sich über den größeren Teil der Länge des Flammrohrs erstreckt und daß die öffnungen über die Länge diescs Abschnitts im Abstand zueinander angeordnet sind, so daß die kraftvoll auf die Innenwand auftreffenden Kühlluftstrahlen die Turbulenzbildung im Kühlkanal an der Oberfläche der Innenwand begünstigen.

Es ist zwar bereits ein Flammrohr bekannt, das über die gesamte Länge doppelwandig ausgebildet ist, wobei Kühlluft vorn in den zwischen den beiden Wänden gebildeten Kühlluftkanal eintritt, der am stromunterseitigen Ende direkt auf die Düsenleitschaufeln gerichtet ist. Hierbei erfolgt jedoch die Kühlung der Innenwand des Doppelwandabschnittes allein durch Konvektion der den Kühlluftkanal laminar durchströmenden Kühlluft. Hierdurch ergibt sich eine nur geringe Kühlwirkung des Flammrohres, wobei die Hauptkühlwirkung stromunterseitig des Flammrohres auf die Düsenleitschaufeln ausgeübt wird.

Bei der Erfindung wird demgegenüber die Kühlwirkung auf das Flammrohr dadurch verbessert, daß in dem zwischen den beiden Wänden des doppelwandigen Abschnitts angeordneten Kühlkanal eine turbulente Strömung erzeugt wird. Die Kühlluftstrahlen innerhalb des Kühlluftkanals verteilen sich über dessen Länge, und jeder Strahl übt eine Schubwirkung auf die Oberfläche der Innenwand aus, wodurch die Erzeugung einer Grenzschicht verhindert wird, und die Kühlung wird durch die mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Strahlen bewirkt und nicht, wie bei bekannten Anordnungen, durch Wärmeleitung auf eine laminare Grenzschicht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Flammrohr in einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks derart angeordnet, daß die Längenerstreckung des Flammrohrs etwa parallel zur Längsachse des Triebwerks verläuft, wobei der Doppelwandabschnitt auf der radial inneren Seite in bezug auf die Triebwerksachse angeordnet ist. Die Doppelwandausbildung an der Innenseite ist insbe-

sondere bei ringförmiger Ausbildung des Flammrohres zweckmäßig, weil an dieser Stelle die höchste Wärmebean^pruchung lieg,*.

Die Kühlluft wird am stromunterseitigen Ende des Flammrohres aus dem Kühlluftkanal in das Flaminrohr abgelassen, d. h. an einer Stelle, wo die Bedingungen stabiler sind als an den stromoberseitigen Abschnitten, so daß sich am stromunterseitigen Ende des Flammrohres ein Kühlfilm bilden kann, wobei die Gefahr eines Ablösens dieses Kühlfilms relativ iiering ist.

Zweckmäßigerweise ist das Flammrohr von einem Luftzufuhrkanal umgeben, der mit den öffnungen der Außenwand des Doppelwandabschnittes in Verbindung steht, wobei das stromoberseitige Ende des Luftzufuhrkanals mit dem stromoberseitigen Ende der Brennkammer des Triebwerks in Verbindung steht. Hierdurch wird eine besonders günstige Zufuhr von Kühlluft nach dem Kühlluftkanal gewährleistet und das Auftreten von turbulenzerzeugenden kräftiüt'n Strahlen begünstigt.

Der Luftzufuhrkanal ist stromuntr rseitig abgedichtet, damit die gesamte Kühlluft nach dem Kühlluftkanal gelangt, wobei gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung diese Abdichtmittel gleichzeitig zur Festlegung der Brennkammer dienen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Eriindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein mit einem erfindungsgemäßen Flammrohr ausgestattetes Gasturbinenstrahltriebwerk,

F i g. 2 einen Teil des Triebwerks nach Fig. 1.

Das in F i g. 1 dargestellte Gasturbinenstrahltriebwerk 10 besitzt einen Lufteinlaß 12, einen Kompressor 13, eine Verbrennungseinrichtung 14, eine Türbine 16 und eine Strahldüse 18.

Die Verbrennungseinrichtung 14 besteht aus einer ringförmigen Brennkammer 20, in der ein ringförmiges riammrohr 22 (Fig. 2) angeordnet ist. Die Längserstreckung des Flammrohrs verläuft im wesentlichen parallel zur Längsachse des Triebwerks, und seine Achse liegt im wesentlichen koaxial zur Triebwerksachse. Komprimierte Luft vom Kompressor 13 tritt in die Brennkammer über einen Lufteinlaßkrnal 24 am stromober ieitigen Ende derselben ein, und der größte Teil der Luft tritt in das Flammrohr über herkömmliche Primärluft-, Sekundärluft- und Tertiärluft-Einlaßlöcher ein (diese sind nicht dargestellt). Brennstoff wird in das Flammrohr 22 über mehrere Einspritzdüsen (nicht dargestellt) eingespritzt, und die Verbrennungsprodukte verlassen das Flammrohr am stromunterseitigen Ende 26 und gelangen danach in die Turbine 16.

Während der Verbrennung des Brennstoffs werden einige Teile des Flammrohrs unvermeidbar heißer als andere Teile und die Lebensdauer des Flammrohrs wird durch die Lebensdauer der heißesten Teile bestimmt, auch wenn andere Teile des Flammrohrs eine viel größere Lebensdauer haben. Bei gewissen ringförmigen Flammrohren liegt der heißeste Bereich an der radial inneren Wand 28 des Flammrohrs. Die radial innere Wand 28 des Flammrohrs ist daher doppelwandig ausgebildet und dieser Doppelmante! erstreckt sich wenigstens über den größeren Teil der Länge des Flammrohrs. Der Doppelmantel 28 be steht aus einem Innenmantel 30, der von dem Außenmantel 32 distanziert liegt, um einen Kühlkanal 31 dazwischen zu bilden, wobei der Außenmante! 32 mehrere öffnungen 34 aufweist, durch die Kiih!- luftstrahlen ;rif den Innenmantel 30 treten können, wobei die Kühlluft danach durch den Kühlkanal 31 abströmt.

Die Öffnungen 34 richten die Kühlluftstrahlen auf die Oberfläche des Innenmantels 30, und zwar in einem beträchtlichen Winkel hierzu, so daß die turbulente Luftströmung im Kühlkanal 31 weiter turbulent gemacht wird, so daß die Kühlung des Innenmantels 30 verbessert wird.

Der Kühlkanal 31 ist an seinem stromunterseitigen Ende 42 nach dem Inneren des Flammrohrs 22 hin offen und richtet Kühlluft; die aus dem Kühlkanal 31 austritt, über die innere Oberfläche des stromabwärtigen Teils 44 der Flammronrwandung, wodurch eine Filmkühlung des Flammrohrs bewirkt wird.

Die Kühlluft wird von dem Kühlkanal 31 über einen Kanal 36 erhalten, der über einen Kanal 30 'ind das Flammrohr herumgeführt ist und sich radia! innerhalb desselben erstreckt und mit den öffnungen 34 in Verbindung steht. Die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft wird durch die Größe einer Einschnürung 38 im Kanal 36 bestimmt, die zwischen dem stromoberseitigen Ende des Flammrohrs 22 und einem Ringflansch 40 definiert ist, der vom stromoberseitigen Ende der Brennkammer vorsteht.

Der stromoberseitige Abschnitt 44 des Flammrohrs steht im teleskopartigen Gleitsitz innerhalb des stromunterseitigen Endes des Außenmantels 32, wobei der Gleitsitz eine relative Längsausdehnung der beiden Teile zuläßt. Das stromabwärtige Ende des Außenmantels 32 trägt außerdem einen radial nach innen vorstehenden Flansch 46, der gleitbar von einer in Umfangsrichtung verlaufenden Schulter 48 aufgenommen wird, die in einem Teil 50 der Brennkammer ausgebildet ist. Der Frisch 46 lokalisiert das Flammrohr 22 relativ zur Brennkammer und in Verbindung mit der Schulter 48 wird eine Dichtung für das stromunterseitige Ende des Kanals 36 gebildet, wodurch das Entweichen von Kühlluft vermindert wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht in einer Erhöhung der Lebensdauer der heißesten Teile des Flammrohrs, sondern kann auch benutzt werden, um einen Teil eines Flammrohrs kühler zu halten als dessen übrige Teile. Wenn z. B. ein Abschnitt des Flammrohrs in der Nähe eine^ Wellenlagers liegt, dann ist es erwünscht, diesen Abschnitt des Flammrohrs zu kühlen, um zu vermeiden, daß das Wellenlager hoher Temperatur ausgesetzt wird. Falls erforderlich, kann das Flammrohr jedoch auch vollständig doppelwandig ausgebildet sein.

Die Erfindung ist für becherartige Flammrohre anwendbar, und der Doppelwandabschnitt braucht nicht jener Teil zu sein, der radial bezüglich der Triebwerksachse innen liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Flammrohr für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Doppelwandabschnitt, zwischen dessen Innenwand und Außenwand ein Kühlkanal gebildet ist, wobei die Außenwand Öffnungen aufweist, durch die Kühlluft in den Kühlkanal unter einem beträchtlichen Winkei gegenüber der Oberfläche der Innenwand eintreten kann, wobei der Kühlkanal am stromunterseitigen Ende offen ist, so daß Kühlluft, die aus dem Kühlkanal austritt, über die innere Oberfläche des Flammrohrs streichen kann und dort einen Kühlfilm bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelwandabschnitt (28) sich über den größeren Teil der Länge des Flammrohrs erstreckt und daß die öffnunger (34) über die Länge dieses Abschnitts im Abstand zueinander angeordnet sind, so dm.\ die kraftvoll auf die Innenwand (30) auftreffenden Kühlluftstrahlen die Turbulenzbildung im Kühlkanal (31) an der Oberfläche der Innenwand (30) begünstigen.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer Brennkammer (20) eines Gasturbinentriebwerks derart angeordnet ist, daß die Längenerstreckung des Flammrohrs etwa parallel zur Längsachse des Triebwerks verläuft und daß der Doppelwandabschnitt (28) auf der radial ;.ineren Seite in bezug auf die Triebwerksachse angeordnet ist.

3. Flammrohr nacn eineru der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn? 'ichnet, daß es ringförmig ausgebildet ist.

4. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es von einem Luftzufuhrkanal (36) umgeben ist, der mit den öffnungen (34) in Verbindung steht, und daß das stromoberseitige Ende (38) des Luftzufuhrkanals (36) mit dem stromoberseitigen Ende der Brennkammer (20) des Triebwerks in Verbindung steht.

5. Flammrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es relativ zur Brennkammer (20) des Triebwerks durch Festlegemittel (46, 48) gehaltert ist, die außerdem das stromunterseitige Ende des Luftzufuhrkanals (36) abdichten.