DE2012947A1

DE2012947A1 - Wandkonstruktion und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE2012947A1
Application number: DE19702012947
Authority: DE
Inventors: Perry West Hartford; Segalman Irwin Bloomfield; Conn. Goldberg (V.St.A.). P F02c 7-26
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-04-02
Filing date: 1970-03-18
Publication date: 1970-11-05
Also published as: BE748069A; IL33995A0; AU1230370A; FR2038152A1; NL7004576A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandkonstruktion, welche ausgezeichnete Hitzebeständigkeitswerte hat und bei hohen Temperaturen gute Festigkeitswerte aufweist.

Es ist eine grosse Anzahl hitzebeständiger Wandkonstruktionen' bekannt , jedoch wird bei diesen Ausführungen die Hitzebeständigkeit durch schwerwiegende Nachteile erkauft. So haben z.B. doppelwandige Wandkonstruktionen bei Gasturbinentriebwerken, wie z.B. in Brenkammern oder Nachbrennern eine ausgedehnte Anwendung gefunden; jedoch sind bei der Anwendung dieser bekannten Ausführungen eine Anzahl sehr wesentliche Mängel erkannt worden. An erster Stelle ist der übermässige Verbrauch an Kühlluft zu erwähnen, welche erforderlichist, um die Wand zu kühlen, die den heissen Gasen in der Brennkammer oder im Nachbrenner ausgesetzt ist. An zweiter Stelle wird hervorgehoben, dass bei diesen bekannten Ausführungen sehr hohe Druckverluste auftreten und dass entläng der wand unerwünschte Bereiche von hoher und niedriger Temperatur mit den üblichen starken Temperaturschwankungen bemerkt werden, wodurch ' schiiesslieh die Lebensdauer der Wandbauweise stark herabgesetzt wird.

Die obigen Erklärungen wurden an Hand einer Wandkonstruktion vorgenommen, die in einem Gasturbinentriebwerk verwendet wird; dies soll jedoch ausschliesslich zum Zwecke der Klarheit und zum besseren VestKndnis dienen und es sei erwähnt, dass eine Wandkontruktion nach der vorliegenden Erfindung überall dort verwedetwerden

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kann, wo es erfordert ist die Temperatur einer Wand zu regeln. Unabhängig davon, ob die Wandbauweise in einem Gasturbinentriebwerk, oder in einer weniger beanspruchten Umgebung gebraucht wird, wird sich wenigstens einer, oder möglicherweise sogar beide der obenerwähnten Mängel bemerkbar machen. Während dem Betrieb ist entweder zu beachte^ dass keine zu hohe Kühlluftmengen verbraucht werden und/oder dass keine zu starken Temperaturschwankungen auftreten. Falls eine zu hohe Kühllufmenge erfordert ist, so wirkt dies sich nachteilig auf die .Leistungsabgabe des Triebwerkes aus, und falls zu starke Temperaturechwankungen antreten, wird die Lebensdauer der wandkontruktion verringert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Wandbauweise und ein Kühlverfahren zu schaffen, wodurch die Temperatur von wenigstens einer Wand der doppelwandigen Wandbauweise geregelt wird, ohne dass hierzu eine beträchtliche Menge Kühlluft erfordert ist. Ausserdem soll sich die Wandbauweise nach der Erfindung durch eine hohe Lebensdauer auszeichnen, da alle nachteiligen, oder starken Temperaturschwankungen in der Wandbauweise beseitigt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform werden zwei in Abstand stehende Wände verwendet. Zwischen den in Abstand stehenden Wänden erstreckt sich ein Strömungsweg über die gesamte Länge der Wände. Ein Merkmal der Erfindung, durch welches die Wandtemperatur auf einem annehmbaren Wert gehalten wird, ist die Zuführung einer Kühlmittelströmung zu dem Strömungsweg und die Regelung der Reibtngsdruckverluste dieser Kühlmittelströmung. Ein anderes Merkmal ist die Aufteilung des Stromungsweges in eine Anzahl StrÖYnungskanäle, die einen verhältnismässig kleinen Durchmesser in der Grössenordnung von 0,25 mm bis 5 mm haben. Um den Reibungsdruckverlust zu erreichen, welcher die gewünschte annehmbare Wandtemperatur ergibt, wird ein bestimmtes Länge/Durchmesser Verhältnis dieser Ströraungskanäle in der Größenordnung von 10 bis 2OO, bevorzugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Längsschnitt durch die erfindungegemässe Wandbauweise·

Figur 2 eine Aneicht entlang der Linie 2-2 nach Figur 1, wobei mehrere StrÖmungskanäle dargestellt sind.

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Figur 3 eine andere Ausführusjsform" der Erfindung wobei ein Wellblechstreifen zwischen den zwei""Wänden verwendet wird.

Figur 4 eine Ansicht rach der .Linie 4-4 nach Figur 3 wobei mehrere Strömungskanäle gezeigt sind.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in denFiguren 1 und 2 dargestellt. Die Wandkonstruktion IO begreift eine erste wand 12 und eine zweite Wand 14, die in Abstand zu der ersten Wand 12 angeordnet ist. Wie schon erwähnt wurde, ist der Abstand zwischen den beiden Wänden ein StrÖmungsweg 16, der in eine Anzahl enge Strömungskanäle 18 aufgeteilt ist. Wie in den Figuren dargestellt ist, sind diese Strömungskanäle 18 durch Rippen 20 gebildet, die sich von der erste Wand 12 erstrecken.

Es wird hervorgehoben, dass die Wandkonstruktion IO in jeder beliebigen Weise hergestellt, werden kann und dass das Herstellungsverfahren der Wand nichtira Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt. Die Strömungskanäle IS können --«arch jedes QbI iche verfahren, wie z.B. durch Walzen, Prägen oder !messen-hergestellt sein. Insbesondere,-kann z#B_# die Waa&;Von wslöher. o£«St öle-Rippen erstrecken ■aus; einer flachen Flsfefee.fe§jSa€@Qa₉ .«5iq ssas¹ §B^J%hnmttBu Form bear- ~' bei tot wird. Die gewünschte Sesccstl,© cÜgsgs¹ 5ΜίβΜ&ι§&1%ΜίΐΆ£!ί1α Jisssm demnach durch Bearbeiten - einer fliS^&Gsa. E'äaiäft© ossQä®üife\-;o^Sosso &&& Ströraungskanäle können jede -geeignete F©sa-₉ BmidfeooQQS öüqw hump, erhalten «tid ihre Geometrie i&t sehr
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Wie schon" erwähnt. ¹WUTdO* fise^fe

Srfladung -insbesondere.. als_;f^i'&Belbest&Si<Si@is Die.eirgt.e.ivap.d begreazt""'.eiste".ssest® verhSi .mung« Pa "öicsse wand ©iaer hoMfsia ^ewsgme&f&ms Q®3fss<s^ss -ist,_s. äo erfrarcl^srlicii äie warscl "lO's® SSfeisa. iaad ßlaiss

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Geometrie dieser Strumungskanäle ist darin zu sehen, dass jeder Str&nungskanal einen verhältnismässig kleinen Durchmesser hat. Insbesondere liegt der Durchmesser der Strömungskanäle vorzugsweise in einem Bereich von 0,25 mm bis 5 mm, um die erste Wand auf einer geeigneten Temperatur zu halten. Zweitens erstrecken sich die Ströraungskanäle 18 über die gesamte Länge der wände, und die Länge der Strömungskanäle 18 steht in eisern bestimmten Zusammenhang mit dem Durchmesser der Strömungskanäle 18. Um die StrÖmungsdruckVerluste der zweiten Str&nung, welche durch die Strumungskanäle fliesst zu regeln, soll das Länge/Durchmesser Verhältnis der Stromungskanäle in einem Bereich von 10 bis 200 liegen, wenn diese Bedingung erfüllt ist, erhält man eine Wandkonstruktion wobei die erste Wand nicht nur auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, sondern wobei auch an der ganzen wand sich eine einheitliche Temperatur einstellt. Dieses letzte Merkmal, nämlich die Beibehaltung einer gleichmässigen Temperatur ist wichtig, da hierdurch alle Temperatur Schwankungen beseitigt werden und somit die .Lebensdauer der Wandbauweise erhöht wird.

Durch die Rippen 20 erhält man eine zusätzliche Fläche in den StrSmungskanälen 18 für die wärmeableitung von der Innenwand 12 zur Aussenwand 14. Insbesondere erhält man durch diese Ausführung einen zusätzlichen Wärmeableitungsweg von der Wand 12 zu dem Kühlstrom.

In den Figuren 3 und 4 ist eine zveLte A_usführungsform der Erfindung dargestellt. Dia wandkc -.ruktion nach dieser Ausföhrungsform besteht im wesentlichen aus den gleichen Bauteilen wie die AusfUhrungsform nach den Figuren 1 und 2, d.h. aus einer doppelwandigen Bauweise mit einem in juängsrichtu&g verlaufenden Strömungskanal. In der Ausführancjsfonn nach den Figuren 3 und 4 sind die Strömungskanäle 5u zwischen der er et ei. wand 52 jedoch durch einen dritten Bauteil 56 gebildet. Dieser dritte 3auteil iat vorzugsweise ein wellbleohstjalfri mit wenigstens ainax Ripp® die sich von der ersten Wand zur ^weit-en wand ST-cr äar gesamten iJhga der zwei wände erstreckt. Der wo?. I&ltf abstreifer» lean?* natürlich jode geeignete Form oder iJtage hdb.-vn« Die Ausfüi-xur.göfoxTn äes v.'ysil'hlechetreifene hXägrt aatfizlioh '«>r der ji*wailigen tferwendujig der wandbauweis« nacli der Erfindur>c[ ab.

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Per Wellblechstsifen 56 hat die gleiche Aufgabe wie der Bauteil & 20 welcher Öffnungen 18 bildet (siehe Figuren 1 und 2) d.h. der Wellblechstreifen 56 bildet eine Anzahl Stro'mungskanäle mit einem 'verhältnismässig kleinen Durchmesser, der vorzugsweise in der Grössenordnung von 0,25 mm bis 5 mm liegt. Desweiteren soll der Wellblechstreifen 56 das gleiche Länge/Durchmesser Verhältnis haben damit der gewünschte Reibungsdruckverlust der durch die Strömungskana'le fliessenden Kühlluftströmung erreicht wird; d.h. das Länge/Durchmesser Verhältnis soll zwischen lo und 200 liegen. Auf diese Weise wird die erste wand 52, welche einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als die Strömung, die durch die Stromungskanäle 5u fliesst, auf der gewünschten Temperatur gehalten. Da die StrömungskanSle sich über die gesamte Länge der Wandkonstruktion erstrecken, wird diese auf dar gewünschten Temperatur gehalten, ohne dass dabei starke Schwankungen auftreten, sodass die Lebensdauer der erfindunggemässen Wandbauweise erhöht wird.

Der wellblechstreifen berührt abwechselnd die innere Wand 52 und die äussere Wand 54 und hat die gleiche Aufgabe wie die Rippen 20. Insbesondere wird durch den wellblechstreife die wärmeabführung von der wand 52 auf den Kühlluftstrom durch Schaffen eines zusätzlichen Wärmeabfuhrweges verbessert. . ⁼;

In den beiden Ausfuhrungsformen nach den Figuren 1 bis4 kann eine dritte Strömung 6o entlang der äusseren Oberfläche der Wand 14 oder 54 geleitet werden, sodass in den meisten Fällen eine weitere Wärmeübertragung von der zweiten auf die dritte Strömung besteht·

Claims

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PATENTANS PRÜCHE

( 1. Jwandbauweise mit einer ersten wand, die eine erste strömung Degrenzt und einer zweiten Wand, die in Abstand zu der ersten wand angeordnet ist und wobei der Abstand zwischen den beiden wänden einen Strömungsweg für eine zweite Strömung bildet, die wesentlich kühler als die erste Strömung ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungsweg Mittel vorgesehen sind um die Reibungsdruckverluste der zweiten Strömung und damit die Temperatur der ersten wand zu regeln.
2. wandbauweise nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in dem Strömungsweg eine Anzahl schmaler öffnungen sind, die sich über die gesamte Jbänge des Strömungsweges erstrecken und einen Durchmesser von U,25 rom bis 5 mm haben.
3. Wandbauweise nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Offnungen ein Länge/Durchmesser Verhältnis in der GrossenOrdnung von IO bis 200 haben.
4. Wandbauweise nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Strömung entlang der Seite der zweiten wand geführt ist, welche der zweiten Strömung entgegengesetzt ist.
5. wandbauweise nach Anspruch 1 dadurch gefcnnzeichnet, dass mehrere Rippen zwischen den beiden Wänden vorgesehen sind und abwechselnd die eine und die andere wand berühren, um einen zusätzlichen wa'rme-

zu ableitungsweg von der zweiten Wand auf den Kühlstrom/schaff en.
6. Verfahren zur Regelung der Temperatur von einer der die wandbauweise bildenden wände nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wand deren Temperatur zu regeln ist einer heissen Strömung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine wesentlich kühlere Strömung duräh den Strömungeweg geleitet wird und dass in Abhängigkeit der Reibungsdruckverluste der kühleren Strömung ein Wärmedurchgangszusammenhang zwischen den beiden Strömungen gebildet wird.

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