DE2012948A1 - Verbindung von Mantelsegmenten in einer Brennkammer sowie Herstellungsverfahren der Verbindung - Google Patents

Description

United Aircraft Corporation ' g g 400 Main Street W-.-■-·,.·,

East Hartford, Conn. O61O3 ^-⁵ /./·:-Ί -j/ö

Vereinigte Staaten von Amerika Ku. ί-'α.ζα άΐ söt

VERBINDUNG VON MANTBl₁SEnMENTEN IN EINER BRENNKAMMER SWIE HERSTELLUNGSVERFAHREN DER VERBINDUNG,

Priorität USA Nr, 312,761
Patentanmeldung vom 2, A*.iril 1969

Die Erfindung bezidt sich auf eine hitzebeständige Wandkonstruktion und insbesondere auf eine Wandkonstruktion, die besonders bei den in Gasturbinentriebwerken auftretenden hohen Temperaturen zur Anwendung gelangt.

In den meisten Gasturbinen begreifen die Brennkammern (Hauptbrennkammern oder Nachbrenner) einen gekohlten Mantel oder eine Wandkonstruktion, um die Temperatur des Aufbaues für die Haupttrieb werkslager zu begrenzen. Bei einer Hauptbrennkammer dient dieser Mantel ausserdem zum Regeln der Brennstoff-Luft Verteilung in der primären Brennzone und regelt die Durchmischung von unverbraitter Luft mit den Abgasen, um die erwünschten Turbineneinlasstemperaturen zu erreichen.

Der Mantel oder die Wandkonstruktion begrenzt die Brennzone, in welcher die Verbrennung stattfindet und soll die Temperatur der Mantelwand und die Temperatur des die Mantelwand umgebenden Aufbaues für das Hauptlager begrenzen. Dies wird durch eine Verringerung der Wärmestrahlung von den Verbrennungsgasen erreicht, indem verhindert wird, dass die Verbrennun.gsgase in unmittelbare Berührung mit den Bauteilen des Aufbaues gelangen Bei den bekannten Konstruktionen wurden zur Lösung dieser Aufgabe im wesentlichen zwei Anordnungen verwendet; nämlich erstens, eine durch Wärmekon vektion gekühlte Anordnung und zweitens, eine durch einen

009846/1048

BAD ORIGINAL

Kühlstrom gekühlte Anordnung. Bei der durch Wärmekonvektion gekühlten Anordnung wird ein Kühlstrom arischen die Mantelwand und die Aufbauteile geleitet, während in der durch einen Kühlstrom gekohlten Anordnung ein Strom oder Ströme von Kühlluft, durch eine Anzahl von Lüfteintrittslöcher in den Mantel, oder die Brennzone eingeleitet werden.

Die üblichen, oder bekannten Brennkammern, oder Nachbrenner haben mehrere Nachteile. So sind z.B. in diesen bekannten Konstruktionen grössere Mengen Kühlluft erfordert, wodurch die zur Verbrennung und/oder zur Auflösung bei einer Hauptbrennkammer zur Verfügung stehende juuft verringert wird. Dadurch wird natürlich die Schubzunahme bei Nachbrennern verringert und bei einem Hauptbrenner sind längere Brennkammern erfordert,um mit der verringerten Auflösungsluftmenge die gewünschte Turbineneinlasstemperatur zu erreichen. Diese Nachteile ergeben natürlich einerseits eine Verringerung der Triebwerksleitung und andererseits eine Vergrösserung des Triebwerksgewichtes.

Ein anderes Problem, das bei den bekannten Konstruktionen auftritt, ist darin zu sehen, dass durch die StrömungsVeränderungen, oder durch andere, in einer Brennkammer oder einem Nachbrenner vorliegende Veränderliche, es fast unmöglich,wird, die durch Wärmekonvektion oder wärmestrahlung von den Verbrennungsgasen auf die wände übertragene Hitze mit der durch die Kühlluft von den Mantelwänden abgeführte Hitze in Einklang zu bringen. Da es nicht möglich ist, einen einheitlichen Wärmeschutz zu erreichen, entstehen sogar in einem gut gekühlten Mantel, starke TemperaturSchwankungen mit den dazugehörigen Ausdehnungsbelastungen. Infolge dieser starken TemperaturSchwankungen, muss schon nach relativ kurzer Betriebszeit mit der Beschädigung des Mantels oder der Brannkammerwand gerechnet werden.

Ausserdem wird bei den bekannten Konstruktionen von Brennkammern die Kühlluftströmung am βtromaufwärtsllegenden Ende der Brennkammer in den Mantel eingeleitet und infolge der Strömungen in der Brennkammer, wird der Kühlluftstrom von der wand abgeleitet. Auf diese Weise entstehen starke Temperaturschwankutjen und demnach uneinheitliche Temperaturen der Brennkammerwand.

BAD ORIGINAL

009846/1048

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Brennkammer zu schaffen, welche die obenerwähnten, wesentlichen Nachteile der bekannten Brennkammer nicht besitzt,, Insbesondere, schafft die vorliegende Erfindung eine neue Brennkammer, wobei die erforderliche Kühlluftmenge, im Vergleich zu den bekannten Brennkammern um ungefähr 50% verringert wird« Ausserdem treten in dem Mattel oder der Wandkonstruktion keine TemperaturSchwankungen auf, wodurch die Lebensdauer des Brenners vergrössert wird. Die Kühlluft vermischt sich nicht mit den Verbrennungsgasen bis sie vollständig ausgenützt wurde, wodurch die Brennkammerwand auf ihrer ganzen Länge, eine im wesentlichen einheitliche Temperatur erhält.

Die obige Beschreibung ,und Erklärung wurde an Hand einer Konstruktion vorgenommen, die sich besonders zur Anwendung in einem Gasturbinentriebwerk eignet; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung in vielen anderen Gebieten Anwendung finden kann, so z.B. überall wo eine doppelte wandbauweise erfordert ist, um eine Strömung, zwischen zwei wänden zu führen„

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt darin eine wandkonstruktion zu schaffen, welche sich insbesondere gur Anwendung in einem Gasturbinentriebwerk eignet. Insbesondere wird die Wandkonstruktion dazu verwendet, um den Mantel for die Brennkammer oder den Nachbrenner in einem Gasturbinentriebwerk zu bilden. Durch die neuartige Wandbauweise werden die Bauteile, welche die Brennkammer, oder den Nachbrenner umgeben, auf einer annehmbaren Betriebstemperatur gehalten und es treten keine nachteiligen TemperaturSchwankungen in diesen Bauteilen auf.

Zum Zwecke der Erklärung und für eine bessere Übersichtlichkeit wird die Wandkonstruktion nach der vorliegenden Erfindung an Hand einer Brennkammer erläutert. Es sei jedoch hervorgehoben, dass die Wandkonstruktion ebenfalls in anderen Konstruktionen wie z.B. einem Nachbrenner, oder bei Turbineneinlasschaufeln verwendet werden kann.

Um die obenerwähnte Wirkung zu erreichen, begreift die Brennkammer einen Mantel, oder eine wandbauweise die aus zwei radial in Abstand liegenden Wänden besteht» Der radiale Abstand bildet einen Strömungsweg, der sich über &Le ganze Länge eines Wandabschnittes

0 09846/1048 ·

BAD ORIGINAL

- 4 erstreckt. Der Strömungsweg begreift eine Anzahl Kanäle mit relativ kleinem Durchmesser. Die Kanäle sind entweder durch öffnungen oder durch Anwendung eines Wellblechstreifens gebildet. In der bevorzugten Ausfuhrungsform ist eine Anzahl dieser wandabsdritte aneinander gereiht, um die gesamte axiale jua'nge des Brennkammermantels zu bilden. Wie schon oben erwähnt wurde, erstrecken sich die Strömungskanäle über die ganze JLa*nge der wandabsahnitte; und deshalb hat jeder Strömungskanal ein verhältnismässig grosses Länge/ Durchmesser Verhältnis. Dieses Verhältnis ist von grosser Wichtigkeit und liegt in einem Bereich von lü bis 2oo. Für eine ausführlichere Erklärung über die Wichtigkeit der Regelung der Reibungsdruckverluste wird auf die am zweiten April 1969 eingereichte U.S. Anmeldung Nr. 812.793 verwiesen.

" Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung, kann der Kühlstrom genau geregelt werden und die Temperatur der Innenwand wird auf ehern gleichmässigen werte gehalten, da sich die Strömungskanäle über die gesamte .Lange erstrecken. Infolgedessen werden die nachteiligen Temperaturschwankungen und Ausdehnungsbelastungen im wesentlichen ausgeschaltet.

In der Art der Verbindung zwischen den aneinandergereihten Mantelabschnitten ist ein weiteres Merkmal der Konstruktion nach der vorliegenden Erfindung zu finden. Insbesondere sind die einzeiien Abschnitte derart angeordnet, dass die aus den Strömungskanälen auftretende Kühlluft entlang der Innenwände von jedem Abschnitt } geleitet wird. Um dies zu erreichen, ist die Querschnittsfläche eines stromaufwärtsliegenden Wandabschnittes kleiner als die üuerschnittsfläcte des nächstfolgenden stromabwärtsliegenden wandabschnittes. Durch diese Bauweise kann die wirkung des Kühlstromes wesentlich erhöht werden.

Kine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden nä*her beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eiaier Brennkammer mit einer wand nach der vorliegenden Erfindung.

rigui 7 eimi Aussicht ontlang der jui.nie 2-2 nach Figur 1.

Figur '^;- eine ver<;frös«erVc Ansicht der Verbindung zwischen zwei liant tiJ absC2hnit.ttii' ony »jonukammer.

01)91.46/1048

In Figur 1 ist ein Diffusorgehäuse 10 dargestellt, welches zwisdm dem Kompressor und der Turbine eines Gasturbinentriebwerkes liegt. Ein Gasturbinentriebwerk, in welchem eins Brennkammer nach der Erfindung verwendet v/erden kann, ist z.B. in der U.S. Patentschrift Nr. 2.747.367 dar gestellt.

Die Brennkammer kann mehrere, ringförmig angeordnete, einzelne Brennertopfe begreifen. In Figur Γ ist nur ein solcher Brennertopf dargestellt. Es sei hervorgehoben, dass die Brennkammer auch einen einzigen, ringförmigen Brennraum begreifen kann» wie aus Figur 1 hervorgeht, begreift die Brennkammer 14 ein Gehäuse 16 eine Brennstoffeinspritzdüse 18 und einen Mantel 2o. Der Mantel 2o hat einen gewölbten, vorderen Abschlussteil 22. Desweiteren be~ greift der Mantel 2ü einen vorderen. Abschnitt 24, in welchem die primäre Verbrennung stattfindet, sowie einen offenen Endabschnitt 26, von welchem die ausströmenden Verbrennungsgase zu einer nicht dargestellten Turbine geleitet werden.

Hoch verdichte te. !Compress or luft gelangt in das Diffusor gehäuse lü und strömt zum vorderen Ende der Brennkammer. Ein Teil dieser ijuft gelangt in den Mantel 2υ durch mehrere Brennluftzufuhrlöcher 28, welche in jenen Abschnitt des Mantels 2u vorgeatien sind. Diese liuftzufuhrlöcher werden später ausführlicher beschrieben, wie schon vorher erwähnt wurde, ist es wesentlich, dass die Bauteile welche den Mantel 2u umgeben, auf einer annehmbaren Betriebstemperatur gehalten werden. Um dies zu erreichen, besteht der Mantel 2o aus einer neuartigen Bauweise.

In Figur 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindinj dargestellt. In dieser Figur begreift der Mantel 20 eine erste Wand 40 und eine zweite wand 42, die radial in Abstand zu der ersten wand liegt. In dieser Figur bildet die erste Wand 40 die innere wand des Mantels und begrenzt den Raum für die heiseen Verbrennung*- gase. Diese Waod ist deshalb den verhältnismässig warmen Strömungen ausgesetzt und es ist erfordert die innere wand 40 auf einer annehmbaren Betriebstemperatur zu halten. Wie oben erwähnt wurde, liegen die wände 4u und 42 in radialem Abstand voneinander und es ist ein Strömungsweg 44 zwischen den wänden vorgesehen. Zu einem Zwecke, der 3Chon vorher erwähnt wurde, verläuft der Strömungsweg über die gesamte Länge von jedem Mantelabschnitt. Insbesondere

009846/104 8

BAD ORIGINAL

begreift der Mantel nach dieser Ausführungsform eine Anzahl Abschnitte 50, deren stromabwärtsliegendes Ende 52 mit' dem stromaufwärtsliegenden Ende 54 des nächstfolgenden Mantelsegmentes 56 verbunden ist. Diese Konstruktion und der axial verlaufende Strömungsweg 44 ist deutlicher in Figur 1 dargestellt.

Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass der Strömungsweg 44 mehrere, verhältuismässig kleine Strömungskanäle 6O begreift, die am Umfang des Mantels 2o verteilt sind. Ausserdem verlaufen diese Strömungskanäle 6ü über die gesamte Länge von jedem Mantelabschnitt und demnach über die gesamte Länge des Mantels 2o. In der Ausführungsform nach Figur 2 sind die Strömungskanäle 60 öffnungen, welche durch mehrere Rippen 62 gebildet sind, die sich von einer der beiden Wände z.B. von der inneren wand 4o erstrecken. Insbesondere sind die Strömungskanäle 6ü von einer Anzahl Rippen 62 gebildet, die von der Wand 40 nach der wand 42 ragen. Diese Rippen 62 sind unter Abstand zueinander angeordnet, liegen jedoch verhältnismässig nahe aneinander, um Strömungskanäle 60 mit verhältnismäsdg kleinem Durchmesser zu bilden.

Der Durchmesser der Strömungskanäle 6o ist von grösster Wichtigkeit und in der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser für jeden Strömungskanal 0,25 mm bis 5 mm. Die Geometrie der Strömungskanäle ist wichtig, da durch sie der Wärmedurchgangssatz von den ηβΗΒβη Verbrennungsgasen und der inneren Wand geregelt wird. Ein Kühlluftstrom, der wesentlich kälter ist als die heissen Verbrennungsgase wird bei 64 in den Strömungsweg eingeleitet. Dieser Kühlluftstrom durchsetzt die Strömungskanäle 6ü und kühlt somit den ganzen Umfang des Mantels 20 über seiner gesamten Länge. Wie schon vorher erwähnt wurde, ist de Geometrie dieser Strömungskanäle 60 sehr wichtig, da durch sie die Reibungsdruckverluste des Kühlstromes geregelt werden. Um eine Brennkammer mit einer Mantelbauweise nach der Erfindung zu versehen, ist es erforderlich, dass ein Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der Strömungskanäle und der Länge von jedem StrömungskarA besteht, um die wand 40 auf einer annehmbaren Betriebstemperatur zu halten. Um die Strömungsdruckverluste der durch die Strömungskanäle flieseenden Kühlluft zu regeln und somit einen Wärmedurchgangssatz von der heissen Innenwand zu dem Kühlstrom zu erzeugen und dabei die Wand 4o auf einer annehm-

009846/1048 bad original

baten Betriebstemperatur zu halten, wird ein La'nge/Durahmesser Verhältnis in der Grössenordnung von IO bis 2Oü vorgezogen.

In der Figur 3 ist die erfindungsgemässe Verbindung zwischen den Mantelabschnitten dargestellt. Es sind nur die Mantelabschnitte und 72 vergrössert herausgezeichnet. Der erste Abschnitt 7O besteht aus der oben beschriebenen_r doppelten Wandkonstruktion d.h. er begreift eine innere wand 74, eine ä'ussere wand 76 sowie einen Strömungsweg 78 mit Strömungskanälen 81«, In ähnlicher Weise ist auch der zweite Abschnitt hergestellt und begreift eine innere Wand 82, eine äussere Wand 84, einen Strömungsweg 86 sowie Strömungskana'le 88. Der erste Abschnitt 7O hat einen kleineren Querschnitt an seinem stromabwärtsliegendeiviiide 9υ als das stromaufwärtsliegende Ende 92 de,s zweiten Abschnittes 72. Die beiden Abschnitte können deshalb ineinander geschoben werdencad es wird hervorgehoben, dass alle anderen Abschnitte, gleichgültig ob sie vor oder hinter den Abschnitten 7ü und 72 liegen, in gleicher weise miteinander verbunden werden können.

Ein anderes Merkmal der Erfjb&ang ist darin zu sehen, dass die Kühlmittelströmung durch die Strömungskanäle über die gesamte Länge des Abschnittes fliesst und dann über die innere Wand das nächstfolgenden, stromabwärts liegenden Abschältces geleitet wird. Auf diese Weise wird die Kühlmittelströmung sehr wirkungsvoll verwendet, da sie erstens, nicht von der Wand abgeleitet wird und zweitensj als zusätzliches Wärmeabfuhrmittel über die Innenwand von jedem Abschnitt geleitet werden kann, um dessen Temperatur auf einem bestimmten wert zu halten. Dieses Merkmal ist deutlich in Figur 3 dargestellt, wo die Kühlmittelströmung bei 98 aus den Strömungskanälen des Abschnittes 70 austritt und entlang der inneren Oberfläche '82 des zweiten Abschnittes 72 geleitet wird. Beim Herstellen der erfindungsgemässen Verbindung zwischen den Mantelabschnitten stellt sich das Problem der Befestigung des ersten Abschnittes 70 am zweiten Abschnitt 72. Dieses Problem ist dadurch bedingt, da es schwierig ist, eine Schweissverbindung durch eine doppelte Wandbauweise mit dazwischenliegenden Strömungskanälen durchzuführen., Bei der Erfindung werden durch ein neues Verfahren im wesentlichen alle Probleme beseitigt, die bei einer Verbindung zwischen aneinandergrenzenden Abschnitten auftreten. Die

00984E/10 48

BAD ORIGINAL

- 8 aneinandergrenzenden Abschnitte werden vorzugsweise durch schweissen aneinander befestigt; und deshalb ist es erfordert, eine Fläche für die schweissbefestigung zu schaffen. Nach dem Verfahren der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass an der inneren wand 74 und den Strömungskanäien 8u des Abschnittes 7u ein bogenförmiger Bereich ίου ausgearbeitet wird und dass aus der a'usseren wand 84 und den Strömungskanälen 88 des zweiten Abschnittes 72 ein bogenförmiger Bereich Iü2 ausgearbeitet wird, der den Bereich Ιου an dem Abschnitt 70 überlappt. Nachdem dies vorgenommen wurde, wird die äussere oberfläche 76 des Abschnittes 7u in das stromaufwärtsgerichtete Ende des Abschnittes 72 eingeführt und durch ein bekanntes Verfahren z.B. Elektronenstrahlschwexssen, mit der inneren überfläche 82 des Abschnittes 72 befestigt.

BAD ORfGINAL

0 9 8 4 6/1048

Claims (4)

1. F A T E N T A N S P R σ C H E

   ( 1 J Wandkonstruktion, insbesondere für eine Brennkammer, mit mehreren aneinandergeschlossenen Abschnitten, die aus zwei, in Abstand angeordneten wänden bestehen und einen ringförmigen Strömungsweg begrenzen und wobei der Strömungsweg in mehrere einzelne Strömungskanäle aufgeteilt ist, die ein bestimmtes j^änge/Durchmesser Verhältnis haben, um die Reibungsdruckverluste einer durch die Strömungskanäle fliessenden Strömung zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass aneianderliegende Abschnitte stufenähnlich ineinander geschoben sind und die äussere Oberfläche von jedem Abschnitt mit der inneren überfläche von jedem folgenden, stromabwärtsliegenden Abschnitt verbunden ist.
2. 2. Wandkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabwärts liegende Ende von jedem Abschnitt einen kleineren Querschnitt hat als das stromaufwärts liegende Ende eines angeschlossenen stromabwärts liegenden Abschnittes.
3. 3. wandkonstruktion nachAnspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung aus den Strömungskanälen von jedem Abschnitt über die innere überfläche von. jedem angrenzenden, stromabwärtsliegenden Abschnitt geleitet wird.
4. 4. Verfahren zur Verbindung der Abschnitte der Wandkonstruktion nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein bogenförmiger Bereich aus der inneren Wand und den Strömungskanälen eines ersten Abschnittes ausgearbeitet wird, dass ein bogenförmiger Bereich aus der äusseren wand und den Strömungskanälen eines zweiten Abschnittes ausgearbeitet wird, und dass die beiden Abschnitte ineinander geschoben werden, sodass die unbearbeitete äussere wand des ersten Abschnittes sich mit der unbearbeiteten inneren wand des zweiten Abschnittes überdeckt.

   00 9 8 46/ 1 0 A 8

   Leerseite