DE2012949B2

DE2012949B2 - Brennkammerwand insbesondere fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2012949B2
Application number: DE19702012949
Authority: DE
Inventors: Richard William Wethersfield Kurti Alexander Goldberg Perry West Hartford Segalman Irwin Bloomfield Conn Batt (VStA)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-04-02
Filing date: 1970-03-18
Publication date: 1971-09-09
Also published as: FR2042279A5; IL33996A; NL7004574A; SE355635B; CH514069A; GB1247144A; DE2012949A1; US3545202A; IL33996A0; BE748070A

Description

Die Erfindung betrifft cine Brennkammerwand, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, die aus zwei kon/enirischcn Mänteln besieht, zwischen denen mehrere axial verlaufende, enge Kühlluftkanäle ausgebildet sind, wobei an verschiedenen Stellen der BrennnkamincrwaiirJ t|ucr zu den beiden Mänteln durchströmte Vcrbrennungsli .'t-Zufuhröffnungcn angebracht sind, die die Kühlluflkanälc unterbrechen.

Bei den meisten Gasturbinen besitzen die Brennkammern (Hauplbrennkamniern oder Nachbrenner) ίο einen gekühlten Manie'., der die Brennzone begrenzt. Bei einer Hauptbrennkammer dient dieser Mantel in erster Linie zum Einstellen der BrcnnstofT-Lufl-Vcrleilung in der primären Brennzone und der Durchmischung von unverbrauchter Luft mil den Abgasen, »5 um die erwünschten Turbincncinlaßtcmpcralurcn zu erreichen. Dabei müssen die Temperatur der Mantelwand und die Temperatur des die Manlclwand umgebenden Aufbaues für das Haupllager in den zulässigen Grenzen bleiben. Dies wird durch eine Vcr- ao ringerung der Wärmestrahlung von den Verbrennungsgasen erreicht, indem verhindert wird, daß die Verbrennungsgase 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 Wärmckonvcktion gekühlte Anordnung und zweitens eine durch einen Kühlstrom gekühlte Anordnung. Bei der durch Wärmekonvcktion gekühlten Anordnung wird ein Kühlstrom zwisehen die Mantclwand und die Aufbauteil geleitet, während in der durch einen Kühlstrom gekühlten Anordnung ein Strom oder Ströme von Kühlluft durch eine Anzahl von Luftcintritlslöchcrrt in den Mantel oder die Brennzone eingeleitet werden.

Die üblichen oder bekannten Brennkammern oder Nachbrenner haben mehrere Nachteile. So erfordern z. B. diese bekannten Konstruktionen größere Mengen Kühlluft, wodurch die zur Verbrennung und/oder zur Arbeitsmittelkühlung bei einer Hauptbrcm kammer zur Verfügung stehende Luftmcngc verringert wird. Dadurch wird natürlich die Schubzunahme bei Nachbrennern verringert, und bei einem Hauptbrenner sind längere Brennkammern erforderlich, um mit der verringerten Mischluftmenge die gewünschte Türbincneinlaßtcmperatur zu erreichen. Diese Nachteile ergeben natürlich einerseits eine Verringerung der Tricbwcrkslcistung und andererseits eine Vergrößerung des Triebwerksgewichtes.

Ein anderes Problem, das bei den bekannten Konstruktionen auftritt, ist darin zu sehen, daß durch das Strömungsbild oder durch andere in einer Brennkammer oder einem Nachbrenner vorliegende Bedingungen es fast unmöglich wird, die durch Konvektion oder Strahlung von den Verbrennungsgasen auf die Wände übertragene Wärme mit der durch die Kühlluft von den Mantelwänden abgeführte Wärme in Einklang zu bringen. Da es nicht möglich ist, einen gleichmäßigen Wärmeschutz zu erreichen, entstehen sogar in einem gut gekühlten Mantel starke Tcmpcraturschwankungcn mit den dazugehörigen Ausdchnungsbclastungcn. Infolgedessen muß schon nach relativ kurzer Betriebszeit mit der Beschädigung der Brennkammerwand gerechnet werden.

So ist eine Brennkammer mit einem doppclwandigen Mantel bekanntgeworden, in dem sich Kühlmittelkanülc in axialer Richtung über die ganze Länge erstrecken (deutsche Patentschrift 953 206). Bei einer anderen bekannten Brennkammer erstrecken sich tli k'iihlmiltclRanäle in UmfangsrichUing (schwei/crisJu· Fernschrift 344 262). Die Innenwand ist ila'vi-■cherarlig aufgebaut, so daß die Kühlluft durch du· ipallc zwischen diesen Fächern hindiirchirclen kann

Ferner ist eine Brennkammerwand bekam.!geworden, bei der in axialer Richtung zerstäuber Brennsioif mit geringen Luflbcimcngungcn eingeführt wird (ÜSA.-Palcnischrifl 3 407 596). Nach einer l'mk-nkung um 180' gelangt das Gemisch /wischen den äußeren und inneren Mantel der eigentlichen Brennkammer, so daß es den inneren Mantel kühlt. Beide' Mäntel sind dabei von rohrförmigen Ansätzen durchsetzt, die Außenluft in die eigentliche Brennkammer einleiten, wodurch dort ein zündfähige:. Gemisch erreicht wird. Diese Ansätze sind als rohrförmige Ausbuchtungen des Innenmantcls ausgebildet.

Ausgehend von einer Brennkammerwand der eingangs genannten Art licgl daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, crslcrc so auszugestalten, daß die auftretenden Wärmespannungen bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jede LuftzufuhröfTnung als rohrförmiger IZinsatz ausgebildet ist, dessen eines Fndc unter Bildung eines den Einsatz umgebenden Ringkanals mit dem ihm zugeordneten Mantel verbunden ist, und daß die Kühlluflkanäle stromaufwärts und stromabwärts des rohrförmigen Einsatzes in den Ringkanal münden. Die durch die beiden Wände hindurchgcführlcn rohrförmigen Einsätze bilden hierbei also einen den .Einsatz umgebenden Ringkanal aus, der die in axialer Richtung strömende Kühlluft um die Einsätze hcrumleitct, so daß Wärmespannungen wcitcslgchcnd vermieden werden, ohne die Funktion der Kühlluflkanäle zu beeinträchtigen.

Der Einsatz kann dabei an einem Ende umgebördclt sein und dadurch den Ringkanal ausbilden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz an dem Außcnmantcl von einem Ringflansch umgeben, der zusammen mit einem Teil des Einsatzmantcls den Ringkanal ausbildet.

Mit Vorteil isl der Einsatz an der Innenseite des Innenmantcls nanscharti^r mit stetigem Übergang radial nach außen gebogen. Dadurch ergeben sich günstige Strömungsvcrhältnissc vom Einsatz zur Brennkammer.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispiclcn näher erläutert. Es zcigl

F i g. I eine teilweise geschnittene Ansicht einer Brennkammer mit einer Brcnnkammcrwand nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform der Luftzufuhrölfnungcn,

F i g. 3 eine vergrößerte Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Luftzufuhröffnungen.

In Fig. 1 ist ein DifTusorgchäusc 10 dargestellt, welches zwischen dem Kompressor und der Turbine eines Gasturbincnantricbwcrkcs liegt.

Die Brennkammer kann mehrere, ringförmig angeordnete, einzelne Brennertöpfe aufweisen. In Fig. 1 ist nur ein solcher Brennertopf dargestellt. Es sei hervorgehoben, daß die Brennkammer auch einen einzigen, ringförmigen Brennraum aufweisen kann. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besitzt die Brennkammer 14 ein Gehäuse 16, eine Brennstoffeinspritzdüse 18 und eine Brennkammerwand 20. Die Brennkammerwand 20 hat ein gewölbtes, vorderes Abschlußteil 22.

ΙΧ·ν weiteren bosil/i sic einen vonleren Ahsrbniii 24. Ui welchen) die primäre Ve, brennung slatilindei. so wie einen oirenen hndabsehimi 26. v_on welchem lic auss.romemlcn Verbrennungsgase /.·. einer nicht dargesiellen I i.rh.ne gefiel werden. ,

lochvcrdichlee Kompressorluft gelangt in das n.llusorgehause 10 und slrömt zum vorderen Hnde der »rcnnkammcr. hin Ic.l dieser Luft gelangt durch mehrere Luitzuluhrorinungen 28. die in diesem Ab-H-hnilt der Brennkammerwand 20 vorgesehen sind. in das Innere der Brennkammer. Diese Luftzufuhroilmmgen werden spater ausführlicher beschrieben. Wie schon vorher erwähnt wurde, ist es wesentlich, UM die Bauteile, welche die Brennkammerwand 20 umgeben, auf einer annehmbaren Betriebstemperatur gehalten werden. Um dies zu erreichen, ist die Brennkammerwand 20 wie nachfolgend besehrieben auf-

In hig. L ist eine bevorzugte Ausführungsform der hrfindung dargestellt. In dieser Figur besitzt die _ao Brennkammerwand 20 einen Innenmantel 40 und einen Außenmantel 42. der unter radialem Abstand v,im Inr.cnmantcl angeordnet ist. Der Inncnmantel begrenzt den Raum fur die heißen Verbiennungsiiase. lir ist deshalb der verhältnismäßig heißen Slrö- as niung ausgesetzt, und es ist erforderlieh, ihn auf einer annehmbaren Betriebstemperatur zu halten. Zwischen dcn Mänteln 40 und 42 ist ein Strömungsweg 44 für Kühlluft vorgesehen. Der Slrömungsweg verläuft über die gesamte Länge eines jeden Mantelabschnittes. Insbesondere besteht der Mantel nach dieser Ausrülirungsform aus einer Anzahl Abschnitte 50. deren s.Tomabwärts liegendes F.nde 52 mit dem stromaufvärts liegenden Ende 54 des nächstfolgenden Mantelscgmentcs 56 verbunden ist. Diese Konstruktion uiid der axial verlaufende Strömungsweg 44 ist deullicher in Fig. 1 dargestellt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Sirömungsweg 44 mehrere verhältnismäßig kleine Kühlluftkanälc 60 umfaßt, die am Umfang der Brennkammcrwand 20 verteilt sind. Außerdem verlaufen diese Kühlluftkanüle 60 über die gesamte Länge eines jeden Manlclabschnittes und demnach über die gesamte Länge der Brennkammcrwand 20. In der Ausführungsform nach F i g. 2 sind die Kühlluftkanäle 60 öffnungen, welche durch mehrere Rippen 62 gebildet sind, die sich von einem der beiden Mantel. z.B. von dem Inncnmantel 40, erstrecken. Insbesondere sind die Kühlluftkanälc 60 von einer Anzahl Rippen 62 gcbildet, die vom Inncnmantel 40 zum Außcnmamcl 42 ragen. Diese Rippen 62 sind unter Abstand zucinander angeordnet, liegen jedoch verhältnismäßig nahe aneinander, um die Kühlluftkanälc 60 mit verhältnismäßig kleinem hydraulischem Durchmesser auszubilden.

Dcr Durchmesser der Kühlluftkanäle 60 ist von größter Wichtigkeit, und in der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser für jeden Kühlluftkanal 0,25 bis 5 mm. Die Geometrie der Strömungskanäle ist wichtig, da durch sie die übcrtragene Wärmemenge von den heißen Verbrcnnungsgasen und der Innenwand bestimmt wird. Ein Kühlluftstrom, der wesentlich kälter ist als die heißen Verbrennungsgase, wird bei 64 in den Strömungsweg eingeleitet. Dieser Kühlluftstrom durchsetzt die Kühlluftknnälc 60 und kühlt somit den ganzen Umfang der Brennkammcrwand 20 über seine gesamte Länge. Die Geometrie dieser Kühlluftkanäle 60 ist auch daueren π-l.r ».thtu- »v-l di.uh m. »lic Ke,-bum-.drucUcrlusie des Κ.ιΙ.ΙΙιιΙΜμ,πκ K-umnu

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|»_c, _c-ner u.cnnkan.mcr m.t c.rvr Μ.,πν _{n;id) llcr} ,.,,·„„,„„,, _{lM S(}„._m, _d,_r /„,,„ /tischendem Durchmesse, der Knhlh.l-k der I anee c.ncs jeden Ki.l.llnliUtu's *..n »vs,.„.\- rer IJedein.ine. um ' Manivl 40 .,»I t.m-r .inru-hmbaren Bemebs.cmpuaiur /u halten: I n> cn wirst,-i-es Verhältnis /«iscbcn den in den Kuhhuhk.-ulen auftretenden UeibunesdrucUcrlusicn uiul «kr ton der beißen Innenwand /u dem kiihMrom ,,Krn.u-e ncn Wärmemenge /u erreichen und dahe. den Man-tel 40 auf einer annehmbaren BetnebMem|K.r.nur /u halten, wird ein Verhältnis l.iinge Durchmesser m der Größenordnung von 10 bis 200 wirce/opcn.

I_n Fig. 1 ist ebenfalls die "erbindung /wischen den einzelnen Wandabschnilten dargestellt. Die Verbindung zwischen dem Mantelabsehnill 50 und dem Mantelabsehnitt 56 wird nun erläutert. Der erste Mantelabsehnitt 50 hat an seinem stromabv.artigen linde 52 eine kleinere Ouerschniitsfliichc c"v der zweite Mantelabsehnitt 56 an seinem stromaulwariigen Ende 64. Infolgedessen können die /wci Abschnitte ineinandergeschoben werden. Die weiter stromabwärts oder stromaufwärts liegenden Abschnitte können auf ähnliche Weise miteinander verbunden werden.

Durch diese Verbindung zwischen den einzelnen Abschnitten wird die Kühlluft beim Austritt au·, den Kiüiütiftkanälcn über die Innenwand eines nächst-' folgenden Abschnittes geleitet. Auf diese Weise wird der Kühlstrom sehr wirkungsvoll angewendet, da er erstens nicht von der durch Wärmckonvcktion ekühlten Wand abgetrieben wird und zweitens cii./usätzliches Wärmcabfuhrmillel darstellt, da· vcrwendet werden kann, um die Wandlemperatur de, stromabwärts liegenden Mantelabschnittcs zu beeinflussen.

In Fi g. 3 ist der Aufbau einer LuflzufuhrölTnung dargestellt. Ein Teil des Inncnmanlels 40, der Strömungskanälc 60 und des Außcnmantels 42 ist aus der Wandkonstruktion ausgearbeitet, und in diesem ausgearbeiteten Teil ist ein Einsatz 28 eingeführt. Der Einsatz umfaßt eine EinlaßöiTnung 72, die am Außenmantel 42 liegt, und eine AuslaßöfTnung 74. welche am Inncnmantel 40 vorgesehen ist. Der Einsatz 28 ist quer zu der Achse der Brennkammer 14 eingesetzt, und die Achse des Einsatzes 28 steht im wesentlichen radial zur Längsachse der Brennkammer IJ Es ist in Fi g. 3 nur ein Einsatz 28 dargestellt; es sei jedoch erwähnt, daß eine beliebige Anzahl von Einsätzen 28 am Umfang der Wand verteilt sein kann.

Wenn bei einer Wandbauweise nach der beschriebcncn Art eine Luftzufuhröffnung einzuarbeiten ist. so ist zu beachten, daß Vorkehrungen gctrofTcn weiden müssen, damit der Kühlstrom auch zu den Strömiingskanälen 60 gelangen kann, welche stromabwärts der öffnung liegen. Wie aus F i g. 3 hervorgeht, ist der Einsatz 28. durch welchen die Verhrennur.gsluft in die Brennkammer 14 geleitet wird, ein ringförmig ausgebildeter Teil. Um den erforderlichen Sirömungsweg zwischen den Strömungskanälen stroniaufwärts und stromabwärts der Einlaßöffnung 72 aufrcchtzuhaltcn, ist um die Einlaßöffnung ein Ringkanal 78 gelegt, der in Verbindung mil dem Strömungswcg 44 ist. Infolgedessen sieht der Ringkanal 78 mit jedem Strömungskanal, welchen sie unterbricht, in Verbindung und erzeugt somit eine ununter-

brochcne Strömung des Kühlstromcs von den Strömungskanälen stromaufwärts des Einsatzes 28 zu den Strömungskanälen stromabwärts von dem Einsatz 28.

In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform des Einsatzes dargestellt. Diese Ausführungsform besteht aus zwei Teilen und umfaßt einen anderen Einsatz 90, der durch die öffnung zwischen dem Inncnmanlcl 40 und dem Außcnmantcl 42 eingeführt wird. Die Konstruktion und der Zweck des rohrförmigen Einsatz 90 sind dieselben wie beim Einsatz 28 nach to Fig. 3, und es haben dieselben Bauteile die gleichen Aufgaben zu erfüllen, jedoch mit der im folgenden beschriebenen Ausnahme. Es ist nämlich ein Ringflansch 94 vorgesehen, der sich zwischen dem Außcnmantel 42 und dem Einsatz 90 erstreckt. Der Ringflansch 94 bildet mit dem Einsatz 90 einen PJng-'—nal 98. Dieser hat dieselbe Aufgabe wie der Ring- »anal 78 nach Fig. 3. Durch den Ringkanal 98 wird also auch eine geeignete Kühlmittelströmung von den Strömungskanälen stromaufwärts des Einsatzes 90 zu ao den Strömungskanälen stromabwärts des Einsatzes 90 geleitet.

Die Brennkammerwand 20 ist radial im Abstand von dem Gehäuse 16 (s. F i g. 1) angeordnet, wodurch ein Strömungxweg 80 zwischen der Brennkammerwand 20 und dem Gehäuse 16 gebildet wird, durch welchen eine dritte Strömung geleitet werden kann. Diese dritte Strömung kann als Wärmeübergangsmedium verwendet werden und kann das Gehäuse 16 in zusätzlicher Weise vor den heißen Verbrcnnungsgasen schützen.

Claims

Patentansprüche:

1. Brcnnkammerwand, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, die aus zwei konzentrischen Mänteln besteht, zwischen denen mehrere axial verlaufende, enge Kühlluftkanäle ausgebildet sind, wobei an verschiedenen Stellen der Brcnnkammerwand quer zu den beiden Mänteln durchströmte Vcrbrennungshift-Zufuhröffnungen angebracht sind, die die Kühlluftkanäle unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Luftzufuhröffiiung als rohrförmigcr Einsatz (28, 90) ausgebildet ist, dessen eines Ende unter Bildung eines den Einsatz umgebenden Ringkanals (78, 98) mit dem ihm zugeordneten Mantel (40; 42) verbunden ist, und daß die Kühlluftkanäle (60) stromaufwärts und stromabwärts des rohrförmigen Einsatzes in den Ringkanal münden.

2. Brennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (28) an einem Ende umgebördelt ist und dadurch den Ringkanal (78) ausbildet.

3. Brennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (90) an dem Außcnmantel (42) von einem Ringflansch (94) umgeben ist, der zusammen mit einem Teil des Einsatzmantels den Ringkanal (98) ausbildet.

4. Brennkammerwand nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (28. 90) an der Innenseite des Inncnmantels (40) flanschartig mit stetigem Übergang radial nach außen gebogen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen