DE2108690A1 - Afterburners for gas turbines - Google Patents
Afterburners for gas turbinesInfo
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Description
HEINZ LINSER · PATENTANWALT . PHYSIKERHEINZ LINSER PATENT ADVOCATE. PHYSICIST
6072 D RE I E ICH EN HAI N BERLINER RING 170 RUF (061 03) a 18 136072 D RE I E ICH EN HAI N BERLINER RING 170 CALL (061 03) a 18 13
GENEHAL ELECTRIC COMPANYGENEHAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road
Schenectady, N.Y./USA1 River Road
Schenectady, NY / USA
Nachbrenner für GasturbinenAfterburner for gas turbines
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und insbesondere auf Nachbrenner zur Steigerung der Energie eines heißen Gasstromes, der aus einer Schubdüse ausströmt.The invention relates to gas turbines and, more particularly, to afterburners for increasing the energy of a hot one Gas stream flowing out of a thrust nozzle.
Bei derartigen Nachbrennern wird Brennstoff in einen heißen Gasstrom eingespritzt, um die Energie zu erhöhen. Unmittelbar hinter den Einspritzdüsen sind Flammenhalter befestigt, um eine stabile Flammenfront oder eine lokalisierte VerbrennungSÄone für den vermehrten Brennstoff herzustellen. In such afterburners, fuel is injected into a hot gas stream in order to increase the energy. Flame holders are attached immediately behind the injectors to create a stable flame front or localized combustion zone for the augmented fuel.
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V-förmige Abflußeinrichtungen aus Metallblech, haben sich als Flammenhalter als ganz wirksam erwiesen. Derartige Flammenhalter müssen in einem Gebiet außerordentlicher hoher Temperaturen arbeiten, unter denen die Festigkeit des Materials der Abflußeinrichtung sehr gering ist. Aufgrund der relativ dünnen Metallquerschnitte, welche durch Gewichtsbegrenzungen und aus noch anderen Gründen erforderlich sind, sind die Flammenhalterabflußeinrichtungen Biege- und Torsionsbelastungen ausgesetzt, die nach relativ kurzen Betriebszeiten eine Verformung der Abflußeinrichtungen zur Folge haben.V-shaped drainage devices made of sheet metal have become proved to be quite effective as a flame holder. Such flame holders must be exceptional in an area work at high temperatures, below which the strength of the material of the drainage device is very low. Because of the relatively thin metal cross-sections, which are required by weight restrictions and for other reasons are, the flame holder drainage devices are exposed to bending and torsional loads, which after relatively short Operating times a deformation of the drainage facilities have as a consequence.
Es ist bereits bekannt, den Flammenhalterabflußeinrichtungen Kühlluft zuzuführen, um ihre Metalltemperaturen zu verringern und somit die Festigkeit zu erhöhen. Eine solche Lösung erfordert ein Abzapfen von Preßluft aus der Maschine, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Maschine verringert wird. Desgleichen wird die Herstellung des Flammenhaltersystems kompliziert.It is already known to supply cooling air to the flame holder drains to reduce their metal temperatures and thus to increase the strength. Such a solution requires a tapping of compressed air from the machine, thereby reducing the overall efficiency of the machine. The same is true of the manufacture of the flame holder system complicated.
Der Erfindung liegt daher primär die Aufgabe zugrunde, eine Verbiegung, eine Torsion und andere Deformationen der Flammenhalterabflußeinrichtung in einfacher und wirkungsvoller Weise zu verhindern, um dadurch die Lebensdauer merklich zu erhöhen.The invention is therefore primarily based on the object of bending, torsion and other deformations of the Flame holder drainage device in a simple and effective Way to prevent it noticeably increasing the service life.
Diese Ziele werden durch ein Befestigungseystem erreicht, welches dann, wenn der Nachbrenner sich in dem "heißen" Betriebszustand befindet, den Bieektor der V-förmigen Abflußeinrichtung und die Drehachsen der Befestigungsgelenke zur Strömungerichtung des heißen Gasstromes in RichtungThese goals are achieved through a fastening system, which, when the afterburner is in the "hot" operating condition, is the bieector of the V-shaped drain and the axes of rotation of the fastening joints for the direction of flow of the hot gas stream in the direction
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der Abflußeinrichtung ausrichtet. Die Gelenke sind vorzugsweise auf Trägern befestigt, die auf dem Gehäuse des Nachbrennerteiles der Maschine drehbar gelagert sind, und welche Drehgelenke aufweisen, die ihre inneren Abschnitte mit einem zentralen Gehäuse oder Abflußteil verbinden.aligns the drainage device. The joints are preferably fastened on supports which are on the housing of the afterburner part the machine are rotatably mounted, and which have swivel joints that have their inner portions with a Connect central housing or drainage part.
Die Erfindung wird anhand eines, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention is based on one, shown in the drawing Embodiment explained in more detail. Here show:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einem Nachbrenner für Überschallantrieb;Figure 1 is a schematic representation of a gas turbine an afterburner for supersonic propulsion;
Figur 2 einen Teillängsschnitt des Nachbrenners im Einzelnen in einer "heißen" Stellung;FIG. 2 shows a partial longitudinal section of the afterburner in detail in a "hot" position;
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III nach Figur 2;FIG. 3 shows a section along the line III-III Figure 2;
Figur 4· einen Schnitt entlang der Linie IV-IV nach Figur 2 undFIG. 4 a section along the line IV-IV according to FIG. 2 and
Figur 5 einen Schnitt ähnlich dem nach Figur 2, welcher den Flammenhalter des Nachbrenners in einer "kalten" Stellung zeigt.Figure 5 is a section similar to that of Figure 2, which the Shows the afterburner flame holder in a "cold" position.
Figur 1 zeigt schematisch eine Gasturbine, die für einen Überschallflug Verwendung findet. Die Luft tritt in einen Einlaß ein, der eine Spitze 1o aufweist, und wird sodann in einem Axialstromkompressor 12 komprimiert. Diese komprimierte Luft fördert die Verbrennung des Brennstoffes in einer Verbrennungskammer 14, um einen heißen Gasstrom zu erzeu gen. Der heiße Gasstrom treibt eine Turbine 16 an, die ihrerFigure 1 shows schematically a gas turbine for a Supersonic flight is used. The air enters you Inlet, which has a tip 1o, and then becomes compressed in an axial flow compressor 12. This compressed air promotes the combustion of the fuel in a Combustion chamber 14 to generate a hot gas stream. The hot gas stream drives a turbine 16, which theirs
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seits über eine Welle 18 don Rotor des Kompressors 12 betreibt. Die Enercie des heißen GasßtroraeD wird sodann durch Verbrennung v/eiteren Brennstoffes in einem Nachbrenner oder einem Verstärker 2o erhöht. Der verstärkte Gasstrom strömt sodann aus einem veränderbaren Gebiet aus, nämlich einer konvergenten- divergenten Düse 22, um den notwendigen ßchub für den uberschallflug zu erzielen.on the other hand via a shaft 18 on the rotor of the compressor 12 operates. The energy of the hot gas flow is then increased by combustion of additional fuel in an afterburner or an amplifier 2o. The increased gas flow then flows out of a changeable area, namely a convergent-divergent nozzle 22 to the necessary to achieve a boost for supersonic flight.
Im Unterschallflugbereich kann der heiße Gasstrom in dem Nachbrenner verstärkt werden oder auch nicht, und die Düse kann in eine andere als die dargestellte konvergente- divergente Anordnung eingestellt werden.In the subsonic flight range, the hot gas flow in the Afterburner may or may not be reinforced, and the nozzle may be in a convergent-divergent other than the one shown Arrangement can be adjusted.
In Bezug auf Figur 1 und 2 sei bemerkt, daß der heiße Gasstrom einen ringförmigen Strömungspfad auf v/eist, wenn er in den Nachbrenner gelangt. Diesei· Ötrömungspfad wird von einem Ilaschinengehäuse 24 und einem zentralen Anschlußteil 2G gebildet, die von einem nicht näher dargestellten geeigneten Rahmenaufbau getragen v/erden.Referring to Figures 1 and 2, it should be noted that the hot gas stream is an annular flow path when it is gets into the afterburner. This oil flow path is from a machine housing 24 and a central connector 2G, which are supported by a suitable frame structure (not shown).
Der Nachbrenner weist Brennstoffeinspritzdüsen 3o (siehe hierzu Figur 4) und Flammenhalter in Form von ring- und V-förmigen Abflußeinrichtungen 32 auf. Die Einspritzdüsen können Rohrbündel aufweisen, die in einem winkelförmigen Abstand an dem Gehäuse 24 angebracht sind. Öffnungen in den Röhren versprühen den Brennstoff in den heißen Gasstrom und durch die Abflußeinrichtungen 32 wird eine stabilisierte Flammenfront oder Verbrennungszone aufrecht erhalten. Diese Art einen Nachbrennermechanismus ist ansich bekannt.The afterburner has fuel injectors 3o (see FIG. 4) and flame holders in the form of annular and V-shaped drainage devices 32. The injectors may include tube bundles that are angularly spaced from the housing 24. Openings in the Tubes spray the fuel into the hot gas stream and through the drainage devices 32 a stabilized one becomes Maintain flame front or combustion zone. This type of afterburner mechanism is known per se.
Die Abflußeinrichtungen 32 sind vorzugsweise in Form einer Metallblechkonstruktion ausgebildet, welche Befestigungs-The drainage means 32 are preferably in the form of a Formed sheet metal construction, which fastening
ansatäöfXnungen 36 in. ihren Rianen oder Dreieckxispitzen aufweisen (siehe hierzu Figur 3)· Die Befestigung£;ansäbze reichen durch die Öffnungen 36 und besitzen Schenkel 4o, Vielehe gewölbt sind, um sich den Hinnen der Abflußeinrichtungen anzupassen. Diese Schenkel sind mit den Abfiußeinrichtungen, beispielsweise durch Löten, befestigt. Auf den gegenüberliegenden Seiten eines Jeden Ansatzes 38 sind Glieder 42 durch Stifte 44 befestigt. Die gegenüberliegenden Enden eines Jeden Gliederpaares 42 sind durch utif.be 46 mit den Trägern 48 winkelförmig um das Gehäuse 24 befestigt, Wie aus der Figur 4 ersichtlich ist, besteht zwischen Jedem Träger und Jeder Abflußeinrichtung eine Gelenkverbindung.anterior openings 36 in. have their rianas or triangular apices (see Figure 3) · The attachment £; anäbze extend through the openings 36 and have legs 4o, Polygamy are arched around the back of the drains adapt. These legs are attached to the drainage devices, for example by soldering. On the opposite Links 42 are attached to sides of each tab 38 by pins 44. The opposite ends of each pair of links 42 are through utif.be 46 with the Brackets 48 are angularly secured around housing 24, such as As can be seen from FIG. 4, there is an articulated connection between each carrier and each drainage device.
Jeder der Träger 48 ist an seinem äußeren Ende auf dem Gehäuse 24 mit Hilfe eines Stiftes ^o und ei.nos an dem Gehäuse gesicherten Ansatzes 52 drehbar befestigt. An Jedem Träger 43 ist neben seinem inneren Ende ein Gelenk 54 mit Hilfe eines Stiftes 56 befestigt. Jedes Gelenk 54 ist in Stromaufwärtsrichtung zum Abschlußteil 26 angewinkelt und mit Hilfe eines Stiftes 58,der sich durch den Ansatz 6o erstreckt, damit drehbar befestigt.Each of the carriers 48 is at its outer end on the Housing 24 with the help of a pin ^ o and egg.nos on the Housing secured approach 52 rotatably attached. To everyone In addition to its inner end, carrier 43 has a joint 54 Fixed with the aid of a pin 56. Each joint 54 is in Upstream direction to the end part 26 and angled with the help of a pin 58, which is through the approach 6o extends so rotatably attached.
Die Abflußeinrichtungen 32 arbeiten in einer außerordentlich heißen Umgebung, wodurch sich eine erheblich verringerte Belastungskapazität des Materials der Abflußeinrichtung ergibt, verglichen mit den Umgebungen, die eine mehr normale tiefere Temperatur besitzen. Das beschriebene Befestigungssystem ißt besonders dazu geeignet, die Belastungen der Abflußeinrichtungeri zu verringern, wenn der heiße Gasstrom seine maximale Temperatur und die Metallfestigkoifc ihr Minimum erreicht hat.The drains 32 operate in an extraordinary manner hot environment, resulting in a significantly reduced loading capacity of the material of the drainage device results in a more normal compared to the environments have a lower temperature. The fastening system described eats particularly suitable to the loads of Drainage devices to decrease when the hot gas stream its maximum temperature and the Metallfestigkoifc her Has reached the minimum.
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Zuerst; wird festgesbeiLb, daß das relative radiale und axiale Differenzialausdehnungswachstum zwischen dem Gehäuse und dem Abschlußbeil 26 vorkommen kann, und auch tatsächlich vorkommt. Die Träger M-Q und die Glieder ^1V passen sich einem derartigen Wachstum vollständig an, und bringen dennoch die aufströmseibig gelegenen Enden der Glieder 42 in ihre "heiße" Stellung einer minimalen Materifllfestißkeit, ohne daß auf die Abflußeinrichtimgen Irgendeine Beanspruchung ausgeübt wird, welche dazu neigen würde, sie torsionsmäßig zu verformen. DLe Glieder '1-2 lassen eine voneinander unabhängige Ausdehnung der Abflußeinrichtungen 32 relativ zu dem Tragersysbem zu, und zwar auch wieder ohne daß irgendeine zwangsläufige Torsionsbeanspruchung auf die Abflußeinrichtungen Ln ihrer "heißen" Stellung ausgeübt wird.First; It is noted that the relative radial and axial differential expansion growth between the housing and the end cap 26 can and does occur. The beams MQ and the limbs ^ 1 V fully accommodate such growth and yet bring the upstream ends of the limbs 42 into their "hot" position of minimal material strength without placing any stress on the drainage devices which tend to do so would deform them torsionally. DLe members' 1-2 allow an independent expansion of the drainage devices 32 relative to the carrier system, again without any inevitable torsional stress being exerted on the drainage devices L in their "hot" position.
Die Abflußeinrichtungen und das gesamte Tragsystem sind daher so ausgelegt, daß bei dem heißesten normalen Betriebszustand der Bisektor des Winkels der Abflußeinrichtung, die Gerade χ in Figur 2, zu den Achsen der damit verbundenen Gestängestifte 1V1V und 1VS und ebenfalls mit der Richtung der Strömung des heißen Gasstromes In Richtung zur Abflußeinrichtung ausgerichtet ist. Dies bedeutet, daß keine Torsionskraft© auf die AbflußeinrLchtungen wirken, und daß die Beanspruchungen auf eine einfache minimale Höhe verringert werden, welche durch die heiße Gasströmung in Richtung der Strömung entstehen.The drainage devices and the entire support system are therefore designed so that in the hottest normal operating condition the bisector of the angle of the drainage device, the straight line χ in Figure 2, to the axes of the associated rod pins 1 V 1 V and 1 VS and also with the direction the flow of the hot gas stream is aligned in the direction of the drainage device. This means that there is no torsional force acting on the drainage devices and that the stresses caused by the hot gas flow in the direction of the flow are reduced to a simple minimum level.
Die U1IgUr 5 veranschaulichb eine "kalte" Stellung der Bofesbigungüanordmmg der Abflußeinrichtung, wobei die "heiße" Stellung zum Vergleich durch unterbrochene CiLuLon dargestellt; ist. Aus dieser I-'ijjur kann f>ntnomtiien v/erden, daß dann, wenn die Ausrichtung des ßiflfikbora χ nicht aufrecht erhalten wird, ein Moiiienbenarni um Jedo AbfLußoinrichtung relativ :άι üo.r Achat? des Stifte« 'Kj oder au beiden, vorhanden ist. In •jodem fall tritt öLna '!!oralon der Abflußeinrichbung auf, c'lioThe U 1 IgUr 5 illustrates a "cold" position of the Bofesbigungüanordmmg the drainage device, the "hot" position being shown for comparison by interrupted CiLuLon; is. From this I-'ijjur it can be concluded that if the orientation of the ßiflfikbora χ is not maintained, a Moiiienbenarni around Jedo drainage device relative: άι üo.r agate? of the pin '' Kj, or both, is present. In • each case, ole '!! oralon of the drainage device occurs, c'lio
der Abflusseinrichtung höhere· Beanspruchungen auferlegt, welche über den minimalen Bec-mnpruehungsEustand hinausgehen, wie in Verbindung mit Figur 2 beschrieben vrurde. Höhere Beanspruchungen Jedoch können bei einem derartigen "kalten" Zustand zugelassen werden, und zu ar aiifgrund der erhöhten Festiglceitseigennchaften den Materinlß der Abflußeinrichtung bei verringerten Teperaturen, obgleich derartig verringerte Teperaturen über 65o ° C (12oo° P) liegen können.the drainage device is subjected to higher stresses which go beyond the minimum Bec-MnpruehungsEustand, as described in connection with FIG. However, higher stresses can be permitted in such a "cold" state, and due to the increased strength properties, the material of the drainage device at reduced temperatures, although such reduced temperatures can be above 65o ° C (1200 ° P).
Claims (1)
Abschlußteil (26) gerichtet ist, wobei die Trägergelenke an ihren 3ich gegenüberliegenden Enden (56), (58) schwenkbar mit den Trägern (48) bzw. dem Abschlußteil (26) verbunden •sind.Gas turbine according to claim. 3> characterized in that the afterburner additionally has an inner terminating part (26), and the fastening device also has a joint (54-) which extends from the inner end parts of the carrier (48) on the upstream side and to the
End part (26) is directed, the support joints at their 3ich opposite ends (56), (58) pivotably connected to the supports (48) or the end part (26).
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