DE2126648B2

DE2126648B2 - Brennkammer

Info

Publication number: DE2126648B2
Application number: DE2126648A
Authority: DE
Inventors: Jacques Emile Jules Dammarie-Les-Lys Caruel; Jean-Pierre Jules Emile Chartrettes Castellant; Simone Melun Coutor; Armand Jean-Baptiste Itteville Lacroix
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1970-06-02
Filing date: 1971-05-28
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DE2126648A1; DE2126648C3; FR2093115A5; GB1323007A; US3735589A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem etwa axial verlaufenden vorderen Wandteil, einem etwa axial verlaufenden, bezüglich des vorderen Wandteils radial versetzten hinteren Wandteil, einem kegelstumpfförmigen Verbindungsteil, der den vorderen Wandteil mit dem hinteren Wandteil verbindet, einer im wesentlichen parallel zum hinteren Wandteil verlaufenden Zunge, die von einer sich über das Verbindungsstück hinaus erstreckenden Verlängerung des vorderen Wandteils gebildet wird, mehreren in dem Verbindungsteil nahe dem vorderen Wandteil gebildeten Kühlluftöffnungen zur Bildung eines Kühlfilms auf der Innenseite des hinteren Wandteils und mehreren im hinteren Wandteil im Bereich des Kühlfilms gebildeten Verbrennungsluftöffnungen zum Zuführen von Verbrennungsluft in das Innere der Brennkammer.

Bei einer vorbekannten Brennkammer dieser Art (US-PS 34 90 230) hat der kegelstumpfförmige Verbindungsteil der Brennkammerwand einen Neigungswinkel von etwa 45° und die Länge des Verbindungsieiis ist nur wenig größer als der Durchmesser der Kühlluftöffnungen. Die im hinteren Teil der Brennkammerwand gebildeten Verbrennungsluftöffnungen bestehen aus in der Brennkammerwand gebildeten einfachen Bohrungen. Aufgrund dieser Ausbildung dürfte es bei dieser

ίο Brennkammer kaum zu einem geschlossenen Kühlfiim kommen, was naturgemäß die Kühlung der Brennkammerwand beeinträchtigt. Im Prinzip das gleiche gilt für eine weitere vorbekannte Brennkammer etwas anderer Bauart (US-PS 34 98 055), bei der, soweit erkennbar, ein geschlossener Kühlluftfilm überhaupt nicht angestrebt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der angesprochenen Gattung die Kühlung der Brennkammerwand zu verbessern.

Dies wird bei einer Brennkammer mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß sich an dem mit den KühlJuftöffnungen versehenen Abschnitt des Verbindungsteils ein nicht durchbrochener Abschnitt beträchtlicher Länge anschließt, daß der Neigungswinkel des kegelstumpfförmigen Verbindungsteils zwischen 15 und 25°, vorzugsweise etwa 20°, beträgt, daß die Kühlluftöffnungen in zwei Reihen zickzackförmig angeordnet sind, und daß die Verbrennungsluftöffnungen mit in das Innere der Brennkammer vorstehenden Rändern versehen sind.

Verbrennungsluftöffnungen mit in das Innere der Brennkammer vorstehenden Rändern zu versehen, ist bei Brennkammern an sich bereits bekannt (DE-GM 66 04 791). Es ist ferner bereits eine Brennkammer (GB-PS 10 60 097) bekannt, bei der Luftöffnungen in zwei Reihen zickzackförmig angeordnet sind. In diesem Fall ist jedoch die eine Reihe der Luftöffnungen in einem senkrecht zur Brennkammerwand verlaufenden Verbindungsteil angeordnet, während die andere Reihe von Öffnungen in der Brennkammerwand selbst vorgesehen ist.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung sind die zickzackförmig angeordneten KühHuftöffnungen nur am stromaufwärtigen Ende des Verbindungsteils vorgesehen, dessen Neigungswinkel zwischen 15 und 25° liegt, während stromab der KühHuftöffnungen ein kontinuierlicher, kegelstumpfförmig verlaufender Wandabschnitt beträchtlicher Länge, der von keinen Öffnungen durchbrochen wird, vorgesehen ist.

so Hierdurch wird ein sich allmählich erweiternder Diffusor gebildet, der einerseits aus der axial verlaufenden Zunge und andererseits aus dem sich allmählich erweiternden Verbindungsteil besteht. Da die KühHuftöffnungen wegen der zickzackförmigen Anordnung sehr dicht aneinander vorgesehen werden können, wird der Diffusor sehr gleichmäßig beaufschlagt; die Kühlluft tritt in den Diffusor dort ein, wo der Strömungsquerschnitt am kleinsten ist, und von dieser Stelle aus wird der Kühlluftstrom zwischen den beiderseits glatten Wänden ganz allmählich verzögert. Hierdurch kann sich ein homogener, verhältnismäßig langsam strömender Kühlluftfilm bilden, der die Brennkammerwand gleichmäßig bedeckt. Da die Verbrennungsluftöffnungen mit einem nach innen vorsiehenden Rand versehen sind, kann der Kühlluftstrom ungestört um die Verbrennungsluftöffnungen herum strömen und sich hinter ihnen wieder zu einem geschlossenen Film zusammenschließen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hälfte einer erfindungsgemäßen Brennkammer;

F i g. 2 ein Detail der in F i g. 1 gezeigten Brennkammer in vergrößertem Maßstab;

F i g. 3 einen abgewickelten Zylinderschnitt in Blickrichtung des Pfeils III in F i g. 2;

Fig.4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig.5 einen abgewickelten Zylinderschnitt in Blickrichtung des Pfeils V in F i g. 4.

Die dargestellte Brennkammer ist eine Ringbrennkammer, deren Wand in an sich bekannter Weise aus einer ringförmigen Stirnwand 1, einer ringförmigen Außenwand 2 und einer ringförmigen Innenwand 3 besteht. Die Stirnwand 1 trägt mehrere kranzförmig angeordnete Brenner 4. Die hinteren rtänder der Innenwand 3 und Außenwand 2 bilden eine ringförmige Austrittsöffnung 5. Die Außenwand 2 ist mit zwei Reihen kranzförmig angeordneter Verbrennungsluftöffnungen 7,8 versehen. Die Innenwand 3 ist ebenfalls mit zwei Reihen Verbrennungsluftöffnungen 9,10 versehen.

Ferner sind Ansätze 11,11a und üb vorgesehen, mit denen die Brennkammer in einem Strahltriebwerk (nicht gezeigt) zwischen dem Verdichter und der Turbine (nicht gezeigt) befestigt wird. Die vom Verdichter geförderte Hochdruckluft strömt in einem Außenstrom F außerhalb des durch die Brennkammer und in einem Innenstrom Fi gebildeten Rings. Ein Teil dieser Luft tritt außerdem durch Verbrennungsluftöffnungen 7, 8, 9, 10 und 12, die um und zwischen den Brennern 4 angeordnet sind, in die Brennkammer ein.

Die Funktionsweise einer solchen Brennkammer ist bekannt. Der Kraftstoff wird durch die Brenner 4 eingespritzt und durch nicht gezeigte Mittel gezündet, so daß er in der durch die Verbrennungsluftöffnungen 7, 9 eintretenden Primärluft entflammt. Seine Verbrennung wird in der Sekundär- und Verdünnungsluft, die durch die Verbrennungslüftoffnüngen S und 10·-eintritt, fortgesetzt und weiter entwickelt. Kühlluft tritt bei 12 ein. Die Heißgase strömen mit großer Geschwindigkeit durch die Austrittsöffnung 5 der Turbine zu, und in der Brennkammer herrscht ein niedrigerer Druck als in den Luftströmen Fund Fl.

Die Außenwand 2 der Brennkammerwand setzt sich aus drei (aus Blech gebildeten) Wandteilen unterschiedlichen Durchmessers zusammen, wobei die Durchmesser in Strömungsrichtung größer werden. Die Innenwand 3 besteht ebenfalls aus drei Wandteilen, deren Durchmesser in Strömungsrichtung stufenförmig abnimmt. Jeder Wandteil ist an seinem stromaufwärtigen Ende mit einem Verbindungsstück versehen, das mit dem unmittelbar vor ihm angeordneten Wandteil, etwas vor der Hinterkante dieses Wandteils, verschweißt ist. F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab die Verbindung des mittleren Wandteils 13 der Außenwand 2 mit dem davor angeordneten Wandteil 14.

Wie aus Fig.2 ersichtlich, ist der im wesentlichen zylindrische Wandteil 13 mittels eines kegelstumpfartigen Verbindungsteils 13a, das einen Neigungswinkel von etwa 20° aufweist, mit einem zylindrischen Abschnitt 136 kleineren Durchmessers verbunden, der an dem Wandteil 14 durch Schweißung (nicht gezeigt) befestigt ist. Das kegelstumpfartige Verbindungsteil 13a ist mit einem Kranz von Kühlluftöffnungen 15 versehen, die, wie aus Fig.3 ersichtlich, über Kreuz, d.h. zickzackförmig, in zwei Reihen angeordnet sind, die sich dicht an dem zylindrischen Abschnitt 136 befinden, so daß das kegelstumpfartige Verbindungsteil 13a über den größten Teil seiner Länge keine öffnungen aufweist

Der Wandteil 14 ist durch eine zylindrische Zunge 14a, deren Verbindungsteil 14b sich etwas hinter dem konischen Verbindungsteil 13a befindet, nach hinten

ίο verlängert

Im Betrieb strömt Überdruckluft aus dem Außenstrom Fentlang den Pfeilen /durch die Kühlluftöffnungen 15, den divergierenden Ringkanal 22, der sich zwischen der Zunge 14a und dem nicht durchbrochenen Abschnitt des kegelstumpfartigen Verbindungsteils 13a befindet, durch den Ringkanal zwischen dem zylindrischen Wandteil 13 und der Zunge 14a und tritt aus diesem Kanal aus, wobei sie einen Kühlluftfilm (schematisch angedeutet durch den Pfeil /)) bildet, der längs der Innenseite des Wandteils 13 strömt.

Die Verbrennungsluftöffnungen 8, welche der Wandteil 13 aufweist, sind kranzförmig mit gewissem Abstand stromabwärts von dem Verbindungsteil 14£> der Zunge 14a angeordnet Wie aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich, weisen die Verbrennungsluftöffnungen 8 mehrere große öffnungen 16 auf, die mit kleineren öffnungen 57 abwechseln. Die öffnungen, die gleichmäßig verteilt sind, sind nicht kreisförmig, sondern länglich, wobei ihre Längsseiten in Längsrichtung der Brennkammer verlau-

fen. Jede der öffnungen 16, 17 ist mit einem Rand 16a bzw. 17a versehen, der nach innen umgebogen ist Die Ränder 17a stehen etwa bis auf die Höhe der Zunge 14a vor, und die Ränder 16a ragen noch weiter in die Brennkammer hinein.

Der vordere Wandteil 14 und der hintere Wandteil 18 sind ebenfalls in der anhand der F i g. 2 beschriebenen Art und Weise an der Stirnwand 1 bzw. dem mittleren Wandteil 13 befestigt. In F i g. 1 sind die kegelstumpfartigen Abschnitte 146 und 18a, die als Verbindungsteil dienen, und jeweils mit einem Kranz von über Kreuz angeordneten Kühlluftöffnungen 19 bzw. 20 versehen sind, und die Zungen la und 13c zu sehen. Die Innenwand 3 wird ebenfalls von drei Wandteüen 13', 14' und 18' gebildet, die untereinander und mit der Stirnwand 1 in der gleichen Weise verbunden sind. Die Wandteile, die die gleiche Rolle wie in der Außenwand 1 spielen, sind mit den gleichen Bezugsziffern, zuzüglich eines Apostrophs, bezeichnet. Der Kranz 10 aus öffnungen, die in dem Wandteil 13' gebildet sind, weist

öffnungen entsprechend den öffnungen 16, 17 der F i g. 4,5 auf, die mit Rändern wie 16a'versehen sind, die in die Brennkammer bis mindestens auf Höhe der Zunge 14a'vorstehen. Die Verbrennungsluftöffnungen 7 und 9, welche der Wandteil 14 bzw. 14' aufweist, sind kreisförmig und mit Rändern Ta, 9a versehen, die in das Innere der Brennkammer vorstehen. Die hinteren Wandteile 18 und 18' weisen keine öffnungen auf und sind mit Ringteilen 21 und 21' verschweißt die die Austrittsöffnung 5 bilden.

Der Teil der Brennkammer, dessen Auslegung am »heikelsten« ist, ist offensichtlich derjenige, der die Wandteile 13 und 13' enthält Dies ist nämlich derjenige Teil, der der intensivsten Wärmestrahlung ausgesetzt ist, und in diesem Teil der Brennkammer muß die

fei Verorennungsluft in großer Menge — quer zur Längsrichtung der Flamme — eingeführt werden, um die gewünschte Turbulenz zu erzeugen, ohne jedoch die Strömung der Heißgase in Richtung auf die Austrittsöff-

nung 5 zu behindern und die Kühlung der Wände zu beeinträchtigen. Im Betrieb hat sich gezeigt, daß aufgrund der oben beschriebenen Anordnung und Ausbildung eine zufriedenstellende Strömung der aus der Austrittsöffnung 5 austretenden Heißgase erzielt wird, ohne daß die Wände und insbesondere diejenigen Abschnitte der Wände, die um und hinter den Verbrennungsluftöffnungen liegen und bei den herkömmlichen Brennkammern extrem hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, überhitzt werden.

Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung läßt sich wie folgt erklären. Wie bereits erwähnt, herrscht in der Brennkammer ein wesentlich niedrigerer Druck als in den Außenströmen F, F_u so daß die Verbrennungsluft mit großer Geschwindigkeit durch die Verbrennungsluftöffnungen 8 und 10 hindurchtreten kann. Dieser starke Unterdruck ruft jedoch auch eine starke Einströmung von Kühlluft mit großer Geschwindigkeit (Filmkühlung) hervor; falls keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, besteht die Gefahr, daß diese Strömung mit großer Geschwindigkeit ihrerseits Wirbelstromeffekte in dem auf der Innenseite der Brennkammerwand strömenden Kühlfilm ausübt. Dies ist vermutlich die Ursache der erheblichen Überhitzung, die an den Wänden der herkömmlichen Brennkammern festgestellt wurde.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, trifft die Luft, die in Richtung des Pfeils f einströmt, am Ausgang der Kühlluftöffnungen 15 auf eine plötzliche Querschnittserweiterung, was einen Druckabfall und eine Verzögerung bewirkt. Außerdem wird die Luftströmung in mehrere Elementarströme unterteilt, die aufgrund der zickzackförmigen Anordnung der Kühlluftöffnungen 15 sehr nahe beieinanderliegen, was die Bildung einer homogenen Strömung in dem divergierenden Kanal 22 zwischen der Zunge 14a und dem nicht durchbrochenen Teil des Verbindungsteils 13a begünstigt. Es wurde festgestellt, daß der optimale Neigungswinkel des kegelstumpfartigen Verbindungsteils bei etwa 20° liegt, und man kann sich vorstellen, daß dieser verhältnismäßig kleine Neigungswinkel die Verzögerung und die Diffusion der Luft in dem divergierenden Kanal 22 begünstigt. Außerdem tritt die Luft in die Kühlluftöffnungen 15 offensichtlich langsamer ein als dies der Fall wäre, wenn das kegelstumpfartige Verbindungsteil 13a stärker geneigt wäre. Die Luft, die aus dem divergierenden Kanal 22 austritt und in den Ringkanal mit den parallelen Wänden 23 eintritt, ist gegen die Turbulenzen geschützt, die in der Brennkammer auftreten, und tritt aus dem Kanal 23 in Richtung des Pfeils /i aus, wobei sie einen turbulenzfreien homogenen Film bildet, der mit geringer Geschwindigkeit auf der Innenseite des Wandteils 13 strömt. Außerdem gelangt die aus den

ίο Kühlluftöffnungen 15 austretende Luft mit der Zunge 14a in Berührung, wodurch die Zunge gekühlt wird.

Die bei Versuchen festgestellte gute Kühlung derjenigen Abschnitte des Wandteils 13, die die öffnungen 16,17 umgeben und hinter diesen öffnungen liegen, läßt sich durch das Zusammenwirken zweier Faktoren erklären; diese Faktoren sind die Ränder 16a, 17a, deren beträchtliche Höhe den Kühlluftfilm daran hindert, von den durch die öffnungen hindurchtretenden Strahlen der Verbrennungsluft mitgerissen zu werden, und die homogene und verhältnismäßig langsame Strömung des Kühlluftfilms, die es ermöglicht, daß der Kühlluftfilm die Ränder 16a, 17a umströmt und sich hinter den Rändern wieder schließt.

Die längliche Form der Verbrennungsluftöffnungen erlaubt es, der Luftströmung durch Verringern der Querabmessungen der Öffnungen den erforderlichen Durchtrittsquerschnitt zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen den Teilen des Kühlluftfilms, die beiderseits an den öffnungen vorbeiströmen, verringert, wodurch die Wiederherstellung des Kühlluftfilms hinter den Öffnungen erleichtert wird. Außerdem wird die Gefahr, daß die Strahlen der in die Brennkammer eintretenden Verbrennungsluft sich vor der Austrittsöffnung 5 stauen, verringert. Die abwech-

selnde Anordnung der größeren und kleineren öffnungen 16 bzw. 17 begünstigt die Wiederherstellung des Kühlluftfilms hinter den öffnungen.

Die Brennkammer muß nicht als Ringbrennkammer sondern kann auch als Rohrbrennkammer ausgebildet werden, die an ihrem hinteren Ende offen und mit einem Brenner versehen ist und Teil einer Anordnung aus Flammenrohren bildet, die um die Achse eines Strahltriebwerks oder einer Gasturbine verteilt sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem etwa axial verlaufenden vorderen Wandteil, einem etwa axial verlaufenden, bezüglich des vorderen Wandteils radial versetzten hinteren Wandteil, einem kegelstumpfförmigen Verbindungsteil, der den vorderen Wandteil mit dem hinteren Wandteil verbindet, einer im wesentlichen parallel zum hinteren Wandteil verlaufenden Zunge, die von einer sich über das Verbindungsstück hinaus erstreckenden Verlängerung des vorderen Wandteils gebildet wird, mehreren in dem Verbindungsteil nahe dein vorderen Wandteil gebildeten Kühlluftöffnungen zur Bildung eines Kühlfilms auf der Innenseite des hinteren Wandteils und mehreren im hinteren Wandteil im Bereich des Kühlfilms gebildeten Verbrennungsluftöffnungen zum Zuführen von Verbrennungsluft in das Innere der Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den mit den Kühlluftöffnungen (15, 15'; 19, 19') versehenen Abschnitt des Verbindungsteils (13a, 13a',· 146, i4b') ^e'^{n n}i^cnt durchbrochener Abschnitt beträchtlicher Länge anschließt, daß der Neigungswinkel des kegelstumpfförmigen Verbindungsteils zwischen 15 und 25°, vorzugsweise etwa 20°, beträgt, daß die Kühlluftöffnungen (15,15'; 19, 19') in zwei Reihen zickzackförmig angeordnet sind, und daß die Verbrennuugsluftöffnungen (7,9; 8,10) mit in das Innere der Brennkammer vorstehenden Rändern (7a, 9a; 17a, 16a',) versehen sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (7a, 9a; 17a, 16a') der Verbrennungsluftöffnungen (7, 9; 8, 10) in die Brennkammer bis etwa auf Höhe der Zunge (la, la'; 14a, 14a',)oder darüber hinaus vorstehen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluftöffnungen (7, 9; 8, 10) länglich ausgebildet sind, wobei ihre Längsseiten in Längsrichtung der Strömung des Kühlfilms verlaufen.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluftöffnungen (7, 9; 8, 10) aus größeren Öffnungen (16) und dazu abwechselnd angeordneten kleineren Öffnungen (17) bestehen.