DE2202356B2

DE2202356B2 - COOLING ARRANGEMENT FOR CHANNELS CARRYING HOT FLUID, IN PARTICULAR FOR COMBUSTION CHAMBER AND RE-HEATER FLAME PIPES OF GAS TURBINES AND THE PROCESS FOR THEIR PRODUCTION

Info

Publication number: DE2202356B2
Application number: DE19722202356
Authority: DE
Inventors: John Dennis Henbury Bristol Wilson (Großbritannien)
Original assignee: Der Staatssekretaer Fuer Verteidigung In Der Regierung Ihrer Majestaet Der Koenigin Des Vereinigten Koenigreiches Von Grossbritannien und Nordirland London
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-19
Publication date: 1976-02-19
Also published as: FR2123386B1; GB1320482A; US3737152A; IT949676B; DE2202356A1; FR2123386A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für heißes Strömungsmittel führende Kanäle, insbesondere für Brennkammer- und Nacherhitzerfiammrohre von Gasturbinen, gemäß dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1.The invention relates to a cooling arrangement for hot fluid leading channels, in particular for Combustion and reheater tubes of gas turbines, according to the preamble of the preceding Claim 1.

Bekanntermaßen bestehen die Flammrohre von brennkammern und Nacherhitzern häufig aus einer Anzahl von in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Axialabschnitten, an deren Verbindungsstellen jeweils eine Kühlanordnung der eben genannten Art vorgesehen ist.It is known that the flame tubes of combustion chambers and reheaters often consist of one Number of axial sections arranged one behind the other in the direction of flow, at their connection points a cooling arrangement of the type just mentioned is provided in each case.

Eine solche Kühlanordnung ist aus der DT-OS 01569 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanordnung ist ein jeweils zwei Flammrohrabschnitte miteininder verbindender Kühlring mit einer Lochreihe verlehen, deren Löcher jeweils einen Durchmesser von ciwa 0,38 mm bis 2,3 Tim und gegenseitige Abstände Von etwa 2 bis 6 Lochdurchmessern haben.Such a cooling arrangement is known from DT-OS 01569. In this known cooling arrangement is given a cooling ring with a row of holes that connects two flame tube sections, their holes each have a diameter of about 0.38 mm to 2.3 Tim and mutual distances Have about 2 to 6 hole diameters.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei derartigen Kühlanordnungen iur Kühlung der Flammro hrwand ein Abbrand der Kühlringe und der Flammrohrwand auftritt, da die durch die einzelnen Kühlluftbohrungen hindurchtretenden Kühlluftströme eine gewisse Zeit brauchen, um sich zu einem zusammenhängenden Film zu vereinigen, und da infolgedessen hinter den zwischen den einzelnen Kühlluftbohrungen stehengebliebenen Materialbereichen Wirbelzonen entstehen, in welche heiße Brenngase hineingelangen und zu örtlichen Überhitzungen der Kühlringe und der Flammrohrwand führen. Die in diese Wirbelzonen hineingezogenen heißen Gase stellen wenigstens teilweise noch brennbare Gemische dar, so daß in diesen Wirbelzonen stabile Brennflammen entstehen, welcne Aushohlungen in die Kühlringe und die Flammrohrwand brennen.It has been found, however, that with such cooling arrangements, the flame tube is used for cooling a burn-off of the cooling rings and the flame tube wall occurs because the individual cooling air holes Passing cooling air flows need a certain time to become a coherent film to unite, and as a result behind the one that remained between the individual cooling air holes Material areas create vortex zones into which hot combustion gases get into and localized Overheating of the cooling rings and the flame tube wall. The ones drawn into these vertebral zones hot gases are at least partially still combustible mixtures, so that in these vortex zones stable flame arises, which burn cavities in the cooling rings and the flame tube wall.

Außerdem tritt bei der bekannten Anordnung die Erscheinung auf. daß die Temperatur der Fi.immrohrwand zwar unmittelbar hinter den Kühlbohrungen des Kühlrings verhältnismäßig niedrig, zwischen diesen Bohrungen jedoch sehr hoch ist, so daß unmittelbar stromab der Kühlbohrungen große Temperaturdifferenzen auftreten. Diese Temperaturunterschiede sind jedoch gerade an den Stellen sehr unerwünscht, an denen der betreffende Kühiring an die Flammrohrwandabschnitte angeschweißt ist, da hierdurch große thermische Spannungen in der Schweißnaht auftreten, die zum Bruch der Schweißverbindung führen können.In addition, in the known arrangement, the phenomenon occurs on. that the temperature of the Fi.immrohrwand is directly behind the cooling holes of the Cooling ring is relatively low, but very high between these holes, so that immediately large temperature differences occur downstream of the cooling bores. These temperature differences are however, very undesirable precisely at the points where the cooling ring in question touches the flame tube wall sections is welded, as this causes great thermal stresses in the weld seam, which can lead to breakage of the welded joint.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für heißes Strömungsmittel führende Kanäle nach dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1 im Sinne der Vermeidung einer Überhitzung des Kühlabschnitts und der angrenzenden Kantwand zu verbessern.The invention is therefore based on the object of guiding a cooling arrangement for hot fluid Channels according to the preamble of claim 1 above in terms of avoiding a To improve overheating of the cooling section and the adjacent edge wall.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des vorstehenden Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention indicated in the characterizing part of claim 1 above solved.

Die Erfindung bringt den technischen Fortschritt, daß unmittelbar stromab des Kühlabschnitts ein beinahe gleichförmiger Kühlfilm entsteht und kein Ausbrennen des Kühlabschnitts oder der Kanalwand auftritt.The invention brings technical progress that immediately downstream of the cooling section an almost a uniform cooling film is created and the cooling section or the duct wall does not burn out.

Bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung entstehen praktisch unmittelbar hinter dem Kühlabschnitt mindestens drei konzentrische Kühlfilme, die zwar in Umfangsrichtung noch nicht gleich kontinuierlich sind, aber, da die Lochdurchmesser sehr klein gewählt sind und in einer Lochreihe folglich sehr viele Bohrungen vorhanden sind, ist die zwischen den Löchern verbleibende Materialstärke wesentlich verringert und es bilden sich sehr viel kleinere Wirbelzonen als bei der bekannten Anordnung. Da außerdem die Löcher benachbarter Lochreihen gegeneinander versetzt angeordnet sind, müssen heiße Gase aus dem Kanalinneren, bevor sie zur Kanalwand gelangen können, einen sehr verwundenen Pfad zwischen den einzelnen aus den Bohrungen austretenden Kühlmittelstrahlen durchlaufen, wodurch eine beträchtliche Verringerung der Menge und eine er!,cbliche Abkühlung der noch zur Kanalwand gelangenden Gase erreicht wird.In the case of the cooling arrangement according to the invention, this occurs practically immediately behind the cooling section at least three concentric cooling films that are not yet equally continuous in the circumferential direction, however, since the hole diameters are selected to be very small and consequently a large number of holes in a row of holes are present, the thickness of the material remaining between the holes is significantly reduced and it forms much smaller vortex zones than in the known arrangement. Since also the holes of neighboring Rows of holes are offset from one another, hot gases must come from the inside of the duct before they can get to the canal wall, a very tortuous path between each of the holes escaping coolant jets pass through, thereby significantly reducing the amount and the usual cooling of the gases still reaching the canal wall is achieved.

Die erfindungsgemäße Kühlanordnung ergibt auch eine bessere Kühlung der Kanalwand, da sich die vielen sehr kleinen und eng beieinander liegenden Kühlluftströme aus den Kühlbohrungen schneller als bei bekannten Anordnungen zu einem zusammenhängenden Kühlfilm vereinigen.The cooling arrangement according to the invention also results in better cooling of the duct wall, since the many very small and closely spaced cooling air flows from the cooling holes faster than with known ones Combine arrangements to form a coherent cooling film.

Bevorzugte Einzelheiten der Erfindung sind in den vorstehenden Ansprüchen 2 und 3 unter Schutz gestellt.Preferred details of the invention are protected in claims 2 and 3 above.

Die im vorstehenden Anspruch 2 gekennzeichnete Lochanordnung, gemäß welcher die Mittelpunkte jeweils zweier Löcher einer Lochreihe mit dem Mittelpunkt eines Lochs einer benachbarten Lochreihe ein gleichseitiges Dreieck bilden, ist an sich aus der US-PS 27 18 757 bekannt, weshalb für dieses Merkmal Schutz nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 beansprucht wird.The in the preceding claim 2 characterized hole arrangement, according to which the center points each two holes in a row of holes with the center of a hole in an adjacent row of holes Form equilateral triangle is known per se from US-PS 27 18 757, which is why protection for this feature is only claimed in connection with the subject matter of claim 1.

Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist nach dem vorstehenden Patentanspruch 4 gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher unter Verwendung einer Elektronenstrahl- oder Laserstrahl-Bohrmaschine jeweils mit-A method for producing the cooling arrangement according to the invention is according to the preceding claim 4 according to the invention, characterized in that the holes using an electron beam or laser beam drill, each with

tels eines einzigen energiereichen Impulses gebohrt werden.be drilled by means of a single high-energy pulse.

Infolge der Wahl sehr kleiner Löcher weist die erfindungsgemäße Kühlanordnung zusätzlich den Vorteil auf, daß sie in der ebengenannten Weise sehr win- j schaftlich herstellbar ist. Die üblichen mechanischen Bohrverfahren zur Herstellung der Kühlbohrungen werden immer ungeeigneter, da die Werkstoffe der Kühlringe immer härter werden und daher die Bohrer schnell verschleißen und abbrechen, so daß der Bohr- ic Vorgang sehr zeitaufwendig ist. Außerdem treten bei mechanischen Bohrverfahren auch stets Schwierigkeiten wegen der Sohrgrate auf, die in einem weiteren Bearbeitungsgang entfernt werden müssen. Das Bohren der sehr kleinen Kühlbohrungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher sehr vorteilhaft und bringt eine beachtliche Verkürzung der Arbeitszeit mit sich.As a result of the choice of very small holes, the inventive Cooling arrangement also has the advantage that it is very win-win in the manner just mentioned is economically producible. The usual mechanical drilling methods for producing the cooling holes are becoming more and more unsuitable, as the materials of the cooling rings are getting harder and therefore the drills wear out quickly and break off, making the drilling ic process very time consuming. Also join mechanical drilling methods also always have difficulties because of the sohrburrs, which in a further Machining process must be removed. The drilling of the very small cooling holes according to the invention The method is therefore very advantageous and brings with it a considerable reduction in working hours themselves.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung stellt darAn embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the drawing. In the drawing represents

F i g. 1 schematisch ein Gasturbinentriebwerk mit einer mit den erfindungsgemäßen Kühlanordnungen ausgestatteten Brenneinrichtung,F i g. 1 schematically shows a gas turbine engine with one with the cooling arrangements according to the invention equipped burning device,

F i g. 2 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlring, undF i g. 2 shows an axial section through a cooling ring according to the invention, and

F i g. 3 eine Ansicht des Kühlrings in Richtung eines Pfeils A in F i g. 2.F i g. 3 shows a view of the cooling ring in the direction of an arrow A in FIG. 2.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter 1, einer Brenneinrichtung 2, einer Turbine 3 und einer Schubdüse 4. Jede Brennkammer der Brenneinrichtung weist eine Flammrohranordnung 5,6 auf, die von einem Innengehäuse 7,8 umgeben ist. Jedes Flammrohrs,6 besteht aus einer Anzahl axialer Abschnitte, die jeweils durch als Kühlringe 9 ausgebildete Kühlabsch.iitte miteinander verbunden sind.F i g. 1 shows a gas turbine engine with a compressor 1, a combustion device 2, and a turbine 3 and a thrust nozzle 4. Each combustion chamber of the combustion device has a flame tube arrangement 5, 6, which is surrounded by an inner housing 7.8. Each flame tube, 6 consists of a number of axial sections, each of which is connected to one another by cooling sections designed as cooling rings 9.

In den F i g. 2 und 3 ist ein Kühlring«» im einzelnen dargestellt. Der Kühlring 9 weist axiale Endteile 10 und 11, die mit den benachbarten Flammrohrwandabschnitten verbunden sind, und einen mit Bezug auf die Flammrohrlängsachse geneigten Mittelteil 12 auf.In the F i g. 2 and 3 is a cooling ring «» in detail shown. The cooling ring 9 has axial end parts 10 and 11 which are connected to the adjacent flame tube wall sections are connected, and a center part 12 inclined with respect to the longitudinal axis of the flame tube.

Der Mittelteil 12 des Kühlrings 9 ist mit einer Vielzahl von winzigen, auf einer Elektronenstrahl-Bohrmaschine hergestellten Durchgangslöchern 13 versehen, durch welche Kühlluft durchströmen und einen an der Flammrohrinnenwand entlangströmenden Kühlfilm bilden kann. Die Löcher sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel in sieben radial benachbarten Lochreihen angeordnet, wobei die Löcher einer Reihe jeweils mit Bezug auf die Löcher der benachbarten Reihen versetzt angeordnet sind. Die Lochabstände betragen 0,68 mm und die Lochdurchmesser betragen 0,4 mm. Der gesamte Durchtrittsquerschnitt der Löcher beträgt etwa zwei Fünftel der Stirnfläche des Kühlringmittelteils 12. Die Radialabstände und der Versatz der Lochreihen sind so gewählt, daß die Lochmittelpunkte benachbarter Reihen jeweils Ecken gleichseitiger Dreiekke bilden.The middle part 12 of the cooling ring 9 is fitted with a multitude of tiny ones on an electron beam drill provided through holes 13 through which cooling air flows and one on the Can form a cooling film flowing along the inner wall of the flame tube. The holes are in the illustrated embodiment arranged in seven radially adjacent rows of holes, the holes of a row each with Staggered with respect to the holes in the adjacent rows. The hole spacing is 0.68 mm and the hole diameter is 0.4 mm. The total passage cross-section of the holes is about two fifths of the face of the cooling ring center part 12. The radial distances and the offset of the rows of holes are chosen so that the hole centers of adjacent rows are corners of equilateral triangles form.

Die Löcher sind jeweils unter einem Winkel von 30° zur Normalen der Mittelteilwandung gebohrt, so daß die Lochachsen jeweils einen Winkel von 20° mit der Flammrohrachse bilden. Die Basis B, d. h. der Radialabstand zwischen dem inneren Rand des Kühlrings und der radial innersten Lochreihe, sollte möglichst klein gehalten sein, was gegebenenfalls dadurch erreichbar ist, daß die Lochneigungen derart variiert sind, daß die radial innerste Lochreihe eine größere Lochneigung zur Flammrohrachse aufweist als die radial äußere Lochreihe.The holes are each drilled at an angle of 30 ° to the normal of the central part wall, so that the hole axes each form an angle of 20 ° with the flame tube axis. The base B, ie the radial distance between the inner edge of the cooling ring and the radially innermost row of holes, should be kept as small as possible, which can optionally be achieved by varying the hole inclinations in such a way that the radially innermost row of holes has a greater hole inclination to the flame tube axis than the radially outer row of holes.

Die durch die Löcher hindurchströmende Kühlluft wird sehr schnell zur Flammrohrwand hin umgelenkt und bildet dort einen zusammenhängenden Kühlfilm. Da sieben Lochreihen vorhanden sind, muß heißes Gas aus dem Flammrohrinneren, bevor es die Flammrohrwand in dem kurzen Axialbereich, in welchem sich die einzelnen Kühlluftstrahlen noch nicht zu einem zusammenhängenden Kühlfilm vereinigt haben, erreichen kann, einen sehr gewundenen Weg zwischen der Vielzahl der eng nebeneinanderliegenden und in mehreren radial benachbarten Reihen austretenden Kühlluftstrahlen zurücklegen.The cooling air flowing through the holes is very quickly deflected towards the flame tube wall and there forms a coherent cooling film. Since there are seven rows of holes, hot gas must be used from the inside of the flame tube before it reaches the flame tube wall in the short axial area in which the individual cooling air jets have not yet combined to form a coherent cooling film can, a very tortuous path between the multitude of closely spaced and in several Cover jets of cooling air emerging from radially adjacent rows.

Es hat sich gezeigt, daß mindestens drei Lochreihen erforderlich sind, um durch einen ausreichend gewundenen Weg eine beträchtliche Verringerung der zur Flammrohrwand gelangenden Menge heißer Gase zu erreichen.It has been shown that at least three rows of holes are required to pass through a sufficiently tortuous one Way towards a considerable reduction in the amount of hot gases reaching the flame tube wall reach.

Die Löcher werden im Durchmesser so klein wie praktisch möglich hergestellt, d. h. mit einem Durchmesser bis herunter zu 0,13 mm. Sehr kleine Löcher können jedoch durch in der Kühlluft enthaltende Verunreinigungen, wie sie bei Gasturbinentriebwerken häufig auftreten, verstopft werden, so daß in schmutzigen Umgebungen Lochdurchmesser von 0,25 mm als Minimum anzusehen sein dürften. Die obere zweckmäßige Durchmessergrenze beträgt etwa 0.5 mm, da oberhalb dieses Lochdurchmessers die Bohrkosten mit zunehmendem Durchmesser steil ansteigen. Das Absinken der Kühlleistung geht jedoch mit steigendem Lochdurchmesser allmählich vonstatten und es ergibt sich auch bei Löchern mit Durchmessern von bis zu 0,75 mm noch immer eine wesentliche Verbesserung der Kühlleistung gegenüber in herkömmlicher Weise gebohrten Kühlringen.The holes are made as small in diameter as practical; H. with a diameter down to 0.13 mm. However, very small holes can be caused by impurities in the cooling air, as they often occur in gas turbine engines, clogged so that in dirty Surroundings hole diameter of 0.25 mm should be regarded as a minimum. The upper functional The diameter limit is about 0.5 mm, since above this hole diameter the drilling costs increase Increase in diameter steeply. The lowering of the cooling capacity, however, goes with the increasing hole diameter take place gradually and it also results with holes with diameters of up to 0.75 mm is still a significant improvement in cooling performance compared to the conventional way drilled cooling rings.

Jedes Loch wird mittels eines einzigen energiereichen Elektronenstrahlimpulses gebohrt. Dieses Verfahren stellt auf Grund der hohen Bohrgeschwindigkeit und der niedrigen Kosten die vorteilhafteste Methode dar. Dps Bohren der Löcher mittels einer Elektronenstrahl-Bohrmaschine ist auch deshalb sehr zeitsparend und kostengünstig, weil der Elektronenstrahl, solange die Spannung bei einmal für eine bestimmte Lochgröße und eine bestimmte Werkstoffdicke eingestellter Maschine nicht verändert wird, stets Bohrlöcher gleicher Größe erzeugt.Each hole is drilled using a single high-energy pulse of electron beams. This method is the most advantageous method due to the high drilling speed and the low costs. Dps drilling the holes using an electron beam drilling machine is also very time-saving and cost-effective because the electron beam, as long as the voltage at once for a certain hole size and a certain The material thickness of the set machine is not changed, drill holes of the same size are always created.

Hierzu 1 B'att ZeichnungenIn addition 1 B'att drawings

Claims

Patent claims:

1. Cooling arrangement for channels carrying hot fluid, in particular for combustion chamber and gas turbine reheater liner tubes having an upstream duct wall section with an annular cooling section connecting the downstream duct wall section with a plurality of holes through which coolant flows and on the inner surface of the downstream duct wall section forms a coolant film, characterized in that that the holes (13) have at least three radial spacings defined from one another 1. rows of holes are arranged in the cooling section (12) that furthermore the holes of adjacent rows of holes are arranged offset from one another in the circumferential direction and that the hole diameter in range from 0.13 mm to 0.76 mm.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the centers of two holes each (13) a row of holes with the center of a hole of an adjacent row of holes in known per se Way to form an equilateral triangle.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the diameter of the holes (13) is in a range from 0.25 mm to 0.5 mm.

4. A method for producing an arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the holes (13) using an electron beam or laser beam drilling machine each can be drilled by means of a single pulse.

3535