DE2202356C3 - Kühlanordnung für heißes Strömungsmittel führende Kanäle, insbesondere für Brennkammer- und Nacherhitzerflammrohre von Gasturbinen und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für heißes Strömungsmittel führende Kanäle, insbesondere für Brennkammer- und Nacherhitzerflammrohre von Casturbinen, gemäß dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 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.

Eine solche Kühlanordnung ist aus der DT-OS 01569 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanordnung ist ein jeweils zwei Flammrohrabschniti.e miteinander verbindender Kühlring mit einer Lochreihe versehen, deren Löcher jeweils einen Durchmesser von etwa 0,38 mm bis 2,3 mm und gegenseitige Abstände von etwa 2 bis 6 Lochdurchmessern haben.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei derartigen Kühlanordnungen zur Kühlung der Flammrohrwand 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, welche Aushöhlungen in die Kühlringe und die Flammrohrwand brennen.

Außerdem tritt bei der bekannten Anordnung die Erscheinung auf, daß die Temperatur der Flammrohrwand 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 Kühlring an die Flammrohrwandabschnitte angeschweißt ist, da hierdurch große thermische Spannungen in der Schweißnaht auftreten, die zum Bruch der Schweißverbindung führen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für heißes Strömungsmittel führende Kanäle nach dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs t im Sinne der Vermeidung einer Überhitzung des Kühlabschnitts und der angrenzenden Kanalwand zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des vorstehenden Patentanspruchs 1 ai.gegebene Erfindung gelöst.

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.

Bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung entstehen praktisch unmittelbar hinter dem Kühlabschnii' mindestens drei konzentrische Kühlfilme, die zwar m 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 Kühlmittolstrahlen durchlaufen, wodurch eine beträchtliche Verringerung der Menge und eine erhebliche Abkühlung der noch zur Kanalwand gelangenden Gase erreicht wird.

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.

Bevorzugte Einzelheiten der Erfindung sind in den vorstehenden Ansprüchen 2 und 3 unter Schutz gestellt.

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.

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 Laserst^rahl-Bohrmaschine jeweils mit-

tels eines einzigen energiereichen Impulses gebohrt werden.

Infolge der Wahl sehr kleiner Löcher weist die erfindungsgemäße Kühlanordnung zusätzlich den Vorteil auf, daß sie in der ebengenannten Weise sehr wirtschaftlich herstellbar ist. Die üblichen mechanischen Bohrverfahren zur Herstellung de·· Küh'bohrungen werden immer ungeeigneter, da die Werkstoffe der Kühln^ge immer härter werden und daher die Bohrer schnell verschleißen und abbrechen, so daß der Bohr-Vorgang sehr zeitaufwendig ist. Außerdem treten bei mechanischen Bohrverfahren auch stets Schwierigkeiten wegen der Bohrgrate 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung stellt dar

F i g. 1 .schematisch ein Gasturbinentriebwerk mit einer mit den erfindungsgemäßen Kühlanordnungen ausgestatteten Brenneinrichtung,

F i g. 2 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlring, und

F i g. 3 eine Ansicht des Kühlrings in Richtung eines Pfeils A in F i g. 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 Flammrohr 5,6 besteht aus einer Anzahl axialer Abschnitte, die jeweils durch als Kühlringe 9 ausgebildete Kühlabschnitte miteinander verbunden sind.

In den F i g. 2 und 3 ist ein Kühlring 9 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.

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 benachbaiten 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.

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 Lochreih^, 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.

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 Kühlluftstrahler, 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.

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.

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.

Jedes Loch wird mittels eines einzigen cnergiereichen Elektronenstrahlimpulses gebohrt. Dieses Verfahren stellt auf Grund der hohen Bohrgeschwindigkeit und der niedrigen Kosten die vorteilhafteste Methode dar. Das 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

> Patentansprüche: ^^

1. Kühlanordnung für heißes Strömungsmittel führende Kanäle, insbesondere für Brennkammerund; Nacherhitzerflammrohre von Gasturbinen mic einem einen stromaufseitigen Kanalwandungsabschnitt mit einem stromabseitigen Kanalwandungsabschnitt verbindenden ringförmigen Kühlabschnitt mit einer Vielzahl von Löchern, durch welche Küh!- mittel hindurchsirömt und auf der Innenfläche des stromabseitigen Kanalwandungsabschnitis einen Kühlmittelfilm bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (13) in mindestens drei voneinander bestimmte rad'ale Abstände aufweisenden Lochreihen im Kühlabschnitt (12) «ingeordnet sind, daß ferner die Löcher benachbart sr Lochreihen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind und daß die Lochdurchrtiesser in einem Bereich von 0,13 mm bis 0,76 mm liefen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte jeweils zweier Löcher (13) einer Lochreihe mit dem Mittelpu ikt eines Lochs einer benachbarten Lochreihe in an sich bekannter Weise ein gleichseitiges Dreieck bi den.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser dei· Löcher (13) in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,5 mm liegt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (13) unter Verwendung einer Elektronenstrahl- oder Laserstrahl-Bohrmaschine jeweils mittels eines einzigen Impulses gebohrt werden.

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