DE2354504C2

DE2354504C2 - Brennkammer für Gasturbinen

Info

Publication number: DE2354504C2
Application number: DE2354504A
Authority: DE
Inventors: Edward Ernst Cincinnati Ohio Ekstedt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1973-10-31
Publication date: 1984-01-19
Also published as: CA986734A; DE2354504A1; FR2205628A1; US3793827A; BE806783A; JPS4995012A; IT998848B

Description

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sTom-ufwärts der ins Flammrohrinnere führenden öffnungen (34) und stromabwärts der Wellungen (50,52) ein in Umfangsrichtung durchgehender Ringraum (60) gebildet ist

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspiuches 1.

Eine derartige Brennkammer ist aus der DE-AS 10 77 002 bekannt Dort ist an der Flammrohr-Außenwand ein im Querschnitt rinnenförmiger Verstärkungsring befestigt, der in seinem Außensctienkel, der im Abstand parallel zur Flammrohr-Außenwand verläuft, über den Umfang verteilte Löcher aufweist. Auch der unmittelbar unter dem Verstärkungsring liegende Teil der Flammrohrwaiid enthält Löcher, die mit dem in dem rinnenförmigen Verstärkungsring gebildeten Kanal in Verbindung stehen. Durch diese Anordnung wird zwar die Steifigkeit des Flammrohrs verbessert, aber dessen Kiihlung wird beeinträchtigt, wobei insbesondere keine Ausbildung eines Kühlmittelfilms entlang der Flammrohr-Innenwand ermöglicht wird.

Es ist zwar allgemein bekannt (siehe beispielsweise CH-PS 451 600), zwischen den sich überlappenden Teilen der das Flammrohr bildenden Ringe einen gewellten Sfeifen anzuordnen, der durch Punktschweißung mit den benachbarten Ringen verbunden ist. Dabei stehen am gewellten Streifen Dosierungs-Schikanen ab, um den Strömungsquerschnitt des Durchlasses zwischen den Ringen zu verkleinern und den Durchfluß des Kühlmittels durch den Durchlaß zu dosieren und zu verteilen. Derartige Schikanen sind zur Vermeidung von überhitzten Teilflächen erforderlich, wenn die mit radialem Abstand teleskopisch zueinander angeordneten Flammrohrringe durch gewellte Streifen in ihrer Lage gehalten werden, da deren Befestigungsieile eine gleichförmige Kühlmittelströmung behindern. Die Verbindung der Flammrohrringe durch gewellte Streifen gibt dem Flammrohr jedoch nur eine geringe Festigkeit bzw. Steifigkeit

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß eine einfache und leichte Versteifung dar Flammrohrabschnitte insbesondere an ihren Verbindungsstellen erhalten wird, die gleichzeitig den Kühlwirkungsgrad wesentlich verbessert

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die zur Erhöhung ihrer Steifigkeit besonders geformten Verstärkungsringe für eine gute Formstabilität der Fiammrohrringe und insbesondere ihrer Verbindungsstellen sorgen, ohne die Ausbildung eines Kühimittelfilms auf der den heißen Gasen zugewandten Seite des FJammrohrs zu beeinträchtigen. Die Kühlwirkung wird sogar verbessert, da der Verstärkungsring gemäß der Erfindung das aus dem Kühlkanal aufgenommene Kühlmittel beschleunigt und dadurch die Konvektion verstärkt Dadurch werden die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Brennkammer erhöht

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von AusführungsbeispieJen näher erläutert

F i g. 1 ist eine Schnittansicht einer üblichen Brennkammer mit einem Flammrohr.

F i g. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer Brennkammer ähnlich der in Fig. 1, wobei hier ein Versteifungsteil für das Flanrnj-ohr gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zugefügt ist

F i g. 3 ist eine Schnittansicht des Rammrohrs und des Versteifungsteiis !ängs der Linie 3-3 in F i g. 2.

F i g. 4 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in F i g. 2.

F i g. 5 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in F i g. 2.

F i g. 1 zeigt eine übliche Brennkammer 10, die stromabwärts von einer Hochdruckverdichterstufe 12 angeordnet ist die verdichtete Luft an Kühlluftkanäle 14 und 16 und an einen primären Lufteinlaß 18 liefern. Die Verbrennungszone 20 ist durch Flammrohrwände 22 und 24 gebildet Der Kühiluftkanal 14 ist durch die Flammrohrwand 22 <n Verbindung mit einer äußeren Brennkammerwand 26 gebildet Der Kühiluftkanal 16 ist durch die Flammrohrwand 24 zusammen mit einer äußeren Brennkammerwand 28 gebildet. An dem stromaufwärts gelegenen Ende der Verbrennungszone 20 ist eine Brennstoffverga^ereinrichtung 30 angeordnet, welche den von einer Brennstoffleitung 32 gelieferten Brennstoff mit der durch den Einlaß 18 eintretenden Primäriuft mischt Die Brennkammer 10 arbeitet in der konventionellen Betriebsweise, bei der ein Gemisch von Brennstoff und Primäriuft, das aus der Vergasungseinrichtung 30 austritt, im Innern der Verbrennungszone 20 gezündet und verbrannt wird, und die Verbrennungsprodukte sich schnei! ausdehnen und in F i g. 1 nach rechts austreten und einen Schub nach

links ergeben.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, sind die Flammrohrwände 22 und 24 ineinandergeschobene überlappende Kreisringe 22a und 24a, wobei jeder Ring jeweils mit dem benachbart stromaufwärts oder links liegenden Ring an kreisförmigen Verbindungsstellen 226 und 246 in Eingriff steht. Dieser Brennkammeraufbau hat sich bei den gegenwärtigen Anwendungen als recht zufriedenstellend erwiesen, da er den großen aerodynamischen Kräften widerstehen kann, welche auf das Flammrohr durch verbrennende Gase im Inneren der Verbrennungszone 20 und auch durch die beträchtliche Druckdifferenz zwischen den Kühlluftk*nälen 14, 16 und der Verbrennungszone 20 ausgeübt we. jr. Zur Erhöhung der Lebensdauer und Zirveriässip^en der Flammrohre sind jedoch erfindungsgeniil. 7"-_itzliche Versteifungsteile mit leichtem Gtwicb* - rgesehen, welche auch noch zu einer Erhöhun^ ^o Wirkungsgrades der Kühlung dienen.

Die Kühlung wird bei da '*-> nnkammer 10 nach Fig. 1 teilweise dadurch erreicht, daß Kühlluft von jedem Kühliuftkanal in einem Film über die erhitzte Seite des zugeordneten Flammrohrs geführt wird. Beispielsweise ist die Flammrohrwand 22 mit Öffnungen 34 ausgestattet, welche jeweils in der Nähe jeder kreisförmigen Verbindungsstelle zwischen benachbarten Ringen 22a angeordnet sind. Diese Öffnungen fördern eine Kühlluftströmung in einem Film über die erhitzte Seite der Flammrohrwand 22. Wie bereits vorstehend ausgeführt wurde, wird eine zusätzliche Kühlung des Flammrohres durch Konvektion zwischen der Kühlluft im Innern der Kühlluftkanäle und den äußeren Oberflächen der Flammrohrwände erreicht.

Fig.2 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf die Flammrohrwand 22 in Fig. 1. Gemäß Fig.2 sind Versteifungsringe 40 des Flammrohrs 22 an Punkten in der Nähe der Verbindungsstelle zwischen benachbarten Flammrohr-Kreisringen 22a angeordnet Fig.3 bis 5 zeigen axiale Schnittansich.en der Versteifungsringe 40 in ihrem Zusammenwirken mit der Flammrohrwand 2Z

Der Versteifungsring 40 für das Flammrohr bildet einen Einlaß zum Abzweigen eines Teiles des Kühlmittels aus dem Kühliuftkanal 14. einen Auslaß zur Abführung des gleichen Teils des Kühlmittels au? dem Versteifungsring, eine Einrichtung zur Verminderung des Strömungiquerschnittes. welche ic. unmittelbarer Nachbarschaft der Flammrohrwand 22 angeordnet ist und die Ein- und Auslässe miteinander verbindet zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmit- in te'.s in noch zu beschreibender Weise, um hierdurch die Konvektion zwischen dem Kühlmittel und dem Flammrohr zu erhöhen, und weiterhin eine Verstärkungseinrichtung, cie mit einem wesentlichen Umfangsteil des Flammrohr.·, zusammenwirkt für eine zusätzliche iduialc um] in '«Jrriiarigsrichtur.g -A-irkcr.ds Versteifung.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 bis 5 wird der Einlaß 44 von einem Kreisnng 42 gebildet, welcher von der Flammrohrwand 22 be-ibstandet ist. In diesen Einlaß 44 strömt ein Teil des Kühlmittels aus dem KühHuftkanaf U. Die Einrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnittes weist eine gewellte Wand 46 auf, welche Durchlässe 48 in dem Kühliuftkanal bildet, der sich stromabwärts von dem Einlaß 44 erstreckt. Ein Teil des Durchlasses 48 für den Kühlmittelstrom ist verschlossen, so daß die gesamte Strömung auf den offenen Durchlaßteil gerichtet ist und somit die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Die Wellenberge und -täler der Wand 46 verlaufen bezüglich der Flammrohrwand 22 axial. Dabei öffnet sich eine erste Anzahl von Wellungen 50 in Richtung zur gegenüberliegenden Rammrohrwand 22 und eine zweite Anzahl von Wellungen 52 öffnet sich zum gegenüberliegenden Kühüuftkanal 14. Die Wellungen 50 bilden dabei eine Anzahl von einzelnen Leitungen 54 neben der Flammrohrwand 22. Die Wellungen 52 wirken an in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen mit der Flammrohrwand 22 zusammen zu deren Versteifung, wie es noch näher erläutert wird. Die Wellungen 52 sind dadurch bezüglich des Strömungsmittelstromes verschlossen, daß ein diagonaler Teil 56 der Wand 46 zwischen dem Kreisring 42 und der Flammrohrwand 22 verläuft Somit wird die gesamte in den Einlaß 44 eintretende Kühlmittelströmung gezwungen, durch die einzelnen Leitungen 54 zu strömen, welche durch die Flammrohrwand und die ihr gegenüberliegenden Weitungen 50 gebildet werden, so daß der gesamte Strömungsquerschnitt etwa halbiert wird (die Gesamtfläche der Leitungen 54 ist etwa halb so groß wie der gesamte Strömungsquerschnitt am Ein' <i 44). Da die Leitungen 54 an einer Seite durch die Flamr ,rohrwand 22 begrenzt sind, kommt das in die Leitung 54 gerichtete Kühlmittel in einen innigen Konvektionswärmeausiausch mit der Flammrohrwand 22. Da infolge der Verminderung des Strömungsquerschnittes die Geschwindigkeit des Kühlmittels erhöht wird, wird der konvektive Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Flammrohrwand 22 im Innern der Leitungen 54 wesentlich vergrößert im Vergleich zu einer nicht beschleunigten Strömung.

Wie bereits ausgeführt wurde, enthält der Verstärkungsring 40 für das Flammrohr auf seinem Umfang eine Vielzahl von Punktsn, an denen die dem Sammelraum gegenüberliegenden Wellungen 52 und die Flammrohrwand zusammenwirken. Zusätzlich hierzu besitzt der Versteifungsring einen axial verlaufender Rand 58. welcher mit der Flammrohrwand 22 hartverlötet ist oder in anderer Weise mit ihr zusammenwirkt Der Rand 58 ergibt eine im wesentlichen umkreisförmig verlaufende Verbindungsstelle, an der die Dicke der Auskleidung effektiv verdoppelt ist mit einer wesentlichen zusätzlichen umfang^mäßigen und radialen Versteifung

Gemäß den Fig. 2 bis 5 besitzt die Flammrohrwand 22 eine Vielzahl von Öffnungen 34, welche eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Kühliuftkanal 14 und der Verbrennungszone 20 herstellen und einen Kühlfilm auf der radial innen gelegenen und erhitzten Seite der Flammrohrwand 22 bilden. Die Öffnungen 34 sind in Us ifangsrichtung beabstandet und werden in axialer Richtung gemäß einer optimalen Vtrtei.ung des Kühlmittels angeordnet. Bei Verwendung eine:, derartigen Flammrohrs enthalten die Aiicläccp ήρα Vprctpifnnaqrinop«; cpmäß der F.rfinrfijnir Mittel, um das Kühlmittel durch diese Öffnungen 34 zu richten. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet der Versteifungsring 40 einen Ringraum 60, welcher die Öffnungen 34 im wesentlichen umschließt. Der Ringraum 60 ist im wesentlichen kreisr'mgförm'ig und so angeordnet, daß er das Flammrohr umschließt und sich nach hinten zu den Öffnungen 34 und nach vorn zu den Leitungen 54 öffnet, welche von dem Fiammrohr gegenüberliegenden Wellungen gebildet werden. Der Ringraum 60 wird durch einen geformten Abschnitt 62 und der Wand 46 in Verbindung mit der Flammrohrwand 22 gebildet.

Versteifungsringe 40 gemäß der Erfindung, können auch mit Auslässen versehen sein, welche Kühlmittel zum Kiihlluftkanal 14 zurückführen. Auch dann wird eine verbesserte Steifigkeit und Konvektionskühlung des Flammrohrs erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:
I. Brennkammer für Gasturbinen

- mit Kühlluftkanälen zwischen dem Flammrohr und dem Brennkammergehäuse,

- mit mehreren axial beabstandeten Reihen von Öffnungen zur Zuführung von Kühlluft aus den Kühlluftkanälen in das Flammrohrinnere,

- mit einem ausgewölbten Verstärkungsring an der Außenwand des Flammrohrs, dessen innenraum mit den Kühlluftkanälen und über Öffnungen mit dem Flammrohrinneren in Strömungsverbindung steht,

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dadurch gekennzeichnet,

— daß der Verstärkungsring (40) stromaufwärts der ins Fianunrohrinnere führenden öffnungen (34), die für eine Filmkühlung Kühlluft entlang der Flammrohr-Innenwand richten, einen in stromaufwärtiger Richtung offenen Einlaßringspalt (42) aufweist,

— daß stromabwärts des Einlaßringspaltes (42) die Verstärkungsringwand (46) mit in Umfangsrichtung verlaufenden Wellungen (50_f 52) versehen ist, die sich bis zur Flammrohr-Außenwand erstrecken,

— daß der Verstärkungsring (40) stromabwärts der ins Flammrohrinnere führenden öffnungen (34) auf einem Umfangsflansch (58) mit der FIa: ;mrohr-Außenwand verbunden ist