DE2355547C2 - Brennkammer für Gasturbinen - Google Patents

Description

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F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Infolge dieser Prallkühlung der Innenwand 22 ist der

Brennkammer nach F ig. 1; die Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittel und der

Fig.3 zeigt einen Schnitt durch die Brennkammer Wand sehr hoch und es entsteht eine gute Kühlung,

entlang der linie 3-3 der F i g. 2. Weiterhin ist die konvektive Kühlung durch solche auf-

F i g. 1 zeigt eine Brennkammer 10, die stromabwärts 5 prallende Strahlen größer, als sie allgemein durch Vervon einer Hochdruckverdichterstufe 12 angeordnet ist, wendung von Sekundärluft erreicht werden kann, weldie verdichtete Luft an Kühlluftkanäle 14,16 zwischen ehe parallel zu der Innenwand 22 strömt
Gehäusewänden 26, 28 und dem Flammrohr und an Als Ergebnis hiervon kann die Kühlung der Inneneinen Primärlufteinlaß 18 liefert Die Verbrenr.ungszone wand 22 durch Verwendung von kleineren Kühlmittel-20 ist durch Innenwände 22 und 24 des Flammrohrs 10 mengen erreicht werden, welche in einer höchst wirksabegrenzt Am stromaufwärtigen Ende der Verbren- men Weise ausgenutzt werdea Hierdurch wird der Genungszone 20 ist eine Brennstoffvergasungs-Einrich- samtwirkungsgrad des zugehörigen Gasturbinentriebtung 30 angeordnet Diese mischt den von einer Brenn- werkes um einen Betrag erhöht, welcher der hierdurch Stoffleitung 32 gelieferten Brennstoff mit Primärluft eingesparten Menge der Kühlluft entspricht
welche durch den Einlaß 18 eintritt In der Brennkam- 15 Um neben der verbesserten Kühlung die Festigkeit mer 10 wird in üblicher Weise ein Gemisch von Brenn- und Steifigkeit der Innenwand 22 des Flammrohrs bestoff und Primärluft aus dem Vergaser 30 innerhalb der trächtlich zu erhöhen, sind mehrere Abstandshalter Verbrennungszone 20 gezündet und verbrannt wobei oder Rippen 42 vorgesehen, welche im wesentlichen sich die Verbrennungsprodukte rasch ausdeh-ien und in zwischen den Wänden 22 und 36 verlaufen, mit diesen der Fig. 1 nach rechts austreten und einen Schub nach 20 zusammenwirken und im wesentlichen in Umfangsrichlinks liefern. tung um die Innenwand 22 herum verlaufen. Die Rippen

Die Innenwände 22, 24 des Flammrohrs weisen ge- 42 sind axial zueinander beabstandet und jede Rippe

maß F i g. 1 einander teleskopartig überlappende Innen- steht in Eingriff mit einem einzelnen Innenwandring 22a.

wandringe 22a und 24a auf, die jeweils mit dem benach- Durch eine Vergrößerung des Trägheitsmomentes der

barten stromaufwärts oder links gelegenen Ring an ei- 25 Innenwand 22 und auch durch eine feste Verbindung der

ner im wesentlichen kreisförmigen Verbindungsstelle Innenwand 22 mit der Außenwand 36 dienen die Rippen

226 und 24Z> in Eingriff stehen. 42 zur Steigerung der Steifigkeit der Innenwand 22, und

Die Kühlung der Flammrohrwände wird in der An- zwar in Umfangsrichtung und in radialer Richtung. Da-

ordnung nach F i g. 1 teilweise dadurch durchgeführt, durch kann die Innenwand 22 aus einem wesentlich dün-

daß Kühlluft von jedem Kühlluftkanal 14,16 über die 30 neren Material mit geringerem Gewicht hergestellt

erhitzte Seite des zugeordneten Teils der Flammrohr- werden, ohne dabei an Festigkeit zu verlieren,

wand geführt wird. Beispielsweise ist die Innenwand 22 Die Abstandshalter oder Rippen 42 sind so angeord-

mit öffnungen 34 in der Nähe jeder kreisringförmigen net, daß sie den Strömungskanal 38 in mehrere einzelne

Verbindungsstelle 226 zwischen benachbarten Ringen und im wesentlichen voneinander getrennte Kammern

22a versehen. Diese öffnungen 34 sorgen für einen 35 44 unterteilen. Durch diese Unterteilung des Strö-

Kühlluftstrom in einem Film über die erhitzte Seite der mungskanals 38 kann die jeder Kammer 44 zugeführte

Flammrohrwand 22. Wie bereits vorstehend ausgeführt Kühlluftmenge einzeln festgelegt werden. Durch geeig-

ist wird eine zusätzliche Kühlung der Wände durch nete Anordnung und Wahl der Zahl und Abmessung der

konvektiven Wärmeübergang zwischen der Kühlluft in öffnungen 40, welche die Strömungsmittelverbindung

den Kühlluftkanälen 14, 16 und den außen liegenden 40 einer einzelnen Kammer 44 mit dem äußeren Strö-

oder nicht erhitzten Oberflächen der Wände erreicht mungskanal 14 herstellen, kann eine vorbestimmte

F i g. 2 und 3 zeigen das Ausführungsbeispiel noch Menge von Kühlluft in diese Kammer gerichtet werden.

deutlicher. Dort ist ein vergrößerter Ausschnitt der In entsprechender Weise können andere Kühlluftmen-

Brennkammer 10 nach F i g. 1 dargestellt Es ist jedoch gen in andere Kammern 44 geleitet werden. So kann ein

zu beachten, daß die Anordnung symmetrisch aufgebaut 45 optimiertes Kühlmuster festgelegt werden, bei dem lo-

ist und an der Innenwand 24 ähnliche Elemente ange- kalisierten Wärmekonzentrationen in der Fiammrohr-

ordnet sind, wie diese nachstehend bezüglich der Innen- wand 22 größere Kühlluftmengen vom Strömungskanal

wand 22 erörtert werden. 14 zugeführt werden können, als zu anderen Teilen der

Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Wand 22, welche nicht solchen Wärmekonzentrationen

Erfindung ist eine zweite oder Außenwand 36 im Ab- so ausgesetzt sind.

stand zwischen der Innenwand 22 und der äußeren Ge-

häusewand 26 angeordnet Die Wände 22 und 36 bilden Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

zusammen einen Strömungskanal 38 unmittelbar neben

der Wand 22. Um eine Strömungsmittelverbindung zwischen den Strömungskanälen 14 und 38 zu schaffen, sind 55
in der Außenwand 36 zahlreiche öffnungen 40 ausgebildet Durch diese öffnungen 40 wird verdichtete Luft
vom Strömungskanal 14 in den Strömungskanal 38 gerichtet, wobei die so gebildeten Strahlen mit hoher Geschwindigkeit auf die Innenwand 22 aufprallen. 60

Dies gestattet beträchtliche Steigerungen der örtlichen Geschwindigkeit des Kühlmittels und hierdurch
kann der konvektive Wärmeübergang von der Innenwand 22 auf das Kühlmittel (in der vorliegenden Ausführungsform Luft) beträchtlich gesteigert werden, oh- 65
ne daß die Geschwindigkeit des Kühlmittels im Stromungskanal 14 über zulässige Werte hinaus erhöht wer-

Claims (1)

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wird. Darüber hinaus ist dieser Bereich auch weniger

Patentanspruch: steif als die übrigen Bereiche, in welchen die Innen- und

Außenwand voneinander beabstandet sind. Die Steifig-

Brennkammer für Gasturbinen mit folgenden keit des Flammrohres wird aber auch noch dadurch be-Merkmalen: 5 einträchtigt, daß die Abstandshalter wegen der unter

schiedlichen Wärmedehnung nicht fest mit der Außen-

— Kühlluftkanäle sind zwischen einem Brennkam- wand verbunden sein dürfen.

mergehäuse und einem doppelwandigen Weiterhin ist durch die US-Patentschrift 35 89 127 ei-

Flammrohr gebildet, dessen Innenwand aus ne Brennkammer mit einem einwandigen Flammrohr mehreren axial benachbarten, sich an ihren En- io bekannt, das aus mehreren axial benachbarten, jeweils den überlappenden Ringen gebildet ist, an einer Verbindungsstelle teleskopartig ineinander ein-

— den jeweiligen Innenwandringen sind Ab- gefügten Ringen besteht, wobei Filmkühlöffnungen in standshalter zugeordnet, die an ihrem einen En- den Ringen nahe jeder Verbindungsstelle angeordnet de an der Innenwand befestigt sind und die In- sind. Durch die einwandige Ausführung des Flammrohnenwand an der Außenwand unter Bildung von 15 res ist jedoch dessen Steifigkeit sehr gering und zudem Ringkammern abstützen, keine Prallkühlung der Flammrohrwand, sondern ledig-

— entlang der Außenwand sind öffnungen ausge- lieh eine Konvektionskühlung durch vorbeistreichende bildet, die Kühlluftstrahlen auf die Außenfläche Luft möglich, die bei den hohen Flammrohrtemperatuder gegenüberliegenden Innenwand richten, ren fortgeschrittener Gasturbinen unzureichend ist.

— und nahe dem stromabwärtigen Ende der Ring- 20 Die DE-AS 10 52175 gibt die Lehre, daß, um eine kammern sind öffnungen angeordnet, die einen brauchbare Kühlschicht der Luft innerhalb des Flamm-Kühlfilm durch einen zwischen den sich über- rohrs zum Entstehen zu bringen, im Idealfall die Luft in läppenden Enden benachbarter Innenwandrin- das Flammrohr durch eine Aussparung eintreten müsse, ge gebildeten Ringspalt entlang der Innenfläche welche einer vollständigen, den Umfang überdeckenden der Innenwand richten, 25 Ringfläche entspreche, In der Praxis sei es aber schwierig, die genaue Bemessung einer solchen Aussparung

dadurchgekennzeichnet, daß einzuhalten. Deswegen wird dort ein Flammrohr angegeben, das einen rohrförmigen Mantel bzw. eine Man-

— die axial benachbarten Innenwandringe (22a, schette aufweist, welche die Außenwand des Flamm-24a) jeweils an einer Verbindungsstelle (226, 30 rohrs auf einem Teil seiner Länge und radial, mit Ab-24b) teleskopartig ineinander eingefügt sind, stand dazu umgibt, wobei die Luft in den dadurch gebil-

— die Außenwand (36) durchgehend im Abstand deten ringförmigen Zwischenraum am einen Ende einvon der Innenwand (22,24) angeordnet und mit tritt und am anderen Ende aus demselben in das Flammden anderen Enden der Abstandshalter (42) rohrinnere durch radial gerichtete öffnungen in der starr verbunden ist 35 Umfangswand des Flammrohres eingelassen wird.

— und die Filmkühlöffnungen (34) in den Innen- Damit soll zwar eine genaue Dimensionierung der wandringen (22a, 24a) nahe jeder Verbindungs- zuströmenden Kühlluftmenge erreicht werden, aber es stelle(22b,24b)angeordnet sind. wird dort nicht nur der als Idealfall beschriebene Ringspalt aufgegeben, sondern der Betrieb bzw. das Arbei-

40 ten dieses Flammrohrs ist schwierig und läßt sich nicht

aus theoretischen Überlegungen ableiten, was teilweise eine Folge der sehr starken Turbulenz ist, welche in

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Verbindung mit der Primärbrennzone in Erscheinung

Gasturbinen gemäß dem Oberbegriff des Patentan- tritt,

spruchs. 45 Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer der

Eine derartige Brennkammer ist in der DE-OS eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß 19 57 147 beschrieben. Bei einer derartigen Brennkam- mit einfachen Mitteln eine größere Steifigkeit und Femer ist das doppelwandige Flammrohr aus mehreren stigkeit des Flammrohrs ohne Verminderung des Kühlaxial aufeinanderfolgenden Ringkammern aufgebaut, Wirkungsgrads und ohne wesentliche Gewichtserhödie jeweils aus Innenwandringen, der Außenwand sowie 50 hung erhalten wird.

ringförmigen Abstandshaltern derart gebildet sind, daß Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im die sich in stromabwärtiger Richtung stufenförmig er- Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst weiternde Außenwand jeweils mit dem stromaufwärti- Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen gen Ende der Innenwandringe unmittelbar verbunden insbesondere darin, daß die durchgehende äußere ist. In der Nähe der jeweils stromabwärtigen Enden der 55 Wand, die mit den Abstandshaltern oder Rippen ver-Innenwandringe sind die ringförmigen Abstandshalter bunden ist, für eine wesentliche Versteifung des Flammmit diesen Innenwandringen verschweißt, während sie rohrs sorgt. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der mit ihren äußeren Enden zum Ausgleich der Wärme- Brennkammer können deren Wände sehr dünn gemacht dehnung an der Außenwand gleiten. Die Außenwand werden, so daß eine leichte Konstruktion mit verlängerenthält eine Reihe von Kühlluftöffnungen zur Prallküh- 60 ter Lebensdauer und erhöhter Betriebssicherheit erhallung der Innenwand. Die öffnungen für die Filmkühlung ten wird. Gleichzeitig kann durch die kombinierte Prallder Innenwand sind in den Abstandshaltern ausgebildet. und Ringspalt-Filmkühlung eine vollständige Ausnut-Bei dieser Ausführungsform des doppelwandigen zung des Kühlmittels erreicht werden. Flammrohres können an den jeweiligen Verbindungs- Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und stellen in den Innenwandringen und der Außenwand 65 Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert, örtliche Überhitzungen auftreten, da dort keine Prall- Die Fig. 1 stellt einen Schnitt durch eine Brennkamkühlung möglich ist und zudem der Wärmedurchgang mer für ein Gasturbinentiiebwerk gemäß einem Ausdurch die doppelte Wand an dieser Stelle verschlechtert führungsbeispiel der Erfindung dar; die