DE2405840A1

DE2405840A1 - Steuersystem fuer den kuehlstrom fuer die verkleidung des nachbrenners eines gasturbinen-triebwerkes

Info

Publication number: DE2405840A1
Application number: DE19742405840
Authority: DE
Inventors: David Alfred Velegol
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-02-07
Publication date: 1974-08-15
Also published as: IT1006315B; FR2217547A1; US3866417A; BE810794A; GB1458054A; JPS49112017A; CA995472A

Description

Dr. rer. not. Horst Schüler 2405840 * Frankfurt/Main ι, ^f^{ruar 1974}

Niddastraße 52 WÄ/ ng

PATENTANWALT /,umoQvoon

Telefon (061IJ 237220

Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M. Bankkontos 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2609-13Py-6162

General Electric Company

1, River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Steuersystem für den Kühlstrom für die Verkleidung des Nachbrenners eines Gasturbinen-Triebwerkes.

Die Erfindung betrifft allgemein mit Nachbrenner ausgestattete Gasturbinen-Triebwerke und insbesondere Einrichtungen zur Steuerung und Regelung des Drucks des Kühlmittels .für die Verkleidung des Nachbrenners.

Ein grundlegendes Problem für den Konstrukteur einer Verkleidung für einen Nachbrenner besteht in der Regelung des Kühlmittelstromes und in der Aufgabe, die Druckbelastung der Auskleidung auf ein Mindestmaß zu bringen. Um die Mindestmenge von Kühlluft

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im Sinne einer maximalen Triebwerksleistung zu verwenden, wird eine einfache und zuverlässige Einrichtung benötigt, um den Kühlmittelstrom durch die öffnungen oder Schlitze in der Kühlverkleidung zu regulieren. Das Problem wird noch komplizierter durch die Tatsache, daß der Druck in dem Sammelraum, welcher die Kühlungsverkleidung umgibt, im wesentlichen über die gesamte axiale Länge der Verkleidung konstant ist und andererseits der statische Druck des Verbrennungsgases im Innern der Auskleidung sich in axialer Richtung infolge der Beschleunigung des Gases mit der Steigerung seiner Temperatur infolge der Arbeitsweise des Nachbrenners vermindert. Diese Verhältnisse führen nichtVzu einer beträchtlichen Druckdifferenz über die Verkleidung, sondern auch zu einer Druckdifferenz, welche sich vom stromaufwärts gelegenen Ende der Verkleidung bis zum stromabwärts gelegenen Ende verändert.

Um die Wirkung dieser steigenden Druckdifferenz zu überwinden, haben die Konstrukteure in der Vergangenheit den Versuch unternommen, einen im wesentlichen konstanten Kühlmittelstrom dadurch aufrechtzuerhalten, daß sie die Größe der öffnungen und der Schlitze in der Verkleidung geändert haben. Um die Auswirkung der höheren Druckbelastung am rückwärtigen Ende der Verkleidung zu beseitigen, wurden verschiedene Einrichtungen vorgeschlagen, beispielsweise Verstärkungsringe oder zusätzliche Befestigungspunkte und Aufhängungseinrichtungen. Offensichtlich kann die zusätzliche Kompliziertheit durch die Änderung der Größe der Kühlmitteloffnungen leicht die Herstellungskosten einer solchen Verkleidung steigern. Weiterhin kann eine Forderung nach schweren Stabilisatorringen und/oder zusätzlichen Befestigungsteilen in ungebührlicher Weise das Gewicht des Gesamtsystems erhöhen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor genannten Probleme zu überwinden und Einrichtungen zur Regelung des Kühlmittelstroms zu einem Sammelraum zu schaffen, welcher die Kühlungsverkleidung des Nachbrenners eines Gasturbinen-Triebwerkes umgibt, und zwar auf solche Weise, daß über die gesamte axiale Länge der Verkleidung eine relativ konstante

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Druckdifferenz erreicht werden kann, welche einen relativ gleichmäßigen Kühlmittelstrom durch die in der Verkleidung vorgesehenen öffnungen ergibt, ohne daß hierzu die Notwendigkeit einer Änderung der Abmessungen dieser öffnungen über die axiale Länge der Verkleidung besteht.

Kurz gesagt werden diese und ähnliche Aufgaben durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß ein Stabilisierungs- und Halterungssystem für die Kühlüngsverkleidung vorgesehen wird, welches Einrichtungen zur Unterteilung des die Verkleidung umgebenden Kühlmittel-Sammelraums in eine Anzahl von einzelnen Kammern enthält. Die Strömung in jede dieser Kammern wird mit Hilfe eines dem Halterungssystem zugeordneten Flansches gesteuert, welcher eine Einengung in dem Strömungsweg bildet und · auch den Sammelraum in die vorgenannten einzelnen Kammern unterteilt. Durch Änderung der Größe des Flansches kann der Druck im Innern der einzelnen Kammern leicht beherrscht werden und die Druckdifferenz über die Verkleidung kann dadurch leicht reguliert werden.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer Ausfuhrungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines. Gasturbinen-Triebwerkes im Axialschnitt, welches eine Ausführungsform der Regelungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung enthält.

Figur 2 ist eine vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Stabilisierung der Kühlungsverkleidung und der Druckregelung nach Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Kurvendarstellung der Druckdifferenz über die axiale Länge einer Kühlungsverkleidung, welche eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung enthält.

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In den Abbildungen sind durchweg gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Figur 1 zeigt ein Gasturbinen-Triebwerk 10 des Turbo-Gebläsetyps mit Mischstrom und dieses enthält ein Kerntriebwerk 12 einschließlich einer Gebläseturbine 14 zum Antrieb einer Vielzahl von Gebläselaufschaufeln 15, welche auf einer Welle 16 befestigt sind. Die Gebläselaufschaufeln 15 sind in einem Einlaß 17 angeordnet, der durch ein Gebläsegehäuse 18 gebildet wird, welches das gesamte Gasturbinen-Triebwerk 10 umschließt. Das Gebläsegehäuse 18 wirkt mit einem Kerntriebwerksgehäuse 20 zusammen, um parallele Strömungswege und 23 zu definieren.

Die Luft, welche in den Strömungsweg 23 eintritt, wird mit Hilfe eines Verdichters 24 verdichtet und im Brenner 26 mit Brennstoff gemischt. Der Brennstoff wird dem Brenner 26 mit Hilfe einer Vielzahl von Brennstoff-Injektionspunkten 27 von Brennstoffrohren 28 zugeführt, welche durch den Strömungsweg 22 hindurch verlaufen. Der resultierende hochenergetische Gasstrom tritt aus dem Brenner 26 aus und treibt eine Turbine J>0 an, welche ihrerseits mit Hilfe einer Welle 31 den Verdichter 24 antreibt.

Wie weiterhin aus der Figur 1 ersichtlich, strömt die durch den äußeren oder Gebläse-Strömungsweg 23 und die aus dem Kerntriebwerk 12 austretende Luft durch einen Mischer 32, durch dessen Wirkungsweise die beiden getrennten Strömungswege vermischt werden. Auf diesen vermischten Strömungsweg wirkt dann ein Nachbrenner 34 ein, welcher aus einer Vielzahl von Brennstoffinjektoren 36 besteht. Das erhaltene Brennstoff/Luftgemisch in dem Nachbrenner J>k wird mit Hilfe eines nicht gezeigten geeigneten Zünders gezündet, strömt durch einen Abgaskanal 40 und ergibt anschließend eine zusätzliche Antriebskraft dadurch, daß es durch eine Auslaßdüse 42 austritt.

Der Abgaskanal 40 ist am stromabwärts gelegenen Ende des Gebläsegehäuses 18 angeordnet und enthält nach der Darstellung in Figur 1 ein Gehäuse 44 für den Abgaskanal und eine Kühlluftverkleidung, welche allgemein mit der Bezugsziffer 46 bezeichnet ist.

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Die Kühlungsverkleidung 46 ist radial im Innern des Gehäuses 44 für den Abgaskanal mit Abstand angeordnet und definiert einen kreisringförmigen Strömungsweg 48 für das Kühlmittel mit einem Einlaß 50, welcher durch einen vorderen Lippenteil 52 am stromaufwärts gelegenen Ende der Kühlungsverkleidung 46 gebildet ist.

Es ist an sich bekannt, daß die Kühlungs'verkleidung eine Vielzahl von Öffnungen oder Schlitzen 54 enthält, welche dazu eingerichtet sind, die kühlluft aus dem Durchlaßweg 48 in das Innere der Verkleidung 46 zu liefern. Das Kühlmittel, welches durch die öffnungen 54 strömt, ergibt einen Film von kalter Luft auf der Innenseite der Verkleidung 46 und schützt dadurch sowohl die Verkleidung 46 als auch das umgebende Gehäuseteil 44 für den Abgaskanal vor den hohen Temperaturen, welche beim Betrieb des Nachbrenners 34 auftreten. ·

Die Arbeitsweise des Triebwerkes 10 ist an sich bekannt und wird nur kurz erörtert. Die Luft strömt durch deh Einlaß 17 und die Gebläselaufschaufeln 15 wirken auf sie ein. Ein erster Teil dieser verdichteten Luft strömt durch den Gebläse-Strömungsweg 22 und ein zweiter Teil strömt durch den Kerntriebwerks-Strömungsweg 23* und auf diesen Teil wirkt der Verdichter 24 ein. Von dem Brenner 26 wird ein Hochenergie-Gasstrom erzeugt und treibt die Hochdruckturbine 30 und die Niederdruckturbine 14 an, welche ihrerseits den Verdichter 24 für das Kerntriebwerk und das Gebläse 15 antreiben. In dem Mischer 32 wird die aus der Niederdruckturbine 14 austretende Luft und die durch den Gebläse-Strömungsweg 22 strömende Luft vermischt und dieser gemischte Strom wird in den Bereich des Nachbrenners 34 abgegeben. Ein resultierendes Brennstoff/Luftgemisch wird von dem Nachbrenner 34 erzeugt und wird gezündet, um eine zusätzliche Schubkraft dadurch zu erhalten, daß es durch die Auslaßdüse 42 austritt.

Ein Teil der Luft, welche durch den Gebläse-Strömungsweg 22 strömt, strömt durch den Einlaß 50 und daher durch den Kühlmitte ldurchlaßweg 48. Diese Kühlluft strömt anschließend durch die öffnungen 54 und bildet einen Film auf der Innenseite der Küh-

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lungsverkleidung 46 und schützt dadurch die Verkleidung 46 und das umschließende Gehäuse 44 für den Abgaskanal vor den hohen Gastemperaturen, welche beim Betrieb des Nachbrenners 34 auftreten.

Das vorstehend beschriebene Gasturbinen-Triebwerk 10 ist typisch für viele der gegenwärtig verwendeten, mit Nachbrenner ausgestatteten Turbo-Gebläsetriebwerke und wurde lediglich beschrieben, um die Erfindung in einen richtigen Rahmen zu stellen. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Gasturbinen-Triebwerken anwendbar ist und daher das Triebwerk 10 lediglich zur Veranschaulichung dient.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figuren 2 und 3· Die Kühlungsverkleidung 46 für den Nachbrenner des Gasturbinen-Triebwerkes und ihr zugeordnetes Druckregelungssystem werden dort mit weiteren Einzelheiten gezeigt. Wie aus der Figur 2 ersichtlich, ist die Kühlungsverkleidung 46 an dem Abgaskanal 44 mit Hilfe einer Vielzahl von Stabilisatoranordnungen 56 befestigt, welche jeweils eine kreisringförmige Reihe von Stabilisatoren 58 enthalten, die jeweils in einer Stabilisatorführung 60 gehalten werden. Die Stabilisatorführungen 60 sind ihrerseits mit der inneren Oberfläche eines Bandes 62 zur Lageeinstellung verbunden, welches so eingerichtet ist, daß es mit der inneren Wandoberfläche des Abgaskanals 44 verbunden werden kann.

Das Band 62 zur Lageeinstellung enthält eine Vielzahl von öffnungen 64, welche mit öffnungen ausgerichtet sind, die mit Gewinde versehen und Haltemuttern 68 zugeordnet sind, die ihrerseits auf den Stabilisatorführungen 60 befestigt sind. Eine Vielzahl von Bolzen 70 kann in Öffnungen 72 eingeführt werden, die im Innern des Gehäuses 44 für den Abgaskanal ausgebildet sind, und die Bolzen werden mit Gewindeeingriff im Innern der Muttern 68 aufgenommen und dadurch werden das Band 62 für die Lageeinstellung und daher die Kühlungsverkleidung fest an dem Gehäuse 44 für den Abgaskanal angebracht.

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Die Stabilisatoren 58 sind so eingerichtet, daß sie die radiale Höhe 71 des kreisringförmigen Kühlmitteldurchlaßweges 48 definieren. Wie bereits zuvor kurz erörtert, haben Versuche mit vorbekannten Nachbrennern gezeigt, daß der Druck des Kühlmittels im Innern des Durchlaßweges 48 über die gesamte axiale Länge der Verkleidung 46 relativ konstant ist. Der statische Druck des Verbrennungsgases im Innern des Abgaskahals, d. h. innerhalb der Verkleidung 46, vermindert sich in axialer Richtung infolge der Beschleunigung des Gases mit der Erhöhung seiner Temperatur aufgrund der Wirkungsweise des Nachbrenners. Durch den relativ konstanten Druck im Innern des Durchlaßweges 48 und den sich verringernden Druck im Innern des Abgaskanals 40 erhöht sich die Druckdifferenz über der Verkleidung 46 in der Nähe des rückwärtigen Endes der Verkleidung 46 in bedeutungsvoller Weise. Dieser Zustand ist als gestrichelte Kurve 73 in Figur 5 wiedergegeben, wobei die Druckdifferenz über der Verkleidung als Punktion der axialen Länge der Verkleidung aufgetragen ist.

Es wird weiterhin Bezug genommen auf die Figuren 2 und 3· Die vorliegende Erfindung enthält Einrichtungen zur Regelung der Druckhöhe im Innern des Kühlmitteldurchlaßweges 48 in einer solchen Weise, daß die Druckdifferenz- an der Kühlungsverkleidung vom stromaufwärts gelegenen Ende bis zum stromabwärts gelegenen Ende der Verkleidung relativ konstant gehalten werden kann. Die Druckregelungseinrichtung umfaßt einen Flansch 76, der entweder am stromaufwärts gelegenen oder stromabwärts gelegenen Ende des Bandes 62 zur Lageeinstellung gebildet ist. Obwohl der Flansch 76 als getrenntes Teil ausgeführt werden kann, ist in der Ausführungsform nach Figur 2 der Flansch 76 integral oder einstükkig mit dem Band 62 zur Lageeinstellung gebildet. Wie am besten aus Figur 3 ersichtlich, bewirken die jeweils den Stabilisatoranordnungen 56 zugeordneten Flansche 76 eine Unterteilung des Kühlmitteldurchlaßweges 48 in getrennte kreisringförmige Kammern 78, 80 und 82.

Der Flansch 76 ist so bemessen, daß man einen Spalt·84 zwischen einer inneren Kante 86 des Flansches 76 und der äußeren Wand der

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Kühlungsverkleidung 46 erhält. Der Spalt 84 wirkt als eine Behinderung oder ein Hindernis in dem Strömungsweg für die Kühlluft und wirkt so, daß er den Druck des Kühlmittels im Innern der Kammern 78, 80 und 82 steuert. Der Spalt 84 kann mit verschiedenen Abmessungen versehen werden in Abhängigkeit vom erwünschten Druck im Innern der Kammern 78, 80 und 82. In bestimmten Anwendungsfällen kann der Spalt 84-für jede der Stabilisatoranordnungen 56 gleich sein, und in anderen Anwendungsfällen kann sich die Spaltabmessung von einer Halterungsanordnung zur anderen ändern. In jedem Falle kann der Spalt 84 dazu verwendet werden, einen solchen Druck im Innern der Kammern 78, 80 und 82 zu schaffen, daß die durchschnittliche Druckdifferenz an der Verkleidung in jeder Kammer ein Minimum ist. Dieses Minimum wird begrenzt durch den kleinsten Wert der Druckdifferenz, welche den erforderlichen Kühlmittelstrom radial nach innen erzeugt. Diese Verhältnisse sind als ausgezogene Kurve 84 in Figur 3 aufgetragen, wobei die kleinste erwünschte Druckdifferenz unterhalb des Punktes A liegt. Wie dort gezeigt, kann sich die Druckdifferenz über der Verkleidung 46 geringfügig vom stromaufwärts gelegenen zum stromabwärts gelegenen Ende jeder einzelnen Kammer 78, 80 und 82 ändern. Die Gesamtauswirkung des erfindungsgemäßen Systems schafft jedoch eine bedeutend kleinere Gesamtdruckdifferenz vom stromaufwärts gelegenen Ende der Verkleidung zum stromabwärts gelegenen Ende. Durch dieses Ergebnis kann die Verkleidung mit gleichförmig bemessenen Schlitzen oder öffnungen 54 ausgestattet werden und die Notwendigkeit zu einer starken Verstärkung der Ringe am stromabwärts gelegenen Ende derselben ist nicht mehr vorhanden.

Für den Fachmann ist auch ersichtlich, daß geringfügige Abwandlungen in den vorstehend beschriebenen und gezeigten Strukturelementen vorgenommen werden können, ohne von den hier offenbarten umfassenderen erfindungsgemäßen Konzepten abzuweichen. Beispielsweise könnte der Flansch 76 an jedem der beiden Enden des Bandes 62 für die Lageeinstellung angeordnet werden. In ähnlicher Weise könnte der Flansch 76 als integraler Bestandteil oder verbunden mit den Stabxlisierungsführungen 60 anstatt als inte-

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graler Bestandteil oder in Verbindung mit dem Band 62 zur Lageeinstellung ausgestaltet werden. In gleicher Weise könnte der Plansch 76 unmittelbar entweder mit dem Gehäuse 44 für den Abgaskanal oder der Kühlluftverkleidung 46 verbunden werden. Weiterhin sind die Stabilisierungsanordnungen 56 geeignet zur Verwendung in Kombination mit mehreren standardmäßigen Halterungsverfahren, beispielsweise Abstandsstücken 86, wie sie in Figur nahe dem stromaufwärts gelegenen Ende der Verkleidung 46 gezeigt sind.

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Claims

- ίο - Patent ansprüche

1. ) Gasturbinen-Triebwerk des Typs mit einem Verdichter, einer -' Turbine, einem Brennersystem, einem Nachbrenner, einem Gehäuse für einen Abgaskanal, welches diesen Nachbrenner umschließt, und einer im Innern dieses Kanals angeordneten Kühlungsverkleidung, so daß zwischen diesen beiden Teilen ein Kühlsammelraum gebildet wird, wobei sich noch mindestens ein Teil der Verkleidung stromabwärts von dem Nachbrenner erstreckt und zum Schutz des Abgaskanals vor.dem durch den Nachbrenner erzeugten Hochtemperaturgas eingerichtet ist, gekennzeichnet durch:

eine Flanscheinrichtung (76) unterteilt den Kühlsammelraum in mindestens zwei einzelne Kammern (78 und 80) und die, Planscheinrichtung (76) ergibt einen verengten Einlaß (84) für jede der Kammern (78, 80) in solcher. Weise, daß die Druckdifferenz über der Kühlungsverkleidung (46) gut steuerbar ist.

2. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlungsverkleidung (46) eine Vielzahl von Stabilisatoranordnungen (56) zur Befestigung der Kühlungsverkleidung (46) mit dem Gehäuse (44) für den Abgaskanal in einer solchen Weise enthält, daß der Kühlsammelraum definiert ist, wobei die Flanscheinrichtung (76) einen Flansch umfaßt, der sich über mindestens einen Teil des Sammelraums in der Nachbarschaft jeder der Stabilisatoranordnungen (56) erstreckt.

3. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Stabilisatoranordnung (56) eine Vielzahl von Stabilisatoren (58) und eine gleiche Anzahl von Stabilisatorführungen (60) enthält, welche jeweils einzeln jedem der Stabilisatoren (58) zugeordnet sind, und weiterhin ein Band (62) zur Lageeinstellung jede der Stabilisatorführungen (60) umschließt und an diesen

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befestigt ist, wobei die Planscheinrichtung (76) einen Flansch umfaßt, der einstückig mit dem Band (62) zur Lageeinstellung ausgebildet ist.

4. Gasturbinen-Triebwerk nach Ans_pruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Flansche (76) zur Definierung von Einlassen (84) für jede der Kammern (78, 80) eingerichtet sind, welche so bemessen sind, daß eine relativ konstante Druckdifferenz entlang der axialen Länge der Verkleidung vorhanden ist.

5. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlungsverkleidung (46) mindestens zwei Stabilisatoranordnungen (56) umfaßt und der Sammelraum in mindestens drei Kammern (78, 80, 82) unterteilt ist.

6.· Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlungsverkleidung (46) eine Vielzahl von relativ gleich bemessenen Kühlmittelöffnungen (5²O enthält, welche entlang mindestens eines Teils der axialen Länge derselben beabstandet angeordnet sind..

7. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einlasse (84) so bemessen sind, daß sie an der Kühlungsverkleidung (46) eine Druckdifferenz ergeben, welche zwischen 0 und 0,5 Δ? liegt, wobei ΔΡ definiert ist als Druck in der Kammer/Druck in dem Kanal.

8. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Druckdifferenz in jeder dieser Kammern im Bereich von 0 bis 0,5 ΔΡ liegt.

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