DE2438845A1

DE2438845A1 - Wandkonstruktion, z.b. fuer brennkammern

Info

Publication number: DE2438845A1
Application number: DE2438845A
Authority: DE
Inventors: Robert David Wood
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1974-08-13
Publication date: 1975-03-06
Also published as: DE2438845C3; GB1438379A; JPS5088417A; FR2241055A1; IT1018959B; DE2438845B2; US3898797A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wand für einen Kanal zum Fortleiten eines heißen Fludes sowie eine Anordnung zum Kühlen einer solchen Wand.

Es sind bereits Anordnungen bekannt·, die dazu dienen, aus einem Kühlmittel auf der Innenfläche einer Wand eines heißen Kanals einen Film zu erzeugen, um die Wand zu kühlen und das durch den Kanal fortgeleitete heiße Flud daran zu hindern, in Berührung mit der Wand zu kommen. Als Beispiel für einen solchen einer hohen Temperatur ausgesetzten Kanal oder dergleichen seien die Brennkammern eines Gasturbinentriebwerks genannt.

Gewöhnlich wird eine solche Brennkammer mittels eines Luftstroms gekühlt, der allgemein in der Richtung des Hauptstroms durch die Brennkammer geleitet wird. In manchen Fällen ist es erforderlich, bei Gasturbinentriebwerken Brennkammern zu verwenden, bei denen jeweils Kühllufteinlässe vorhanden sind, mittels welcher jeder Brennkammer zwei Kühlluftströme in einander im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen zugeführt werden. Einer der Nachteile der bis jetzt zu diesem Zweck verwendeten Kühllufteinläase besteht darin, daß bei jedem Einlaß mindestens eine Zone vorhanden ist, die nicht von Kühlluft durchströmt wird, so daß es sich in einer sol- · chen Zone als schwierig erweist, eine ausreichende Kühlung

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zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen heißen Kanal der genannten Art, insbesondere für die Brennkammern von Gasturbinentriebwerken, eine Wand zu schaffen, bei der diese ungekühlte Zone möglichst kleine Abmessungen hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die .Erfindung für einen heißen Kanal der genannten Art, der dazu dient, ein heißes Flud fortzuleiten, und auf dessen Außenseite ein kühles Flud vorhanden ist, eine Wandkonstruktion geschaffen worden, die ein Wandteil aufweist, das auf seiner Innenseite mit Einrichtungen versehen ist, die einen ersten Satz und einen zweiten Satz von getrennten Taschen bilden; das Wandteil weist für jede Tasche mindestens eine Öffnung auf, die die betreffende Tasche mit der Außenseite des Wandteils verbindet, damit das kühle Flud in die Tasche eintreten kann; jede Tasche besitzt eine Mündung zum Abgeben des kühlen Fludes; alle Mündungen des ersten Satzes von getrennten Taschen sind so angeordnet, daß sie das kühle Flud im wesentlichen in einer ersten Richtung längs der Innenfläche der Wand abgeben, um auf ihr einen Kühlfilm zu erzeugen; sämtliche Mündungen der getrennten Taschen des zweiten Satzes sind so angeordnet, daß sie das kühle Flud im wesentlichen in einer zweiten Richtung längs der Innenfläche der Wand abgeben, um auf ihr einen Kühlfilm zu erzeugen; hierbei sind gemäß der Erfindung die' erste Richtung und die zweite Richtung einander im wesentlichen entgegengesetzt, und die Mündungen der verschiedenen getrennten Taschen des ersten Satzes sind so angeordnet, daß sie jeweils zwischen den Mündungen zweier benachbarter getrennter Taschen des zweiten Satzes liegen, so daß jede Mündung den betreffenden kühlen Fludstrom zwischen zwei Mündungen des betreffenden anderen Satzes von Taschen abgibt .

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

,Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer

Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, die mit einer Wand-

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konstruktion nach der Erfindung versehen ist;

2 eine verkleinerte perspektivische Darstellung der Außenseite des Brennerkopfes der Brennkammer nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Teil einer vergrößerten perspektivischen Darstellung der Innenseite der Wandkonstruktion der Brennkammer nach Fig. 1; und

Fig. 4· einen Schnitt durch die Wandkonstruktion nach Fig. 3» der im gleichen Maßstab gezeichnet ist wie Figo 3°

In Fig. 1 ist ein Teil einer Brennkammer 10 eines Gasturbinentriebwerks dargestellt, bei dem mehrere ähnliche Brennkammern vorhanden sind, die zwischen einer radial weiter innen liegenden ringförmigen Wand und einer radial weiter außen liegenden ringförmigen Wand 12 eines Luftführungsgehäuses eines Gasturbinentriebwerks angeordnet sind. Die übrigen Teile des Gasturbinentriebwerks sind nicht dargestellt; es sei jedoch bemerkt, daß zu dem Triebwerk ein Verdichter gehört, der verdichtete Luft gemäß Fig. 1 in Richtung des Pfeils A der Brennkammer 10 zuführt, und daß die Verbrennungsprodukte gemäß Fig„ 1 von links nach rechts strömen und dazu dienen, eine nicht dargestellte Turbine anzutreiben.

Die Brennkammer 10 ist mit einem Brenner 13 versehen, der über eine Leitung 14 mit Kraftstoff gespeist wird, den Kraftstoff mit verdichteter Luft mischt, die vom Verdichter des Gasturbinentriebwerks aus über einen Kanal 15 zugeführt wird, und das Kraftstoff-Luft-Gemisch der eigentlichen Brennkammer 10 über eine ringförmige Brenneröffnung 13a zuführt. Der Brenner 13 ist so ausgebildet, daß er das Kraftstoff-Luft-Gemisch in Richtungen abgibt, die allgemein im rechten Winkel zur Längsachse des Brenners verlaufen, so daß gemäß Fig. 1 ein allgemein torusförmiger Wirbel 16 aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht» Der Wirbel 16 zirkuliert in Richtung auf einen Brennerkopf 17 der Brennkammer 10 und bewegt sich dann längs der äußeren Umfangsfläche des Brenners 13 zu der ringförmigen Brenneröffnung 13a zurück.

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Ein Teil der durch den Kanal 15 strömenden verdichteten Luft wird über die Außenseite des Brennerkopfes 17 der Brennkammer 10 geleitet, um dann in die Brennkammer über weitere Lufteinlässe 18 einzutreten, die gegenüber dem Brennerkopf in der Strömungsrichtung versetzt sind. Da die Achsen der weiteren Lufteinlässe 18 annähernd im rechten Winkel zu dem über sie hinwegstreichenden Luftstrom verlaufen, wird die über die Einlasse 18 eintretende Luft gemäß Fig. 1 veranlaßt, einen zweiten im wesentlichen torusförmigen Wirbel 19 zu bilden, der sich in der Strömungsrichtung unmittelbar an den zuerst entstehenden Wirbel 16 anschließt, in dem jedoch die Luft entgegen der Zirkulationsrichtung des Wirbels 16 zirkuliert. Ein Teil des von dem Brenner 13 abgegebenen Kraftstoffs wird von dem zweiten Wirbel 19 dort mitgerissen, wo die beiden Wirbel 16 und 19 aufeinandertreffen. Um die Verbrennung einzuleiten und aufrechtzuerhalten, ist eine in Fig. 1 nicht dargestellte Zündeinrichtung vorhanden.

Somit entstehen beim Betrieb der Brennkammer 10 zwei im wesentlichen torusförmige Wirbel 16 und 19 aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, so daß sich eine zweistufige Verbrennung abspielen kann; hierbei ist der Wirbel 16 im Vergleich zu dem Wirbel 19 stärker mit Kraftstoff angereichert; in dem ersten Wirbel 16 spielt sich nur eine Teilverbrennung ab, jedoch wird die Verbrennung zuendegeführt, wenn das Gemisch in den Wirbel 19 übertritt und sich weiter längs der Achse der Brennkammer 10 bewegt. Der Wirbel 16 ist zwar so stark mit Kraftstoff angereichert, daß in ihm keine vollständige Verbrennung stattfinden kann, doch unterstützt er immerhin eine teilweise Verbrennung, und daher ist es erforderlich, den BrennkammerkopJT 17 zu kühlen, um eine überhitzung und Oxidation zu verhindern.

Im Hinblick hierauf muß dafür gesorgt werden, daß ein Kühlluftstrom erzeugt wird, der sich im Inneren des Brennkammerkopfes 17 allgemein entgegen der Hauptströmungsrichtung und in Richtung auf den Brenner 13 bewegt, d.h. dort, wo der erste Wirbel 16 auf den Brennkammerkopf auftrifft; dieser Külilluftstrom muß sich in der gleichen Richtung bewegen, wie

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der ihm benachbarte Teil des ersten Wirbels 16«

Dort, wo der zweite Wirbel 19 auf die Wand der Brennkammer 10. auftrifft, muß eine Strömung in der entgegengesetzten Richtung vorhanden sein, und dort, wo der Übergang zwischen den beiden Wirbeln 16 und 19 mit der Brennkammerwand zusammentrifft, müssen Strömungen in zwei einander entgegengesetzten Richtungen vorhanden sein, die gemäß Fig. 1 von einer Fläche 20a ausgehen, welche sich im wesentlichen im rechten Winkel zur Wand der Brennkammer an der betreffenden Stelle erstreckt. Um das Entstehen dieser Strömungen zu fördern, die sich von der Fläche 20a aus in entgegengesetzten Richtungen bewegen, ist der Brennkammerkopf 17 mit Kühllufteinlässen 20 nach Fig. 3 versehen. Diese Kühllufteinlasse sind so ausgebildet, daß sie einen Kühlluftfilm auf der Innenwand des Brennkammerkopfes 17 derart erzeugen, daß er der Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den benachbarten Teilen der Wirbel 16 und 19 nicht entgegenwirkt»

Gemäß Fig_e 3 sind die Kühllufteinlässe 20 als Taschen ausgebildet, die durch Wellungen 22 abgegrenzt sind, welche Mündungen aufweisen, die an dem in die Strömungsrichtung weisenden Rand eines ersten KühlStreifens 23 bzw. an dem der Strömung zugewandten Rand eines zweiten Kühlstreifens 24· liegenο Jeder der Wellungen 22 wird Kühlluft über eine von mehreren öffnungen 21 zugeführt, mit denen der Brennkammerkopf 17 versehen ist. Der der Strömung zugewandte Rand des Kühlstreifens 24 ist in Anlage an dem in die Strömungsrichtung weisenden Rand des Kühlstreifens 23 angeordnet«

Die Mündungen der Wellungen 22 des KühlStreifens 23 sind in der Umfangsrichtung der Brennkammer so verteilt, daß sie jeweils zwischen zwei benachbarten Mündungen der Wellungen 22 des zweiten KühlStreifens 24 liegen, so daß die zugeführte Kühlluft gegenüber der Fläche 20a nach Fig. 1, in welcher der der Strömung zugewandte Rand des Kühlstreifens und der in die Strömungsrichtung weisende Rand des Kühlstreifens 23 liegen, von den Wellungen 22 abwechselnd entgegen der Strömungsrichtung bzw. in der Strömungsrichtung abgegeben wird. Der Strömungsweg der Kühlluft, die über eine der

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Öffnungen 21 zugeführt wird, ist in Fig. 4 bei der zugehörigen Wellung 22 durch Pfeile angedeutet.

Die Kühlstreifen 23 und 24, die mit dem Brennkammerkopf 17 durch Punktschweißstellen 26 verbunden sind, sind an ihrem der Strömung zugewandten Rand bzw. an ihrem in die Strönningsrichtung weisenden Rand so nach innen gekröpft, daß die betreffenden Randabschnitte durch einen Abstand von der Innenwand des Brennkammerkopfes 17 getrennt sind, um gemäß Fig. 3 und 4 sekundäre, in der Brennkammer mündende Kühllufteinlässe 27 abzugrenzen. Den sekundären Kühllufteinlässen 27 wird Kühlluft über einige der öffnungen 21 des Brennkammerkopfes 17 zugeführt; die Strömungswege dieser Kühlluftströme sind in Fig. 4 durch Pfeile 28 angedeutete. Es ist somit ersichtlich, daß die durch die Kühllufteinlässe 20 erzeugten Kühlluftfilme durch Kühlluftfilme verstärkt werden, welche durch die sekundären Lufteinlässe 27 erzeugt werden.

Die Kühlluftfilme, die durch die Wellungen 22 jedes der Kühlstreifen 23 und 24 erzeugt werden, bewegen sich jeweils zwischen den Wellungen 22 des betreffenden anderen Kühlstreifens hindurch, so daß ein Schutzfilm aus Kühlluft auf dem größten Teil der freiliegenden Flächen der beiden Kühlstreifen vorhanden ist. Ferner werden die Wellungen 22 selbst durch Wärmeleitung gekühlt, da sie Wärme an die Kühlluftströme abgeben, welche die Wellungen in Richtung der , Pfeile 25 durchströmen. Zwar zeigen die Zeichnungen die Kühlstreifen 23 und 24 so, als ob sie als getrennte Bauteile hergestellt wären, doch werden sie in der Praxis gemeinsam aus einem einzigen Blechstück gefertigt, so daß exe zusammenhängen.

Zwar ist die Erfindung vorstehend bezüglich einer Brennkammer der bekannten büchsenfömigen Ausfünrungsart beschrieben, doch sei bemerkt, daß sich die Erfindung auch auf vorteilhafte Weise bei einer ringförmigen Brennkammer anwenden läßt, bei der mindestens ein Strömungsweg für das Kraftstoff-Luft-Gemisch unterteilt wird, wenn die Strömung auf die Innenwand der Brennkammer auftrifft.

Ansprüche: 509810/0276

Claims

ANSPRt) GHE

Λ.) Wandkonstruktion für einen einer hohen Temperatur ausgesetzten Kanal, der beim Betrieb dazu dient, ein heißes Flud aufzunehmen oder fortzuleiten, auf dessen Außenseite ein kühles Flud vorhanden ist, wobei die Wandkonstruktion ein Wandteil aufweist, wobei auf der Innenseite des Wandteils eine Einrichtung vorhanden ist, die einen ersten Satz und einen zweiten Satz von voneinander getrennten Taschen abgrenzt, wobei das Wandteil für jede Tasche mit mindestens einer öffnung versehen ist, welche die betreffende Tasche mit der Außenseite des Wandteils verbindet, um das Einleiten des kühlen Fludes in die betreffende Tasche zu ermöglichen, und wobei jede Tasche eine Mündung zum Abgeben des ihr zugeführten kühlen Fludes besitzt, dadurch gekennzeichnet , daß alle Mündungen der voneinander getrennten Taschen des · ersten Satzes so angeordnet sind, daß sie das kühle Flud längs der Innenfläche des Wandteils (17) im wesentlichen in einer ersten Richtung (25) abgeben, um auf der Innenfläche einen Kühlfilm zu erzeugen, daß alle Mündungen der voneinander getrennten Taschen des zweiten Satzes so angeordnet sind, daß sie das kühle Flud längs der Innenfläche des Wandteils im wesentlichen in einer zweiten Richtung (25) abgeben, um auf der Innenfläche einen Kühlfilm zu erzeugen, und daß die erste Richtung und die zweite Richtung einander im wesentlichen entgegengesetzt sind, und daß die Mündungen der voneinander getrennten Taschen des ersten Satzes so angeordnet sind, daß jeweils eine dieser Mündungen zwischen benachbarten Mündungen voneinander getrennter Taschen des zweiten Satzes liegt, so daß im wesentlichen jede Mündung das kühle Flud zwischen zwei Mündungen des betreffenden anderen ^üatzes abgibt.
2. Wandkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandteil (17) und die Mündungen so angeordnet sind, daß das aus den Mündungen der voneinander getrennten Taschen des ersten Satzes austretende

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kühle ilud auf der Innenfläche des Wandteils einen Kühlfilm bildet, der sich von den Mündungen aus in der ersten Richtung erstreckt, und daß das aus den Mündungen der voneinander getrennten Taschen des zweiten Satzes austretende kühle Flud auf der Innenfläche des Wandteils einen Kühlfilm bildet, der sich von diesen Mündungen aus in der zweiten Richtung erstreckt,
3. Wandkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wandteil (17) ein einziger Werkstoffstreifen (23i 24) befestigt ist, der so geformt ist, daß er zusammen mit dem Wandteil die voneinander getrennten Taschen der beiden genannten Sätze abgrenzt.
4. Wandkonstruktion nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Materialstreifen einen ersten Abschnitt (24) aufweist, der sich von den Mündungen der voneinander getrennten Taschen des ersten Satzes aus in der ersten Richtung erstreckt, daß der Materialstreifen einen ersten Teil aufweist, der durch einen Abstand von dem Wandteil (17) getrennt ist, um zusammen mit ihm eine erste lückenlose Öffnung (27) abzugrenzen, die ein in die erste Richtung weisendes offenes Ende hat, daß diese Öffnung in Verbindung mit der Außenseite des Wandteils steht, so daß der Film (25) aus dem kühlen Plud, der mit Hilfe des ersten Satzes voneinander getrennter Taschen erzeugt wird, über den ersten Abschnitt des Materialstreifens hinwegströmt, so daß sich das kühle Flud (28), das aus der ersten lückenlosen Öffnung austritt, mit dem genannten Film vereinigt, um den auf der Innenfläche des Wandteils erzeugten Kühlfilm zu verstärken, und daß zu dem Materialstreifen ein zweiter Abschnitt (23) gehört, der sich von den Mündungen der voneinander getrennten Taschen des zweiten Satzes aus erstreckt, daß der Materialstreifen einen zweiten Teil besitzt, der durch einen Abstand von dem Wandteil getrennt ist, um eine zweite lückenlose öffnung abzugrenzen, deren offenes Ende in die zweite Richtung weist, daß die zweite Öffnung in Verbindung mit der Außenseite des Wandteils steht, und daß daher der Film (25) aus dem kühlen Flud, der durch die voneinander getrennten Taschen des zweiten Satzes erzeugt wird, über den zweiten Abschnitt des Materialstreifens hinwegströmt und sich das aus der zweiten lückenlose Öffnung austretende kühle Flud (28) mit dem genannten Film vereinigt, um den Kühlfilm auf der Innenfläche des Wandteils zu verstärken.

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