DE2622234C2

DE2622234C2 - Vorrichtung zur Zuführung von Kühlluft in das Flammrohr von Gasturbinen-Brennkammern

Info

Publication number: DE2622234C2
Application number: DE2622234A
Authority: DE
Inventors: Edward Ivan Cincinnati Ohio Stamm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-05-21
Filing date: 1976-05-19
Publication date: 1982-12-09
Also published as: US3995422A; JPS5949493B2; IL49458A0; BE841942A; JPS51141912A; IL49458A; DE2622234A1; IT1060666B; CA1070964A

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Flammrohrwände (31a, 316; 32) unmittelbar stromauf der Auswölbungen (36) konische, in stromabwärtiger Richtung in bezug auf die Brennzone (57) sich erweiternde Abschnitte (34) aufweisen und

— daß die Ringe (39) an ihrem stromaufwärtigen Ende einen Befestigungsabschnitt (42) aufweisen, in dessen Bereich die Wandstärken der Ringe (39) bei annähernd konstantem Durchmesser der dem Flammrohrinneren zugewandten Flächen in stromabwärtiger Richtung so zunehmen, daß eine dem entsprechenden Wandabschnitt des Flammrohrs (31) angepaßte konische Fläche (44) gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (39) sich stromabwärts von ihren Befestigungsabschnitten (42) verjüngen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zuführung von Kühlluft in das Flammrohr von Gasturbinen-Brennkammern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der DE-OS 20 54 002 bekannt.

Durch Steigerung der Betriebstemperaturen können erhöhte Leistungswerte von Gasturbinen-Triebwerken erreicht werden. Dabei werden jedoch die Brennkammer dieser Gasturbinen-Triebwerke äußerst hohen Temperaturen ausgesetzt, welche den Brenner zerstören, wenn nicht entsprechende Vorkehrungen getroffen werden. Es wurden bereits große Fortschritte bei den Legierungen für die Brennerauskleidungen und andere Brennkammermaterialien erzielt, die einen Betrieb bei höherer Temperatur gestatten. Trotzdem besteht eine übliche Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer der Brennkammer und ihrer Zuverlässigkeit darin, die Brennkammer mit Hilfe von Kühlluft zu kühlen.

Sehr wirksam ist dabei die bekannte Kühlung mit einem Oberflächenfilm, bei der eine dünne Kühlluftschicht zwischen den heißen Verbrennungsgasen und den Flammrohrwänden gebildet wird, welche die

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60 Brennkammer bilden und begrenzen. Typischerweise begrenzt das Flammrohr auch noch Kühlluftkanäle, die gewöhnlich die Verbrennzungszone umschließen. Üblicherweise sind Mittel vorgesehen zur Oberführung eines Teils des Kühlmittels aus den Kühlkanälen in die Verbrennungszone zwecks Bildung der schützenden Filmgrenzschicht auf der inneren Oberfläche des Flammrohrs. In dessen Wänden sind zahlreiche Löcher oder Schütze gebildet, die axial beabstandet sind und dadurch gewährleisten, daß eine ausreichende Kühlmittelmenge über die gesamte Länge des Flammrohrs verteilt wird. Die Menge des verwendeten Kühlmittels verschlechtert den Wirkungsgrad des Brenners und wird daher vorzugsweise auf einem möglichst geringen Wert gehalten. Diese Verwendung einer Mindestmenge an Kühlmittel führt zu einer annehmbaren Lebensdauer des Flammrohrs, solange im Betrieb des Brenners keine Umstände eintreten, welche zu einer örtlichen oder kontinuierlichen Unterbrechung der Filmkühlung führen. Um eine wirksame Ausbreitung des Films über die ,gesamte innere Oberfläche des Flammrohrs zu erhalten, muß das in das Flammrohrinnere eintretende Kühlmittel in einer solchen Weise gerichtet sein, daß es eine an der inneren Oberfläche des Flammrohrs anliegende Grenzschicht bildet, ohne heißes Gas aus der Verbrennungszone aufzunehmen.

Aus der eingangs genannten DE-OS 20 54 002 ist es zwar bekannt, ein relativ langes im wesentlichen axial verhufendes Abschirmblech für eine richtige Ausrichtung des Kühlmittelstroms an der Flammrohrwand zu befestigen, das zusammen mit der Innenseite des Flammrohrs einen Ringspalt für den austretenden Kühlmittelstrom bildet. Hierbei kann das stromabwärtige Ende des Abschirmbleches aufgrund der abnehmenden Kühlwirkung leicht überhitzt werden, und da dieses Endstück relativ dünn und nicht abgestützt ist, biegt es sich leicht radial nach außen und verkleinert dabei den Ringspalt. Dies führt zu einer Verringerung der Kühlströmung und zu einer weiteren Überhitzung des stromabwärtigen Abschirmblechendes.

Ferner ist in der DE-OS 24 06 277 oder DE-OS 14 76 801 ein derartiger Strömungsleitring beschrieben, der einstückig mit dem Flammrohr ausgebildet ist und bereichsweise dickere Abschnitte aufweist. Hierdurch ergibt sich eine komplizierte und teuere Fertigung und es kann jeweils nur ein bestimmter Ringspalt ausgebildet werden, wodurch keine Aussparung an unterschiedliche Gasturbinen-Brennkammern möglich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß bei der Montage unterschiedliche, im Betrieb aber konstante Ringspaltbreiten ausgebildet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Ringspalt auf einfache Weise zur Optimierung der Kühlung einstellbar ist und trotzdem im Betrieb im wesentlichen konstant bleibt. Bei der Fertigung oder Montage können die Ringe leicht entlang den ebenen, schrägen Wandabschnitten des Flammrohrs verschoben werden, um die jeweils gewünschte Ringspaltbreite zu erhalten. Im Betrieb wird ferner durch die vorteilhafte Materialanhäufung im Befestigungsabschnitt der Ringe die Gefahr von Anrissen durch Temperaturwechselbelastungen verhindert, und der stromabwärtige, überhängende Teil der

Ringe besitzt eine ausreichende Formstabilität Gleichzeitig kann das Flammrohr mit seinen Auswölbungen und Kühlmittel-Durchtrittsöffnungen auf einfache Weise einstückig und mit gleichbleibender Dicke ausgebildet werden. Die zusätzlich daran befestigten Ringe mit ihren keilähnlichen Befestigungsabschnitten können getrennt gefertigt, je nach Wunsch geformt und aus einem den Beanspruchungen entsprechenden Material mit einem geringen zusätzlichen Gewicht hergestellt werden. Somit wird die erfindungsgemäße Vorrichtung durch hohp Temperaturen wenig beeinflußt und liefert einen gleichmäßigen Kühlluftstrom und ist kostengünstig herstellbar und relativ leicht genau montierbar.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. F i g. 1 zeigt ein bekanntes Flammrohr mit einer gestaffelten Wand.

F i g. 2 zeigt eine weitere bekannte Ausführungsform eines Flammrohrs.

Fig.3 zeigt einen Teillängsschnitt de"· Flammrohrs . gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
ν F i g. 4 zeigt eine vergrößerte auseinandergezogene ^perspektivische Ansicht eines Teils des Flammrohrs gemäß Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt einer Brennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Brennkammerauskleidung bzw. ein Flammrohr, bei dem kurze Segmente 10 derart zusammengeführt sind, daß das stromaufwärtige Ende 11 eines Segmentes einen Endabschnitt 12 des unmittelbar stromaufwärts gelegenen Segmentes überlappt. Jedes Segment 10 ist aus einem Material mit praktisch konstanter Dicke gebildet und umfaßt ein stromaufwärtiges Ende 11, eine Auswölbung 13, einen Zwischenabschnitt 14. einen überlappten Abschnitt 12 und einen stromabwärtigen Abschnitt 16. In der Auswölbung 13 ist eine Öffnung 17 vorgesehen, um den Luftstrom von der Außenseite der Flammrohrwand zur Innenseite derselben gemäß den gezeigten Pfeilen zu leiten, um eine Filmkühlung der Flammrohrwand zu unterstützen. Das stromabwärts gelegene Ende 16 jedes Segmentes ist von dem ausgewölbten Abschnitt des benachbarten, stromabwärtigen Segmentes so eingeschlossen, daß zwischen den Segmenten ein Ringspalt 18 gebildet wird zur Richtung des in die Öffnung 17 eintretenden Luftstroms entlang der inneren Oberfläche in einem kontinuierlichen Strom, um einen Luftfilm zwischen der Wand und der eingeschlossenen Verbrennungszone zu bilden. Wenn die eintretende Luft durch den Ringspalt 18 hindurch zum stromabwärtigen Abschnitt 16 strömt, dann nimmt die Wirkung des Kühlfilms zunehmend ab und der Endabschnitt 16 wird leicht überhitzt. Die daraus resultierende höhere Temperatur am Endabschnitt 16 verursacht eine Ausdehnung desselben radial nach außen, wie dies durch die gestrichelte Linie in F i g. 1 gezeigt ist, und hierdurch zu einer Verengung des Ringspaltes 18. Dies führt zur Verringerung des Kühlstroms im Ringspalt 18 und zu einer weiteren Überhitzung.

Fig. 2 zeigt ein weiteres bekanntes Flammrohr 21, das mit einem spanabhebend bearbeiteten Ring versehen ist. Das Flammrohr 21 ist aus einem schweren Schmiedestück 22 durch spanabhebende Bearbeitung in eine Form gebracht, in der bevorzugte verdickte Bereiche vorhanden sind, um thermischen Belastungen zu widerstehen, die sich aus einer verminderten Wirkung des Kühlluflstromes ergeben. Weiterhin besitzt es bevorzugte dünne Bereiche zur Vermeidung eines übermäßig großen Gesamigewichtes des Triebwerkes. Auf diese Weise wird das Problem der Verwerfung der Ringe 23 am Ringspal) überwunden, da die Ringe 23 stärker ausgeführt werden können, um den thermischen Belastungen zu widerstehen. Da der Ring 23 relativ kurz ist, kann er von seinem Austrinkende 24 bis zur Basis 26 beträchtlich dicker ausgeführt werden als in der Ausführung nach Fig. 1. In ähnlicher Weise kann die Auswölbung 27 gemäß F' g. 2 in der die

ic Öffnungen 28 gebildet sind, wesentlich dicker ausgeführt werden, um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erhalten. Gleichzeitig kann der Zwischenteil 29 beträchtlich dünner ausgeführt werden, um das Gcamtgewicht der Verkleidung zu verringern.

Obwohl das Betriebsverhalten der Anordnung mit spanabhebend bearbeitetem Ring zufriedenstellend ist, ist das Herstellungsverfahren kostspielig, da bei der spanabhebenden Bearbeitung der größte Teil des Schmiedestückes als Abfall anfällt. Weiterhin sind die benötigten spanabhebenden Bearbeitungen einschließlich des Bohrens der Öffnungen 28 bedeutend kostspieliger als die Herstellung der einzelnen Segmente gemäß der Anordnung nach Fig. 1.

F i g. 3 zeigt eine Brennkammerauskleidung bzw. ein Flammrohr 31 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Flammrohrwände 32. die vorzugsweise aus einem Metaliblech konstanter Dicke in aufeinanderfolgenden Stücken hergestellt sind, weisen Zwischenteile 33, sich erweiternde Übergangsabschnitte 34, ausgewölbte Teile 36 und Spaltteile 37 auf. In den Auswölbungen 36 könnten entweder vor oder nach der Formgebung Kühlöffnungen 38 durch ein einfaches bekanntes Verfahren gebildet werden, beispielsweise durch Ausstanzen oder ähnliche Verfahren.

Die Ringe 39 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind einzeln und getrennt von den Flammrohrwänden 32 hergestellt und sind mit diesen an den jeweiligen Übergangsabschnitten 34 verbunden. Sie werden durch ein bekanntes Verfahren.

beispielsweise durch Walzen oder Extrudieren, in einem Ring hergestellt, der eine bedeutend größere Dicke als die Flammrohrwände 32 besitzt, wodurch ein Materialabfall wie bei der bekannten Konstruktion nach Fig.2 auf ein Minimum reduziert oder gänzlich vermieden wird.

F i g. 4 zeigt die Flammrohrwand 32 und den Ring 39 getrennt voneinander. Es wird deutlich, daß der Ring 39 einen Endteil 41 aufweist, der zusammen mit dem Spaltteil 37 der Flammrohrwand den Kühlspalt begrenzt, der zur Ausrichtung des über die Kühlöffnungen 38 eintretenden Luftstroms dient. Weiterhin enthält der Ring einen Befestigungsabschnitt 42, der einen Übergang zu einer größeren Dicke bildet und sich dann zu einer Schneide 43 (Fig. 3) verjüngt, wodurch eine ebene Fläche 44 zum Eingriff mit dem Übergangsabschnitt 34 der Flammrohrwand 32 erhalten wird. Der Übergangsabschnitt 34 ist in ähnlicher Weise in einer Ebene geformt, so daß beide ebenen Teile 34, 44 leicht zusammengebaut werden können, um einen festen Sitz für eine leichte Verbindung durch Hartlöten oder ähnliche Verfahren zu bilden. Dabei kann der Ring 39 gemäß dem Pfeil in Fig.4 so lange entlang der Ebene verschoben werden, bis der gewünschte feste Sitz zwischen der Flammrohrwand und dem Ring erreicht ist.

Fig.5 zeigt für eine bessere Erläuterung eine typische Ringbrennkammer 51 für Gasturbinen-Triebwerke. Eine äußere Brennkammergehäusewand 52

begrenzt zusammen mit einer Flammrohrwand 31a gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen äußeren Kühlluftkanal 53. In ähnlicher Weise begrenzt eine innere Gehäusewand 54 zusammen mit einer weiteren Flammrohrwand 310 einen radial inneren ί Kühlluftkanal 56. Die Verbrennungszone 57 wird durch die Flammrohrwände 31.7 und 316 und durch einen stromauf gelegenen Dom 58 gebildet, welcher mit der Brennstoffdüse 59 zusammenwirkt, durch welche der Brennstoff für die Verbrennung in die Verbrennungszo- i» ne eingeleitet wird. Zwischen axialen Verlängerungen 61 bzw. 62 der Flammrohrwände 31a bzw. 3\b ist ein Luft/Brennstoff-Einlaß 60 gebildet. Die Brennkammer besitzt allgemein einen bekannten Aufbau und arbeitet wie folgt. Stromaufwärts von der Verbrennungszone 57 ι > wird ein Strom atmosphärischer Luft mit Hilfe eines nicht gezeigten Verdichters verdichtet, und teilweise in die Kühlluftkanäle 53 und 56 und auch in den Brennstoff/Luft-Einlaß 60 geleitet. Die Brennstoffmenge wird mit einem Teil der in den Brennstoffeinlaß 60 2» eintretenden Luft gemischt und im Inneren der Verbrennungszone 57 gezündet. Die rasche Ausdehnung der verbrennenden Gase innerhalb der Flammrohrwände 3 la und 31 b führt dazu, daß die Gase aus der Verbrennungszone 57 durch einen Auslaß 16 in die Turbine 64 eintreten.

Somit bilden die Flammrohrwände 31a und 31£> ein ringförmiges axial durchgehendes Flammrohr mit einer Vielzahl von darin angebrachten Ringen 39. Jeder Ring 39 kann gemäß der Darstellung in Fig.4 axial verschoben werden, um einen festen Sitz auf dem zugehörigen Flammrohr zu erhalten. Die endgültige Befestigung erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise durch Hartlöten oder ähnliche Verfahren.

Die Kühlluftzuführvorrichtung ist nicht nur für Ringbrennkammern sondern beispielsweise auch für rohrförmige Brennkammern geeignet, bei denen eine einzige Verkleidung zur Begrenzung einer Verbrennungszone verwendet und der Brennstoff praktisch entlang der Achse der Brennkammer eingespritzt wird. In diesem Brennertyp ist selbstverständlich nur eine einzige Flammrohrwand mit zahlreichen Ringen Vorhanden, die praktisch in der gleichen Weise zusammengebaut werden, wie dies für die Flammrohrwände bei der Ringbrennkammer beschrieben wurde.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise können die Kühlöffnungen 38 in beliebiger Weise hergestellt werden, und es kann eine Vielzahl auf dem Umkreis beabstandeter Öffnungen in der Flammrohrwand gebildet werden. Die Kühlluft kann auch über einen durchgehenden Umfangsschlitz in das Flammrohrinnere eintreten. Weiterhin kann der Spaltteil 37 der Flammrqhrwände so ausgebildet sein, daß er stärker mit dem Übergangsteil 33 ausgerichtet ist, so daß durch eine axiale Verschiebung der Ringe 39 zur Herstellung eines Festsitzes die allgemeine Abmessung des Ringspaltes nicht wesentlich verändert wird, welcher durch den Spaltteil 37 und den Ring 39 begrenzt wird. Es können auch anstelle der beschriebenen geschlossenen Ringe 39 Ringsegmente verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Zuführung von Kühlluft in das Flammrohr von Gasturbinenbrermkammem

— 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 Auswölbungen des Flammrohrs im Bereich der Öffnungen nach außen in die Kühlluftkanäle,

— mit Ringen, die im Flammrohrinneren an den Flammrohrwänden stromauf der Auswölbungen befestigt sind, sich stromab über die Auswölbungen hinaus erstrecken und an ihrem stromabwärtigen Ende mit den Flammrohrwänden Ringspalte zum Auslaß eines Kühlluftfilms entlang den Innenseiten der Flammrohrwände bilden,