DE2628529A1

DE2628529A1 - Laminiertes, poren enthaltendes metallblech und aus diesem hergestellte waermebeanspruchte bauteile

Info

Publication number: DE2628529A1
Application number: DE19762628529
Authority: DE
Inventors: Charles Daniel Carroll
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1975-07-24
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-02-03
Also published as: GB1513972A; JPS5229462A; US4004056A; CA1071087A

Description

Patentanwalt ^ DIpWnfl. K. WaHfcer

L^ ι beruh ie ■ & — 2628529

ε Bottvar«Ue«9 Tel 804 42 M

W/Vh-3155 24.6.76

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Laminiertes, Poren enthaltendes Metallblech und aus diesem hergestellte wärmebeanspruchte Bauteile

Die Erfindung bezieht sich auf ein laminiertes, Poren enthaltendes Metallblech, das durch hindurchtretende Luft durch Konvektion gekühlt wird und an dessen einer Wärmequelle ausgesetzter Seite ein abschirmender turbulenter Gasstrom gebildet wird sowie aus einem derartigen Blech hergestellte durch Wärme beanspruchte Bauteile.

Derartige Metallbleche sind beispielsweise durch die US-PS 3 584 972 und 3 698 834 bekannt. Es werden dort Bleche aus Schichten zusammengesetzt, in denen nach einem bestimmten Muster Löcher und Nuten durch Ätzen eingebracht

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werden, um die Kanäle für die hindurchtretende Luft zu "bilden. Ein wesentliches Anwendungsgebiet derartiger Metallbleche

ist im Gasturbinenbau gegeben, wo Turbinenleit- und -laufschaufeln aus solchen Blechen hergestellt werden, ferner aber auch andere hohen Temperaturen ausgesetzte Bauteile gefertigt werden, wie beispielsweise Flammrohre von Brennkammern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein laminiertes, Poren enthaltendes Metallblech der eingangs erwähnten Art in einfacher Weise mit guter Festigkeit und hoher Kühlfähigkeit zu erhalten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das

Blech aus zwei mit ihren Grossflächen gegeneinander anliegenden und in diesen miteinander verbundenen S_chichten besteht, dass in der inneren Grossfläche der der Wärmequelle zugewandten Schicht eine Vielzahl von kurzen Nuten in ihrer Längsrichtung in im wesentlichen zueinander parallelen Reihen und an den einen Enden der kurzen Nuten Austrittslöcher zur anderen Grossfläche vorgesehen sind, dass in der inneren Grossfläche der anderen Schicht eine Mehrzahl von Nuten gebildet ist, deren jede mit dem dem Austritts ende abgewandten Ende zweier in benachbarten Reihen liegenden kurzen Nuten in Verbindung steht

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und in deren Mitte ein Eintrittsloch von der äusseren Grossfläche dieser Schicht mündet, wobei die Anordnfcig so getroffen ist, dass die durch das Blech hindurchtretende Luft aus den Austrittslöchern in einem beträchtlichen spitzen Viinkel zur Normalen des Blechs austritt.

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einlassenden der kurzen Nuten und die Austrittslöcher in jeder Reihe so angeordnet sind, dass die Luft in einer Richtung geneigt austritt und dass die Richtung in einander benachbarten Reihen zueinander entgegengesetzt ist_o Die an der Austrittsfläche gebildete Schutzschicht weist hierdurch eine gewisse Turbulenz in ihrer Strömung auf.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Austrittsrichtung in allen Reihen die gleiche, so dass eine nahezu laminar strömende Schutzschicht gebildet wird.

Durch die Verwendung nur zweier Schichten zur Bildung des Metallbleches wird eine ausreichende mechanische Festigkeit erreicht, da für die Schichten relativ dickes Materia gewählt werden kann und ferner die Verbindung nur zweier Schichten eine billige Herstellung ergibt. Durch die verhältnis- mässig langen und zahlreichen Luftkanäle im Blech wird eine gute Kühlung erzielt; durch die Auetritterichtung der Luft kann, wie bereite erwähnt, eine gewünschte Schutzechitht neben der

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der Wärmequelle liegenden Aussenfläche gebildet werden. Schliesslich sind die Luftkanäle durch systematische Anordnung

ihrer Teilabschnitte im »^Verfahren leicht herstellbar.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Flammrohrs einer Brennkammer für Gasturbinen,

Fig. 2 eine vergrösserte Draufsicht auf ein Metallblech nach der Erfindung mit zum Teil weggeschnittenen Pfeilen,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Metallblechs mit zum Teil weggeschnittenen Teilen,

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 in Fig. 5 und Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig· 5.

Flammrohre von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, sind beispielsweise in den US-PS^fn 3 267 674 und 3 490 746 beschrieben. Der Einbau

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des Flammrohrs in die Brennkammer ist an sich bekannt und ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung. Das Flammrohr 10 gemäss Fig. 1 besteht aus einem schwach kegligen Mantel 11 kreisförmigen Querschnitts und ■ einer Stirnwand 12. Diese beiden Teile v/erden aus laminiertem, ! Poren enthaltenden Metallblech gemäss der Erfindung hergestellt. j Sie sind längs einer Schweissnaht 14 stumpf miteinander verschweisst.Das Flammrohr enthält ferner einen Auslassring 15 aus hochtemperaturbeständigem Metallblech, das keine Poren ent-

\ hält, und das längs einer Schweissnaht 16 mit dem Mantel 11 !
stumpf verschweisst ist. Im Bereich der Mitte der Stirnwand 12 ist ein Fitting 18 angeschweisst, der aus einem Flansch 19 besteht, der gegen die Stirnwand anliegt, sowie Gewindezapfen 20, mit denen das Flammrohr in der Brennkammer befestigt wird.

! Der Fitting enthält eine öffnung 22 zur Aufnahme einer nicht

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dargestellten Brennstoffeinspritzdüse, ebenso ist eine nicht dargestellte Öffnung für eine Zündanlage zum Einleiten der Verbrennung vorgesehen. Die Stirnwand 12 enthält zwei Kränze von Schlitzen 23 und 24, durch die.Brennluft in das Flammrohr eintritt und verwirbelt wird. Im Mantel 11 ist ein Ring von Büchsen 26 eingeschweisst, der nach innen gerichtete Einlassöffnungen darstellt. Sekundär- oder Zumischluft wird durch einen Kranz von grossen Öffnungen 27 gebildet, die in den

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Mantel 11 eingestanzt sind, wobei der Rand 28 der Löcher leicht nach innen umgebördelt ist,

In bekannter Weise wird während des Betriebes

durch die stirnseitigen Schlitze und die Büchsen 26 eintretende Luft mit dem eingespritzten Brennstoff vermischt und die Verbrennung eingeleitet, worauf durch die grossen Öffnungen 27 Luft zugemischt wird, um die Brenngase auf eine für den Betrieb der Gasturbine geeignete Temperatur abzukühlen. Da in dem Flammrohr eine sehr intensive Verbrennung erfolgt, müssen der Mantel 11 und die Stirnwand 12 gut gekühlt werden, da sie einer grossen Wärmestrahlung ausgesetzt sind.

Üblichörweise werden die Wände von Flammrohren durch Luftschleier gekühlt, die über die innere Fläche der Wandung geleitet werden. Ferner ist aber auch bekannt, Luft durch Poren der Wandung hindurchzuleiten, um diese zu kühlen. Schliesslich ist auch bekannt, einen Luftschleier an der Aussenfläche des Flammrohrs vorzusehen oder Kühlluft durch Kanäle zu leiten, die in doppelwandigen Flammrohren gebildet sind.

Bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung wird die Wandung aus Poren enthaltendem Blech gebildet, wobei zahlreiche kleine Austrittslöcher mit zahlreichen Eintrittslöchern

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in Verbindung stehen. Die Luft wird hierbei innerhalb der Flammrohrwand in gewundenen Wegen vom Einlass zum Auslass geleitet, um einen hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zwischen der Wandung und der Kühlluft zu erzielen. Ferner tritt die Kühlluft in einem spitzen Winkel zur Wandung aus und bildet eine Schutzschicht zwischen der Wandung und dem innerhalb des Flammrohrs abbrennenden Gemisch.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäss den Fig. 2-4, die das verwendete Metallblech in etwa 10-facher Vergrösserung gegenüber der Fig. 1 darstellen, besteht das Metallblech 30 aus zwei Schichten 31 und 32, wobei die Schicht 31 an der Innenseite des Flammrohrs gemäss Fig.l liegt und somit der intensiven Verbrennungswärme ausgesetzt ist. Die andere Schicht 32 wird von Luft in der Brennkammer mit etwas höherem Druck als innerhalb des Flammrohrs bespült, so dass durch die in dem Metallblech 30 gebildeten Poren ein Kühlungsstrom in das Innere des Flammrohrs eintritt. Die äussere Grossfläche der Schicht 32 enthält eine grosse Anzahl von Löchern 34, die in rechteckiger Anordnung zueinander vorgesehen sind und in die Mitte je einer Nut 35 in der inneren Grossfläche dieser Schicht münden. Die Nuten 35 dienen als Strömungsweg für Luft von den Löchern 34 zu den Kanälen in der anderen Schicht 31. Die Längsachse der Nuten 35 liegt in

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Richtung der Diagonale eines Vierecks, das durch vier benach- ; barte Löcher 34 gebildet wird. Die Schicht 31 hat an der inneren Fläche, die gegen die andere Schicht 32 anliegt, in

rechteckiger Anordnung kurze Nuten 36» die in ihrer Längsrichtung ausgerichtet in zueinander parallelen Reihen 38 und 39

; vorgesehen sind. Wie Fig. 2 erkennen lässt, liegt das linke Ende jeder Nut 36 in den Reihen 38 über einer Nut 35, wodurch

■ ein Einlass von der Nut 35 zur Nut 36 gebildet ist. Die Nuten in den anderen Reihen 39 haben ihren Eintritt am rechten Ende

' der Nut (Fig. 2). Durch die Löcher 34 eintretende Luft fliesst

daher in zwei Richtungen durch die Nuten 35 und 36, wobei jede ; entgegengerichtete Reihen von Nuten miteinander verbinden. j Jede Nut 36 hat an dem Ende, das der Verbindung mit einer Nut 35 gegenüberliegt, ein zur anderen Grossfläche der Schicht 31 führendes Austrittsloch 40. Da die Strömungsgeschwindigkeit durch die kurzen Nuten 36 beträchtlich ist, behält die austretende Luft eine parallel zur Oberfläche des Metallblechs gerichtete Komponente, so dass der Austritt durch die Austrittslöcher 40 mehr oder weniger geneigt in Richtung des Pfeiles in Fig. 3 erfolgt. Wie die Zeichnung erkennen lässt, wird die Luft aus den Austrittslöchern 40 der Reihe 39 mit einer nach links gerichteten Komponente austreten, während der Austritt aus den Austrittslöchern 40 der Reihe 38 in entgegengesetzter Richtung, also nach rechts in Fig. 2 erfolgt.

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Wie Fig. 2 erkennen lässt, bedecken die

Nuten einen beträchtlichen Bereich des Metallblechs, so dass verhältnismässig nur kleine Flächen zwischen diesen verbleiben. Das AusmaHH der Kühlung kann durch entsprechende Querschnittsbemessung der Nuten 35 und 36 oder durch eine entsprechende

j Verteilung der Nuten erreicht werden. Ebenso kann die Strömungsgeschwindigkeit durch die Wahl der Löcher 34- oder 40 beeinflusst werden. Die Nuten und die Löcher werden zweckmässig durch Fotoätzen gebildet und die so vorbereiteten Schichten dann durch Diffusionsverbund miteinander verbunden, wie dies beispielsweise in der US-FS 3 584 972 beschrieben ist.

Abmessungen der beschriebenen Ausführungsform sind folgende: Die Schicht 31 hat eine Dicke von etwa 0,5 mm,

j die Schicht 32 eine Dicke von etwa 0,8 mm. Die Löcher 34 haben 0,9 mm Durchmesser, welche Breite aua) d<£j&. Nuten 35 aufweisen, die Tiefe der Nuten 35 beträgt o,6 mm. Die kurzen Nuten 36 sind etwa 0,35 mm tief und 0,75 mm breit. Insgesamt sind 16 Austrittslöcher ,je Quadratzentimeter vorgesehen.

Dadurch, dass die Luft aus den Austrittslöchern

j der Reihen 38 im wesentlichen nach rechts und in den Reihen

im wesentlichen nach links austritt, gibt es zwischen den einzelnen gebildeten Schichten eine Scherwirkung, wodurch eine

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geringe Turbulenz in Gestalt einer Vortexströmung neben der Oberfläche des Metallblechs 30 entsteht. Dies erhöht die Kühlwirkung an der Oberfläche und verhindert das mögliche Ansetzen von Fremdkörpern an der Oberfläche des Flammrohrs. So züge-

teilte Luftlsnn in geringem Ausmasse am Verbrennungsprozess ' teilnehmen, sie verbleibt aber im v/es entlichen im Bereich
_] der Wandung und wird erst zusammen mit der Zumischltift in d.ie ' Brenngase eintreten. Dies ergibt sich aus der sehr geringen Grosse der aus den Austrittslöchern 40 austretenden Luftstrahlen ¹ Das erfindungsgemässe Prinzip ist aber auch

! bei Metallblechen anwendbar, bei denen die gesamte Luft in
¹ gle^-icher Richtung parallel zur Oberfläche des Metallblechs ! austritt. Ein Metallblech mit diesen Eigenschaften ist in den iFig. 5-7 dargestellt. Das Metallblech 50 besteht hier
iwiederum aus zwei Schichten 51 und 52. Die im Flammrohr aussenliegende Schicht 52 hat an der aussenliegenden Grossfläche
Löcher 54 in rechteckiger Anordnung, die in der Mitte von Nuten 55 liegen, die in der inneren Grasfläche gebildet sind. Die Enden der Nuten 55 haben Verbindung mit dem einen Ende von kurzen Nuten 56 in der Innenfläche der anderen Schicht 51.
Die kurzen Nuten 56 sind an dem den Nuten 55 abgewandten Ende über Austrittslöcher 60 mit der Aussenfläche dieser Schicht verbunden. Bei dieser Ausbildung sind die Löcher 54 und die

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Austrittslöcher 60 im wesentlichen in rechteckiger Anordnung vorgesehen und din Strömungsrichtung ist in allen kurzen Nuten 56 die fp-leiche. Daher wird die gesamte aus den Austrittslöchern austretende Luft mit einer Komponente nach links in Fig. 5 ausströmen, wie dies der Pfeil 62 in Fig. 6 andeutet. Eine derartige Ausbildung kann für verschiedene Zwecke vorteilhaft sein. Bei einem Flammrohr kann die Richtung des Strome mit einer stromaufwärts gerichteten Komponente, einer stromabwärts gerichteten Komponente oder mit einer Umfangskomponente erfolgen oder eine Kombination dieser Strömungsrichtungen. Dies würde einen gewissen Einfluss auf den Luftstrom in das Flammrohr haben. Eine gewisse Verwirbelung kann auf diese Weise in der einströmenden Luft bewirkt werden. Die Bauform

nach den Fig. 5-7 kann auch für Turbinenleit- oder-laufschaufeln vorteilhaft sein, bei der es zweckmässig ist, wenn der austretende Kühlluftstrom in Richtung des an den Schaufeln vorbeiströmenden Treibgases erfolgt.

Die Abmessungen bei der Ausführungßform nach den Fig. 5-7 entsprechen etwa denen nach der Bauform nach den Fig. 2-4«, Die Dicke der Schichten sowie die Grosse der verschiedenen Löcher und Nuten kann den besondren Betrielisverhältnissen angepasst.gewählt werden. Die miteinander verbundenen

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¹ Schichten ergeben ein Metallblech guter Forrasteifigkeit und j können ausreichend dick gewählt werden, um im wesentlichen ! starre Bauteile zu ergeben.

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Claims

Patentansprüche

Cl, ll-cminiertes, Poren enthaltendes Metallblech, das durch hindurchtretende Luft durch Konvektion gekühlt wird und an dessen einer Wärmequelle ausgesetzter Seite ein abschirmender turbulenter Gasstrom gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (30;50) sus zwei mit ihren Grossflächen gegeneinander anliegenden und in diesen miteinander verbundenen Schichten (31;5l) und (32;52) besteht, dass in der inneren Grossfläche der der Wärmequelle zugewandten Schicht (31-51) eine Vielzahl von kurzen Nuten (36;56) in ihrer Längsrichtung in im wesentlichen zueinander

parallelen Reihen (33,39) und an den einen Enden der kurzen !
j Nuten Austrittslöcher (40;60) zur anderen Grossfläche vorge-

sehen sind, dass in der inneren Grossfläche der anderen Schicht (32;52) eine Mehrzahl von Nuten (35;55) gebildet ist, deren jede mit dem dem Austrittsende abgewandten Ende zweier in benachbarten Reihen liegenden kurzen Nuten (36;56) in Verbindung steht und in deren Mitte ein Eintrittsloch (34;54) von der äusseren Grossfläche dieser Schicht mündet, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die durch das Blech hindurch-

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tretende Luft aus den Austrittslöcliern (4θ;βθ) in einem
beträchtlichen spitzen Winkel (Pfeil 42;Pfeil 62) zur
Normalen des Blechs austritt.
2. Laminiertes Metallblech nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Gruppen von je vier
kurzen Nuten (36;56) in rechteckiger Zuordnung zueinander angeordnet sind.
3. Laminiertes Metallblech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassenden der kurzen Nuten (56) und die Austrittslöcher (40) in jeder Reihe (38,39) so
angeordnet sind, dass die Luft in einer Richtung geneigt austritt und dass die Richtung in einander benachbarten Reihen
zueinander entgegengesetzt ist.
4. Laminiertes Metallblech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassenden der kurzen Nuten (56) und die Austrittslöcher (60) in jeder Reihe so angeordnet sind, dass die Luft in einer Richtung geneigt austritt und
dass die Richtung in allen Reihen die gleiche ist.

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