DE2630629A1 - Schichtkoerper, insbesondere fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents

Schichtkoerper, insbesondere fuer gasturbinentriebwerke

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DE2630629A1 DE19762630629 DE2630629A DE2630629A1 DE 2630629 A1 DE2630629 A1 DE 2630629A1 DE 19762630629 DE19762630629 DE 19762630629 DE 2630629 A DE2630629 A DE 2630629A DE 2630629 A1 DE2630629 A1 DE 2630629A1
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Description

Patentanwälte Dip! -Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
T. Juli 1976
Unser Zeichen: 15 573 - K/Ap
Rolls-Royce (1971) Limited, London / England
Schichtkörper, insbesondere für Gasturbinentriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtkörper, der insbesondere zur Benutzung in Verbindung mit den hohen Temperaturen ausgesetzten Teilen eines Gasturbinentriebwerks anwendbar ist» jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkte
Um den Schub und den Brennstoffverbrauch bei Gasturbinenstrahltriebwerken zu verbessern, d.ho zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades ist es erforderlich,, höhere Kompressordrücke und höhere Verbrennungstemperaturen zu benutzen«, Höhere Kompressordrücke bewirken höhere Kompressorauslaßtemperaturen und höhere Drücke in der Brennkammer und dies führt zu beträchtlich erhöhten Temperaturen, denen die Flammrohrwandungen ausgesetzt sind. Es ist daher nötig, die Flammrohrwände aus einem Werkstoff herzustellen, der diesen erhöhten Temperaturen standhalten kann und der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Material zur Verfügung zu stellen, welches höheren Temperaturen standhalten kann als die üblicherweise bei Brennkammern eines Gasturbinenstrahltriebwerks verwendeten Werkstoffe,
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Gemäß der Erfindung weist der aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Blechen bestehende Schichtenkörper ein Blech auf, das mit mehreren im Abstand zueinander liegenden Perforationen versehen ist und die beiden Bleche sind durch eine Vielzahl wärmeleitender Abschnitte verbunden, die am perforierten Blech zwischen den Perforationen ansetzen, wodurch das durch die Perforationen strömende Kühlmittel zwischen den beiden Blechen ausgebreitet wird und stromab der Perforationen und der wärmeleitenden Teile austritt.
Die wärmeleitenden Verbindungsteile können einstückig mit dem perforierten Blech oder mit dem anderen Blech hergestellt sein, oder sie können stattdessen getrennt hergestellt und mit den beiden Blechen verbunden sein.
Die w'ärmeleitfähigen Abschnitte haben vorzugsweise eine gesamte Querschnittsfläche in der Ebene des Schichtenkörpers betrach-" tet, die zwischen etwa 30 und 6c$ der Querschnittsfläche des Schichtenkörpers pro Flächeneinheit besteht.
Vorzugsweise liegt jeweils ein wärmeieitfähiger Abschnitt benachbart zu jedem Perforationsloch des perforierten Bleches.
Die Perforationslöcher können irgend eine geeignete Gestalt aufweisen, jedoch sind die Löcher vorzugsweise kreisförmig.
Vorzugsweise sind die Löcher symmetrisch angeordnet und es ist ein wärmeieitfähiger Abschnitt zwischen benachbarten Löchern vorgesehen.
Die wärmeleitfähigen Abschnitte sind vorzugsweise so gestaltet, daß eine Reihe von in besonderer Weise gestalteten Durchtritten gebildet wird, die zwischen den beiden Blechen verlaufen und diese Durchtritte sind so angeordnet, daß ein Kühlmittel das
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durch die Perforationslöcher eintritt, über die Länge des Schichtenkörpers zwischen den zwei Blechen entlanggeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, welche mit einem Schichtenkörper gemäß vorstehender Kennzeichnung ausgerüstet
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Pig. I eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Schichtenkörpers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform eines Schichtenkörpers nach der Erfindung;
Fig. 3 eine Teilschnittansicht einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, deren Wand aus einem Schichtenkörper gemäß der Erfindung besteht;
Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 4 gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 5 gemäß Fig, 2;
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 gemäß Fig. 5;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, deren Wandung aus einem Schichtenkörper gemäß der Erfindung besteht.
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Der Schichtenkörper gemäß Figur 1 besteht aus einem ersten Blech 10, welches mit einer Vielzahl von Perforationslöchern 12 versehen ist und aus einem zweiten Blech 14, welches gegenüber dem ersten Blech durch eine Vielzahl warmeleitfähiger Stege 16 verbunden ist.
Die Perforationslöcher 12 und die Stege 16 sind symmetrisch angeordnet und nicht aufeinander ausgerichtet, so daß die Löcher 12 mit den Flächen zwischen den Stegen 16 in Verbindung stehen. Die Löcher 12 werden vorzugsweise durch elektrochemische Bearbeitung erzeugt und die Stege können getrennt hergestellt und hart mit den Blechen 10 und 14 verlötet, oder durch Vakuumdiffusion verbunden werden. Stattdessen können die Stege 16 einstückig mit dem Blech 10 oder dem Blech 14 auch zusammen mit den Löchern 12 durch elektrochemische Bearbeitung hergestellt werden und es kann dann das zweite Blech aufgelötet oder auf andere Weise befestigt werden. Es bestehen dann keine Schwierigkeiten bezüglich der Ausrichtung der Bleche.
Jeweils ein Steg 16 liegt benachbart zu jedem Loch 12 und jeder Steg besitzt einen dreieckigen Querschnitt, wie aus Figur 4 ersichtlich.
Es ist beabsichtigt das Blech 14 als Flammrohrwandung zu benutzen und der heißen Zone, beispielsweise den Brenngasen in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks auszusetzen und das Blech 10 wird mit Kühlluft gespeist. Die Kühlluft tritt dann durch die Löcher 12 aus und trifft auf die Oberfläche des Bleches 14, so daß das Blech 14 gekühlt wird. Die Kühlluft strömt dann zwischen den beiden Blechen in Richtung der Pfeile gemäß Figur 4 ab und die Gestalt der Stege ist derart, daß die Luftströmung die Luftströmung durch benachbarte Löcher nicht stört. Da die Stege 16 eine hohe Wärmeleitfähig-
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keit besitzen, wird weitere Wärme von dem Schichtenkörper durch die Kühlluftströmung am Blech 10 entlang und entlang der Seiten der Stege abgeführt, die scharfe Ränder aufweisen können, welche als Grenzschichtfallen wirken. Die Kühlluft wird schließlich durch einen geeigneten Raum 18 am Ende des Schichtenkörpers abgelassen.
Die Verbindungsstege erfüllen demgemäß mehrere Punktionen: Sie wirken als Abstandshalter zwischen den Blechen 10 und 14 und ermöglichen es, dem Schichtenkörper jede gewünschte Gestalt zu verleihen und sie verhindern außerdem, daß der Spalt geschlossen wird wenn der Schichtenkörper einer hohen Hitzebelastung ausgesetzt ist;, die Verbindungsstege verhindern außerdem Störungen der auf das zweite Blech 14 auftreffenden Kühlluftstrahlen durch die sich ergebende Kreuzströmung und sie leiten Wärme von dem heißen Blech 14 auf das kalte Blech 10 über, wodurch ein Ausgleich der Temperaturen der Bleche 10 und 14 bewirkt wird. Dies führt zu zwei wichtigen Vorteilen. Erstens wird die Kühlrate vergrößert, weil die Kühlluft sowohl über der Oberfläche des Bleches 10 und in dem Spalt zwischen den Blechen 10 und 14 nunmehr an dem vergleichsweise heißen Blech 10 abströmt. Bei Wegfall der wärmeleitfähigen Stege 16 würde das Blech 10 auf einer der Kühllufttemperatur näherstehenden Temperatur verbleiben. Zweitens vermindert das verkleinerte Temperaturdifferential zwischen den Blechen 10 und 14 die Möglichkeit der Störung und Verwerfung des Schichtenkörpers durch different!eile thermische Ausdehnung.
Figur 2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall sind die Stege 16 im Querschnitt d.h. in der parallel zu den Blechen verlaufenden Querschnittsebene größer und sie besitzen eine verbesserte Gestalt im Hinblick auf eine Verhinderung einer Störung zwischen den Luft-
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strahlen, die durch die Löcher 12 als Aufprallkühlluftstrahlen hindurchtreten. Die Stege bilden eine Reihe von besonders gestalteten Durchtritten dazwischen (vgl. Fig. 5)* die die Kühlluft über die Länge des Schichtenkörpers zwischen die Bleche leiten. Es hat sich gezeigt, daß die Stege am wirkungsvollsten sind, wenn sie eine Fläche zwischen etwa 30$ bis 60% der Bleche bedecken.
Figur 3 zeigt den Querschnitt eines Teils eines Flammrohres eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einer Wandung aus dem erfindungsgemäß aufgebauten Schichtenkörper. Diese Wandung besteht aus dem kühlen Blech 10 des ersten Abschnitts der Wand, das mit dem heißen Blech 15 des benachbarten stromabwärtigen Abschnitts des Schichtenkörpers verbunden ist oder verbunden wird. Durch diese Anordnung wird bewirkt, daß Kühlluft die aus dem Raum 18 austritt, benutzt wird um einen Kühlluftfilm längs der heißen Seite des Bleches 15 des Schichtenkörpers zu bilden. Es können Verdünnungsluftlöcher 20 im Schichtenkörper vorgesehen werden, und zwar ähnlich wie bei Flammrohren, die aus herkömmlichen Materialien gefertigt sind.
Es ist ersichtlich, daß der Schichtenkörper für zahlreiche Anwendungszwecke anwendbar ist, wo eine Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen erforderlich ist und daß eine einfache Kühlung mit Luft ermöglicht wird. Die Bleche 10 und 14-können aus irgendeinem hochtemperaturfesten Material, z.B. einer Nickellegierung hergestellt sein.
Figur 7 veranschaulicht einen Schnitt der Brennkammer 30 eines Gasturbinenstrahltriebwerks, die ein Flammrohr 34 aufweist, welches in der gleichen Weise wie aus Figur 3 ersichtlich, gestaltet ist. Komprimierte Luft wird der Brennkammer 30 von einem nicht dargestellten Kompressor über eine Leitung 32
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zugeführt, die ringförmig oder rohrförmig sein kann· Ein Teil der Luft tritt in das Flammrohr 34 ein und ein Teil tritt in den Raum 36 zwischen Flammrohr 32I- und Außengehäuse 38 der Brennkammer ein. Die erstere Luft wird zur Verbrennung innerhalb des Flammrohres benutzt, während die letztere benutzt wird, um die Wände des Flammrohres 32I- zu kühlen und um die Luft zu verdünnen, die durch die Löcher 20 in das Flammrohr 32I- abströmt.
Patentansprüche :
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Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Schichtenkörper bestehend aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Blechen, zwischen denen ein Kühlmittel strömen kann, und die über eine Vielzahl wärmeleitfähiger Stege verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur eines der Bleche mit einer Mehrzahl von Perforationslöchern versehen ist, die zwischen den wärmeleitfähigen Stegen angeordnet sind, wodurch beim Durchtritt einer Kühlströmung durch die Kühllöcher dieses Kühlmittel zwischen die beiden Bleche einströmt und an einer Steile stromab der Perforationslöcher und der ifärme-1erbfähigen Stege abströmt.
  2. 2. Schichtenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Stege einstückig mit einem der Bleche hergestellt sind«,
  3. 3. Schichtenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Stege getrennt hergestellt und mit den beiden Blechen verbunden werden.
  4. 4· Schichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3*
    dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Stege eine Gesamtquerschnittsfläche parallel zur Ebene der Bleche einnehmen, die im wesentlichen 30 bis 60$ der Fläche des SchiGhtenkörpers pro Flächeneinheit beträgt·
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    — Q -
  5. 5. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeleitfähiger Steg benachbart zu jedem Perforationsloch des perforierten Bleches liegt.
  6. 6. Sohichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationslöcher kreisrund gestaltet sind.
  7. 7. Schichtenkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher symmetrisch angeordnet sind,und daß jeweils ein wärmeleitfähiger Steg zwischen benachbarten Löchern befindlich ist.
  8. 8. Schichtenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Stege so gestaltet sind, daß eine Reihe von in besonderer Weise gestalteten Durchtritten zwischen zwei Blechen gebildet wird, die eine Kühlluftströmung, die durch die Perforationslöcher eintrifft, in Längsrichtung des Schichtenkörpers zwischen den zwei Blechen richten.
  9. 9. Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Schichtenkörper gemäß den Ansprüchen bis 8 benutzt wird.
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    Ao
    Leerseite
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