DE2704530A1

DE2704530A1 - Verbrennungskammerkoerper, insbesondere fuer turboreaktor-triebwerke

Info

Publication number: DE2704530A1
Application number: DE19772704530
Authority: DE
Inventors: Jaques Emile Jules Caruel; Guy Daniel Stora
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1976-02-06
Filing date: 1977-02-03
Publication date: 1977-08-11
Also published as: GB1511827A; FR2340453B1; US4104874A; FR2340453A1; DE2704530C2

Description

Dipl.-In₉. H. MITSCHERLICH D-8 MÖNCHEN 22 Dipl.-In₉. K. GUNSCHMANN aw***»*. 10 Dr. r.r. not. W. KÖRBER * ···»·»·» Dipi.-i„₉. j. scHMiDT-EVERS 3 _{3# Pebruar 1977} PATENTANWÄLTE B* SOCIETE NATIONALE D¹ETUDES ET DE COSTRUCTION DE MOTEURS D¹AVIATION

S ·Ν ·Ε»0 «rl· A #

150_y Bd, Hauesmann,

Paris 750008.

Frankreich Pat entanme!dung

VerbrennungskammerkÖrper« insbesondere für Turboreaktor-Triebwerke.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungskammerkörper, insbesondere für Turboreaktor— Triebwerke, wobei die Kammer in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem von vorne nach rückwärts ein Luftstrom fließt, der einerseits zur Verbrennung und andererseits zur Kühlung der Körperwände dient, mit Ringkammern, deren Durchmesser von vorne nach rückwärts zunimmt und die mit einer Jeweils außen-und innenliegenden Wand doppelwandig ausgestaltet sind»

Es ist bekannt, daß die Verbrennungskammern von Turboreaktoren, deren Querschnitteform bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases etwa ringförmig oder kreisförmig ausgestaltet ist, in eine« Gehäuse mit Einlaßöffnungen für die von dem Kompressor angeliefert· Luft angeordnet sind· Der Innenraum des Kammerkörpers, der auch Flammrohr genannt wird, besitzt im vorderen Teil die Brennstoffeinspritzanlagen, sowie die Einlaßöffnungen für die Verbrennungs-Primärluft, sowie rückwärts von diesen öffnungen solche für den Einlaß von Luft für die Nachverbrennung und/oder für die Verdünnung

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Die Innenfläche der Wand, oder der Wände des Kammerkörpers ist dabei einer sehr intensiven Wärmeströmung ausgesetzt, welche erzeugt wird durch die Abstrahlung der Flammen und durch die Konvektion der von vorne nach rückwärts zirkulierenden Verbrennungsgase· Es ist daher vorteilhaft, einen Bruchteil des Sekundär-Luftstromes, das heißt desjenigen Luftstromes, der andere Punktionen als die der Verbrennung hat, zu nutzen, um den Wärmeschutz für diese Wände zu gewährleisten. Dieser Schutz durch einen Teil des Sekundär-Luftsromes kann im wesentlichen durch zwei Verfahren bewerkstelligt werden, die im übrigen und vorzugsweise simultan zur Anwendung kommen· Das erste dieser Verfahren bezieht sich auf die Kühlung durch externe Konvektion das heißt, daß die Wärme von der Wand von dem von vorne nach rückwärts um die Außenfläche herum abströmenden Sekundär-Luftstroms abgenommen wird· Das zweite Verfahren, das auch "FiImcooling",genannt wird, bedient sich zusätzlich des Effektes des WärmeSchildes· In den Wänden vorgesehene Öffnungen oder Lufteinlässe verteilen¹, entlang der Innenseite der Wände einen Teil des Sekundär-Luftstromes in Form einer Wandschicht, die eine direkte Berührung zwischen der Oberfläche und dem Verbrennungsgas verhindert. Diese Schicht, die sich im Verlauf ihrer Abströmung von vorne nach rückwärts verdünnt, muß nacheinander durch Sekundär-Luft-£inlässe erneuert werden, die über die Länge der Kammer verteilt angeordnet sind·

Der hohe Kompressionsgrad, bei dem neuere Turboreaktoren arbeiten, hat das Problem der Kühlung der Wände des Kammerkörpers erheblich schwieriger gemacht, denn je höher der Kompressionsgrad, um so höher die Eintrittstemperatur der Sekundär-Luft (600° C für ein Kompressionsverhältnis von 30) und um so höher steigt das Emissionsvermögen der Verbrennungsgase als Funktion ihres Druckes·

Zur Verbesserung des Wandschutzes sind mehrere Lösungen bekannt

Die erste Lösung besteht darin, die Anzahl der Wand-Lufteinlass zu vermehren, um den Durchsatz dieser Wandluft zu erhöhen und ihn häufiger zu erneuern. Diese Lösung ist dadurch begrenzt,

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daß der Durchsatz an Sekundärluft einen Anteil in der Größenordnung von 30-35 # des Gesamt-Durchsatzes nicht übersteigen darf, da sonst der Durchsatz an Priroär-Luf t, dessen relativer Wert um so größer sein muß, je mehr die Eingangstemperatur in die Turbine zunimmt - entsprechend der heutigen Tendenz — unzureichend wird, wie im übrigen der Durchsatz an Sekundär-Luft für die Diffusion.

Eine andere Lösung besteht darin, den Wärmeaustausch durch Konvektion dadurch zu beschleunigen, daß;man die Geschwindigkeit, also den Durchsatz, desjenigen Anteils des Sekundär-Luftstromes erhöht, der die Kammer umgibt. Dieser Durchsatz wird jedoch schnell begrenztdurch die Zunahme der Ladeverluste und durch die Unmöglichkeit, Einlaßöffnungen zu großen Durchmessers korrekt zu beschicken.

Eine weitere Lösung, bei der ebenfalls der Wärmeaustausch durch Konvektion beschleunigt wird, besteht darin, die Wärmetauscherflachen zu vermehren. So kann man beispielsweise die Außenflächen der Wände mit Flügeln versehen, jedoch ist der Aufbau dieser Flügel sehr aufwendig. Ebenso kann man den Kammerkörper durch doppelwandige Abschnitte bilden, das heißt, deren Wand oder Wände zwei Wandungen aufweisen, wobei die Wandungen jedes Wandelementes untereinander verbunden sind durch Rippen. Diese Rippen sind in Abströmrichtung angeordnet, stellen Distanzelemente dar und begrenzen längliche Kanäle, die nach vorne in den Raum zwischen dem Gehäuse und der Kammer offen sind, ebenso wie rückwärts zur Kammer hin, so daß ein-und-derselbe Luftstrom, der zunächst in den Kanälen zur Kühlung eines Abschnittes durch Konvektion strömt, dann entlang der Innenfläche des nachfolgenden Abschnittes abfließt, um eine Kühlung durch ' das sogenannte "Film-cooling·¹ zu bewirken. Die Anordnung mit doppelten Wänden bedingt jedoch zu große Luftdurchsätze, wenn man einen erheblichen Konvektions-Effekt erreichen will.

Alle bislang beschriebenen Lösungen der Kühlung durch Konvektion haben im übrigen einen schwerschwiegenden Nachteilt das Konvektionsfluid zirkuliert von vorne nach rückwärts und erwärmt

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sich auf seinem Weg durch Berührung mit einer Wand, deren Temperatur ebenfalls aufgrund der zunehmendenVerdiinming des sogenannten "Film-cooling" zunimmt,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine doppelwandige Anordnung für Verbrennungskammer-Kröper der eingangs genannten Art in Vorschlag zu bringen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem Verbrennungskammer-Körper der eingangs genannten Art vor, daß er zwischen den Ringkammern ringförmige Verbindgsteile mit im wesentlichen H-förmigem Querschnitt aufweist, vobei dessen Steg jeweils innere und äußere Schenkel verbindet, von denen jeder eine freie Kante besitzt, und daß jede freie Kante jeweils mit der außen liegenden Wand der vorgelagerten Ringkammer und der innen liegenden Wand der nachfolgenden Ringkammer einen ringförmigen und nach vorwärts gerichteten Kollektorkanal, sowie einen nach rückwärts gerichteten, ringförmigen Austrittskanal bildet, so daß der Luftstrom zunächst durch Konvektion die Außenwand, dann nach Richtungsumkehr die Innenwand kühlt und schließlich durch einen Wand-Schicht-Effekt die Innenwand . schützt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen· Die Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ist eine LÄngs schnitt ansicht eines ringförmigen Verbrenn > ungskammer-Körpers gemäß der Erfindung, stark schematisiert;

Fig· 2 zeigt einen Ausschnitt im Schnitt entlang der Linie a a in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematised in aufgerissener Darstellung einen Ausschnitt in Richtung des Pfeiles b in Fig. 1;

Fig. k zeigt in Längsschnittansicht eine andere AusfUhrungsform eines ringförmigen Verbrennungskammer-Körpers je—

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maß der Erfindung.

Zur Vermeidung von Mißverständnissen wird folgende Begriff-Vereinbarung getroffen: in einem Abschnitt des ringförmigen Kamnierkörpers bedeutet "äußere Ringkammer¹* diejenige Ring kammer mit dem größeren Durchmesser (der Ausdruck Durchmesser bedeutet dabei den mittleren Durchmesser, insofern nichts anderes bestimmt ist) und die "innere Ringkammer" ist diejenige Ringkammer mit dem kleineren Durchmesser· Da jede Ringkammer zwei Wandungen aufweist, bezeichnet die "innenliegende Wand" diejenige Wand, die den Inneraum der Kammer umschließt, das heißt das Flammrohr, und die "außenliegende Wand" ist diejenige Wand, die zum Außenraum der Kammer hinweist. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung selbstverständlich auch auf zylindrische Kammern bezieht, obwohl das beschrieben· Ausfuhrungsbeispiel sich auf eine Ringkammer besieht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 besitzt die dargestellte Singkammer in an sich bekannter Weise im vorderen Teil einen Ringboden 1, der die beispielsweise kranzförmigen Brenner 2 trägt· Die Trägerelemente für die Brenner sind nicht näher dargestellt, wie auch nicht das die Kammer umgebende Ringgehäuse und die Befestigungselemente der Kammer am Turbotriebwerk« Hinter dem Boden 1 ist in Strömungerichtung des Gases von vorne nach rückwärts ein Ringkörper 3 angeordnet, dessen Querschnitt sich in Achsrichtung erweitert und dem ein ringförmiger konvergierender Teil k folgt, welcher die Gase an die nicht dargestellte Turbine abgibt.

Der Kammerkörper 3 ist durch drei doppelwandige, außen liegende Ringkammern 31?32 und 33 gebildet, deren Durchmesser von vorn· nach rückwärts zunimmt, sowie durch drei innere oder innen liegende Ringkammern 3k, 35 und 36, die ebenfalls doppelwandig ausgestalte^ sind und deren Durchmesser von vorne nach rückwärtί abnimmt. Enteprechned den Proportionen und Ausmaßen der Kammer: kann die Anzahl der Ringkammern selbstverständlich grSßnr oder kleiner sein. Der konvergierende Teil k ist gebildet aus zwei stumpfkegeligen Ringteilen 41 und k2.

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Die Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen 1, 31» 32, 33 und *H nacheinander wird hergestellt durch Ver -.. . bindungsringe 51»52,53 und 5k, Die Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen 1, 3k, 35» 36 und kZ wird hergestellt durch Verbindungsringe 55» 56, 57 und 58* Jeder Ring besitzt einen Steg in Kronenform, der zwei zylindrische Schenkel verbindet. Der für jeden Ring getroffene Unterschied zwischen einem äußeren Schenkel und einem inneren Schenkel entspricht denselben Entscheidungskriterien wie zwischen den Wandungen ein-und-derselben Ringkammer. Der innere Schenkel der Ringe 51 und 55 erstreckt sich nach vorne und nach rückwärts von dem Steg und der äußere Schenkel erstreckt sich nach rückwärts. Die inneren und äußeren Schenkel der anderen Ringe erstrecken sich nach vorne und nach rückwärts ihrer Schenkel, das heißt, daß die Ringe einen H-förmigen Querschnitt aufweisen·

Die inneren und äußeren Wände der Ringkammern 31, 32, 33» 3^» 35 und 36 sind verbunden durch eine Vielzahl von Rippen 61, 62 63, 6k, 65 und 66, welche ebensoviele Kanäle zur Luftzirkulatloi begrenzen. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann jede Ringkammer, wie z.B. die Ringkammer 32, vorzugsweise gebildet sein aus einem Komposit-Metall-Werkstoff, dessen Wandungen 321 und 322 untereinander beabstandet sind durch ein wellenförmiges und verschweißtes Band 323 (Rippen 62 in Fig.1). Der Aufbau der Kammer wird dadurch erheblich vereinfacht und erleichtert, ohne daß dadurch ihre Festigkeit beeinträchtigt würde.

In den vorne liegenden Ringkammern 31 und 3k sind Öffnungen 81 und 82 für den Einlaß primärer Verbrennungluft vorgesehen. Die Abdichtung zwischen diesen Öffnungen und den zwischen den Wandungen ausgestalteten Kanälen wird durch eine Kante gewährleiste·*, welche von der äußeren Wand her ausgestaltet ist. In gleicher Weise sind in den rückwärtigen Ringkammern 33 und 36 Öffnungen 83 und 86 vorgesehen für den Einlaß von Sekundär-Verbrennungsluft und von Verdünnungsluft.

Wie aus Fig. 3 und aus der Schnittansicht nach Fig. 1 ersichtlich, sind die Rippen im Bereich der Einlaßöffnung ausgespart,

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so z.B. die Rippen 61 im Bereich der Ringkammer 31 um einen Strömungsdurchgang (in Richtung des Pfeiles F in Fig. 3) für Kühlluft um die die öffnung bildende Kante herum auszugestalten. Die doppelwandig Ausgestaltung des Kammerkörpers gemäß der Erfindung löst durch wirkungsvolle Kühlung das schwierige Pro» blem der Kühlung der Einlaßöffnungen mit gestürzter Kante«:

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nunmehr der Zusammenbau der Ringkammern und der Ringe erläutert. Der äußere Schenkel des Ringes 51 und die außenliegende Ringkammer des Bodens 1 haben gleichen Durchmesser und sind untereinander verschweißt· Die äußere Wand der Ringkammer 31 und der äußere Schenkel des Ringes 51 haben gleichen Durchmesser und sind ebenfalls untereinander verschweißt, wobei die Innenwand des Ringkörpers 311 die einen Durchmesser etwa gleich groß dem mittleren Durchmesser der Schenkel des Ringes 51 aufweist, in einem Abstand von dem Steg dieses Ringes endet.

Bei dem Ring 52 ist der Durchmesser seines inneren Schenkels gleich dem Durchmesser der inneren Wandung der vorgelagerten Ringkammer 31· Diese beiden Elemente sind miteinander verschweißi. Der äußere Schenkel des Ringes 52, dessen Durchmesser wesentlich größer ist, als derjenige der äußeren Wanung der Ringkammer 31» hat denselben Durchmesser wie die äußere Wandung der Ringkammer 32 und ist mit dieser verschweißt. Sein nach vorne ragender Teil übergreift von vorne die äußere Wandung der Ringkammer 31» während sein rückwärtiger Teil, der einen Durchmesser wesentlich kleiner als derjenige der inneren Wandung der Ringkammer 32 besitzt, nach rückwärts an deren Innenseite übergreift.

Die Bemessung und der Zusammenbau der Ringkammern und der Ringe, welche den Kammerkörper bilden, folgen überall der Gesetzmäßigkeit, für die oben ein Beispiel gegeben wurde. Das bedeutet, daß die vordere Kante der äußeren Wandung jeder Ringkammer verschweißt ist mit der rückwärtigen Kante des äußeren Schenkels gleichen Durchmessers des vorgelagerten Ringes, während die rückwärtige Kante der inneren Wandung derselben Ringkammer ver-

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schweißt ist mit der vorderen Kante der des inneren Schenkels gleichen Durchmessers des nachfolgenden Ringes. Ferner endet jede innere Wandung in einem Abstand von dem Steg des vorangehenden Ringes, dessen innerer Schenkel diese besagte Wand nach rückwärts übergreift, während jede äußere Wandung in einem

Abstand vor dem Steg des nachfolgenden Ringes endet, dessen äußerer Schenkel diese besagte Wandung nach vorwärts übergreift

Man sieht, daß auf diese Weise jede Ringkammer für die in dem Raum zwischen dem Gehäuse und der Kammer befindliche Luft einen getrennten, ringförmigen Durchtritt bildet, der in Richtung von rückwärts nach vorne durchströmt wird, sich jedoch in den Raum zwischen dem Gehäuse und der Kammer durch einen nach vorne gerichteten Ringschlitz öffnet und durch einen nach rückwärts gerichteten Ringschlitz in den Kammerraum offen ist.

Die Kühlung jeder Ringkammer ist also dreifach abgesichert* Die äußere Wandung wird auf der Seite des Raumes zwischen dem Gehäuse und der Kammer durch Konvektion der Sekundärluft gekühlt, die in diesem Raum von vorne nach rückwärts strömt* Dann zirkuliert ein Teil der Sekundärluft zwischen den beiden Wandungen von rückwärts nach vorne und kühlt diese durch Konvektion* Schließlich beleckt derselbe Teil dir Sekundärluft in Richtung von vorne nach rückwärts die innere Wandung auf der Seite des Flammrohres und bildet somit einen schützenden Wandfilm. Dieser Film oder diese Schicht wird im übrigen an jeder Querschnittsetelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ringkammern erneuert*

Die Kühlung des rückwärtigen konvergierenden Teiles k wird in derselben Weise gewährleistet, wie die Kühlung der Ringkammeri

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erweitert sich die Ringkammer, weil die äußeren Abschnitte von Ringkammer zu Ringkammer in Richtung von vorne nach rückwärts größer werden, während die inneren Abschnitte kleiner werden* Fig. 4 zeigt schematisch eine andere Ausführung gemäß der Erfindung, bei der die einzelnen Abschnitte im wesentlichen konstante Abmessungen beibehalten. Fig. h zeigt zwei Ringkammern, die ähnliche Anord-

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ung haben wie die Ringkammern 32 und 33 in Fig. 1« Die diese bezeichnenden Bezugsziffern sind daher identisch, jedoch mit einem Index a versehen. Der einzige wesentliche Unterschied besteht darin, daß die Durchmesser der Ringe 52a und 53a identisch sind, ebenso wie die Durchmesser der vorderen Abschnitte der Ringkammern 32a und 33a und die Durchmesser ihrer rückwärtigen Abschnitte. Die geometrische Konfiguration jeder Singkammer besitzt also zwei zylindrische Abschnitte mit ungleichen Durchmessern, die durch einen im wesentlichen konischen Abschnii miteinander verbunden sind.

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A .

Leerseite

Claims

Patentansprüche:

ι · jVerbrennungakammerkörper., insbesondere für Turboreaktor-Triebwerke, wobei die Kammer in einem Gehäuse angeordnet ist in dem von vorne rückwärts ein Luftstrom fließt, der einerseits zur Verbrennung und andererseits zur Kühlung der Körperwände dient, mit Ringkammern, deren Durchmesser von vorne nach rückwärts zunimmt und die mit einer Jeweils außen-und innenliegenden Wand doppelwandig ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß er zwischen den Ringkammern (31*32,33» 3^»35»36) ringförmige Verbindungsteile (51,52,53,5*0 mit im wesentlichen H-förmigem Querschnitt aufweist, wobei desseil Steg jeweils innere und äußere Schenkel verbindet, von denen jeder eine freie Kante besitzt und daß jede freie Kante jeweils mit der außenliegenden Wand der vorgelagerten Ringkammer und der innenliegenden Wand der nachfolgenden Ringkammer einen ringförmigen und nach vorwärts gerichteten Kollektorkanal sowie einen nach rückwärts gerichteten, ringförmigen Austrittskanal bildet, so daß der Luftstrom zunächs durch Konvektion die Außenwand, dann nach Richtungsumkehr die Innenwand kühlt und schließlich durch einen Wandschichteffekt die Innenwand schützt.
2. Verbrennungskammerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammern (31 bis 36) aus einem Koraposit-Metall-Werkstoff mit zwei Deckschichten ( 321, 322) gebildet ist, die miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind durch eine Wellenschicht( 323)» deren Wellen in Längsrichtung des Triebwerkes angeordnet sind, um Kanäle zu bilden (Pig.2).
3. Verbrennungskamnerkörper nach einem der Ansprüche 1 und 2, mit Speiseöffnungen in radialer Richtung zur Sekundärluft, die in der außenliegenden Wandung der Körperwand auegebildet und durch eine ins Innere der Kammer hineingebogene Kante begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet daß die Höhe dieser Kante (81) im wesentlichen dem Abstand zwischen den beiden

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ORIGINAL INSPECTED

Wandungen (321,322) der Körperwand entspricht und daß die Längsrippen (6i) für die Beabstandung im Bereich des Um— fanges dieser Kante (81) ausgespart sind, um um diese Kante (81) herum einen Kühlluftstrom-Durchtritt zu bilden.

\ Der Patentanwalt

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