DE2704530C2 - Flammrohr, insbesondere für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

— mit je einem quer zur Flammrohrachse verlaufenden Steg und je zwei zur Flammrohrachse parallelen Schenkeln,

— die je eine freie Kante aufweisen,

— die am dem Brennraum abgewandten Schenkel strom<jufgerichtet ist und mit der äußeren Wand des anschließend stromaufwärtigen Wandabschnitts einen ringförmigen Einlaßkanal für die zwischen Flammrohr und Brennkammergehäuse herangeführte Luft bildet,

— und die am dem Brennraum zugewandten Schenke! stromabgerichtet ist und mit der inneren Wand des anschließenden stromabwärtigen Wandabschnitts einen ringförmigen Auslaßkanal für die vom benachbarten stromabwärtigen Einlaßkanal durch die doppelwandig ausgeführte Flammrohrwand zum Auslaßkanal strömende Luft bildet

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Wandabschnitte (31 bis 36) aus einem Verbund-Metall-Werkstoff mit zwei Deckschichten (321, 322), die mittels einer wellenförmig verlaufenden Zwischenschicht (323) miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind, gebildet sind, wobei die Wellen zur Bildung der Kanäle zur Flammrohrachse parallel verlaufen (F ig. 2).

3. Flammrohr nach Anspruch 1 oder 2 mit radial gerichteten Zuführöffnungen für Sekundärluft in der Wand, die durch einen von der Außenwand zum Inneren des Flammrohrs gebogenen Rand begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Randes (81) im wesentlichen dem Abstand zwischen den beiden Wänden des Wandabschnitts (31,33,34, 36) entspricht und Abstands-Längsrippen (61) im Umfangsbereich des Randes (81) ausgespart sind zur Bildung eines Kühlluftströmungsweges um diesen Rand (81) herum.

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Die Erfindung betrifft ein Flammrohr, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. ω

Ein solches Flammrohr ist aus der DE-OS 19 57 147 bekannt. Flammrohre von Gastriebwerken mit in Strömungsrichtung des Gases etwa ringförmigem oder kreisförmigem Querschnitt sind in einem Brennkammergehäuse mit Einlaßöffnungen für die von einem Verdichter zugeführte Luft angeordnet. Der Innenraum des Flammrohrs weist am Vorderteil eine Brennstoffeinspritzeinrichtung sowie Einlaßöffnungen für die Verbrennungs-Primärluft sowie stromab dieser öffnungen solche für den Einlaß von Luft für die Nachverbrennung und/oder für die Verdünnung auf. Die Innenseite der mindestens einen Wand des Flammrohrs ist dabei einem sehr intensiven Wärmestrom ausgesetzt, der durch Strahlung der Rammen und durch Konvektion der von vorne nach hinten strömenden Verbrennungsgase erzeugt wird. Vorteilhaft wird daher ein Teil des Sekundär-Luftstroms, das ist derjenige Luftstrom, der andere Funktionen als die der Verbrennung hat, genutzt, um einen Wärmeschutz für diese Wände zu erreichen. Dies kann mittels eines Teils des Sekundär-Luftstroms durch im wesentlichen zwei vorzugsweise simultan anwendbare Vorgehensweisen erreicht werden.

Das erste Verfahren betrifft die Kühlung durch externe Konvektion, bei der die Wärme von der Wand von dem von vorne nach hinten längs der Außenseite strömenden Sekundär-Luftstrom abgeführt wird. Das zweite Verfahren, das auch »Filmcooling« genannt wird, verwendet den Wärmeschild-Effekt. In den Wänden vorgesehene öffnungen oder Lufteinlässe verteilen einen Teil des Sekundär-Luftstromes längs der Innenseite der Wände in Form einer Wandschicht» die eine direkte Berührung zwischen der Innenseite und dem Verbrennungsgas verhindert Diese Schicht, die sich im Verlauf des Abströmens von vorne nach hinten verdünnt muß mittels nacheinander angeordneten Sekundär-Einlässen erneuert werden, die längs des Flammrohrs verteilt sind.

Wegen des hohen Kompressionsgrades, mit dem Turbinentriebwerke neuerer Bauart arbeiten, ist die Kühlung der Wände des Flammrohrs erschwert denn mit höherem Kompressionsgrad ist die Eintrittstemperatur der Sekundärluft höher (600⁰C bei einem Kompressionsverhältnis von 30) und ist das Emissionsvermögen der Verbrennungsgase als Funktion ihres Druckes höher. Zur Verbesserung des Schutzes der Wände des Flammrohrs sind mehrere Lösungen möglich.

Die erste Lösung besteht darin, die Anzahl der Wand-Lufteinlässe zu erhöhen, um deren Durchsatz zu erhöhen und um die Luft häufiger zu erneuern. Da der Durchsatz an Sekundärluft etwa :50 bis 35% des Gesamt-Durchsatzes nicht übersteigen darf, da sonst der Durchsatz an Primär-Luft, dessen relativer Wert um so größer sein muß, je mehr die Eingangstemperatur des Turbinentriebwerks zunimmt, unzureichend wird, ist diese Lösung begrenzt. Dies gilt im übrigen auch für den Durchsatz an Sekundär-Luft für die Verdünnung.

Eine andere Lösung besteht darin, den Wärmetausch durch Konvektion dadurch zu beschleunigen, daß die Geschwindigkeit und damit der Durchsatz desjenigen Anteils des Sekundär-Luftstroms erhöht werden, der das Flammrohr umgibt. Durch die Zunahme der Druckverluste und die Unmöglichkeit Zuführöffnungen großer Durchmesser richtig zu beschicken, ist eine Durchsatz-Obergrenze gegeben.

Eine weitere Lösung, bei der ebenfalls der Wärmetausch durch Konvektion beschleunigt wird, besteht darin, die Wärmetauscherfläche zu vergrößern. Beispielsweise können die Wandaußenseiten mit Rippen versehen werden, jedoch ist deren Aufbau aufwendig. Weiter kann das Flammrohr durch doppelwandige Wandabschnitte gebildet sein, d. h. die Wandabschnitte weisen zwei Wände auf, wobei die Wände jedes Wandabschnitts untereinander durch Rippen verbunden sind. Die Rippen bilden Distanzelemente in Strömungsrichtung und begrenzen längliche Kanäle, die stromauf

zu dem Raum zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr und stromab zum Flammrohr offen sind, so daß der zunächst in den Kanälen zur Kühlung eines Wandabschnitts durch Konvektion strömende Luftstrom dann längs der Innenseite des nachfolgenden Wandabschnitts zur Wärmeschild-Kühlung strömt Diese doppehvandjge Anordnung bedingt jedoch große Luftdurchsätze, wenn ein wesentlicher Konvektionseffekt erreicht werden soll.

So sind bei dem eingangs genannten Flammrohr ι ο (DE-OS 19 57147) in der Außenwand Öffnungen vorgesehen, durch die die Sekundär-Luft in den Kanal zwischen den beiden Wänden strömt und dann an der Innenseite der inneren Wand des nächsten Wandabschnitts strömt

Bei einem anderen Flammrohr (DE-OS 21 61 644) mit doppelwandigen Wanclabschnitten, sind Innen- und Außenwand durch eine wellenförmig verlaufende Schicht miteinander verbunden und voneinander beabstandet wobei auf diese Weise zur Flammrohrachse parallele Kanäle für die Strömung der Sekundär-Luft gebildet sind.

Ferner ist es bekannt (DE-AS 20 12 949), zur bildung der Sekundär-Luft-Zuführöffnungen, die Außenwand zur Innenwand zu biegen, wobei die Höhe des gebildeten Randes im wesentlichen dem Abstand zwischen den beiden Wänden entspricht und wobei um den Rand zwischen den beiden Wänden ein Strömungsweg für den dort strömenden Kühlluftstrom gebildet ist

Nachteilig bei den bekannten Flammrohren ist daß das Kühlfluid im wesentlichen in gleicher Richtung wie das Verbrennungsgas im Flammrohr strömt und sich längs des Strömungsweges durch Berührrung mit einer Wand erwärmt, deren Temperatur aufgrund zunehmender Verdünnung beim Wärmeschild-Effekt zunimmt

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Flammrohr der eingangs genannten Art so auszubilden, daß zumindest der Wirkungsgrad der Kühlung durch Konvektion erhöhl ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Beim Strömen kühlt der Luftstrom zunächst durch Konvektion die Außenwand dann nach Richtungsumkehr die Innenwand und schließlich nach weiterer Richtungsumkehr die Innenwand durch Wärmeschild-Effekt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführurigsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Längsschnitt und vereinfacht ein ringförmiges Flammrohr gernäß der Erfindung,

Fig. 2 den Schnitt a-a in Fig. 1,

F i g. 3 schema ti sch und im Teilschnitt die Ansicht gemäß dem Pfeil öiin Fig. 1.

Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf zylindrische Flammrohre anwendbar, selbst wenn im folgenden ein ringförmiges Flammrohr erläutert wird.

Gemäß F i g. 1 weist das dargestellte ringförmige Flammrohr in an sich bekannter Weise im vorderen oder stromaufwärtigen Teil einen Ringboden 1 auf, der beispielsweise kranzförmig verteilte Brenner 2 trägt. Weder die Trageleimente für die Brenner 2 noch das das Flammrohr umgebende Ringgehäuse und die Befestigungselemente des Flammrohrs am Gasturbinentriebwerk sind dargestellt. In Strömungsrichtung des Gases stromab ist hinter dem Rinrtoden 1 ein die Flammrohr-Wände bildender Ringkörper 3 angeordnet, dessen Querschnitt in Strömungsrichtung zunimmt und an dem sich ein ebenfalls ringförmiger konvergierender Teil 4 anschließt, über den die Gase an die nicht dargestellte Turbine abgegeben werden.

Der Ringkörper 3 besteht aus drei doppelwandigen außenliegenden, ringförmigen Wandabschnitten 31,32, 33, deren Durchmesser von vorne nach hinten zunimmt und aus drei innenliegenden, ringförmigen Wandabschnitten 34, 35, 36, die ebenfalls doppelwandig ausgestaltet sind und deren Durchmesser in Strömungsrichtung abnimmt Entsprechend den Proportionen und Ausmaßen des Flammrohrs können selbstverständlich mehr oder weniger ringförmige Wandabschnitte verwendet werden. Der konvergierende Teil 4 ist durch zwei kegelstumpfförmige Ringteile 41 und 42 gebildet

Aufeinanderfolgende Elemente, nämlich Ringboden 1, ringförmige Wandabschnitte 31, 32, 33 und Ringteil 41, sind durch ringförmige Verbindungsteile 51, 52, 53 bzw. 54 miteinander verbunden. Aufeinanderfolgende . Elemente, nämlich Ringboden 1, ringförmige Wandabschnitte 34, 35, 36 und Ringteil 42, sinci ebenfalls durch ringförmige Verbindungsteile 55, 56, 5/ bzw. 58 miteinander verbunden. Jeder ringförmige Verbindungsteil 51 bis 58 weist einen kranzartigen Steg auf, der zwei zylindrische, d. h. zur Flammrohrachse parallele Schenkel verbindet. Entsprechend jedem Wandabschnitt weist auch jeder Verbindungsteil einen inneren und einen äußeren Schenkel auf. Der innere Schenkel der Verbindungsteile 51 und 55 erstreckt sich stromauf und stromabwärts vom Steg und deren äußerer Schenkel erstreckt sich stromabwärts. Innere und äußere Schenkel der anderen Verbindungsteile 52, 53, 54, 56, 57 und 58 erstrecken sich sowohl stromauf als auch stromabwärts von den Stegen, weshalb die Verbindungsteile H-förmigen Querschnitt besitzen.

Die inneren and äußeren Wände der Wandabschnitte 31, 32, 33, 34, 35 bzw. 36 sind jeweils über mehrere Rippen 61,62,63,64,65 bzw. 66 miteinander verbunden, die ebensoviele Kanäle zur Luftumwälzung begrenzen. Wie in F i g. 2 dargestellt, kann jeder Wandabschnitt, wie z. B. der Wandabschnitt 32, vorteilhaft aus einem Verbund-Metall-Werkstoff gebildet sein, dessen Deckschichten 321 und 322 durch eine wellenförmige Schicht 323 oder ein entsprechendes Band beabstandet und durch Verschweißen miteinander verbinden sind (entsprechend den Rippen 62 in F i g. 1). Der Aufbau des Flammrohrs wird dadurch stark vereinfacht und erleichtert, ohne daß die Festigkeit beeinträchtigt wäre.

In den stromaufliegenden ringförmigen Wandabschnitten 31 und 34 sind Einlaßöffnungen 81 bzw. 84 für den Einlaß primärer Verbrennungsluft vorgesehen. Die Abdichtung zwischen den Öffnungen 81 und 84 und den zwischen innerer und äußerer Wand gebildeten Kanälen, wird durch einen Rand gewährleistet, der von der äußeren Wand aus ausgebildet ist. In gleicher Weise sind in den stromabwärtigen ringförmigen Wandabschnitten 33 und 36, Einlaßöffnungen 83 bzw. 86 für den Einlaß sekundärer Verbrennungs- und Verdünnungsluft vorgesehen.

Wie sich aus Fig.3 und der Schnittansicht gemäß Fig. 1 ergibt, sind die Rippen im Bereich der Einlaßöffnung ausgespart, beispielsweise die Rippen 61 im Bereich der Einlaßöffnung 81 des ringförmigen Wandabschnitts 31, um einen Strömungsweg in Richtung des Pfeils Fit Fig.3 für die Kühlluft, um die die Öffnung 81 bildende Kante der äußeren Wand herum zu bilden. Die doppelwandige Ausbildung des

Flammrohrs gemäß der Erfindung erreicht durch wirkungsvolle Kühlung eine ausreichende Kühlung der Einlaßöffnungen mit aufgebogenem Rand.

Anhand F i g. 1 wird nunmehr der Zusammenbau der ringförmigen Wandabschnitte und der ringförmigen Verbindungsteile erläutert. Der äußere Schenkel des Verbindungsteils 5J und der Außenteil des Ringbodens 1 besitzen gleiche Durchmesser und sind miteinander verschweißt. Die äußere Wand des ringförmigen Wandabschnitts 31 und der äußere Schenkel des ringförmigen Verbindungsteils 51 haben gleiche Durchmesser und sind ebenfalls miteinander verschweißt, wobei die innere Wand des Wandabschnitts 31 mit einem Durchmesser, der etwa dem mittleren Durchmesser der Schenkel des Verbindungsteile 51 entspricht, mit Abstand vom Steg des Verbindungsteils 51 endet.

Bei dem ringförmigen Verbindungsteil 52 ist der Durchmesser des inneren Schenkels gleich dem

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ringförmigen Wandabschnitts 31. Beide Bauelemente sind miteinander verschweißt. Der äußere Schenkel des ringförmigen Verbindungsteils 52 dessen Durchmesser wesentlich größer als der der äußeren Wand des stromaufwärtigen Wandabschnitts 31 ist, hat den gleichen Durchmesser wie die äußere Wand des : stromabwärtigen, ringförmigen Wandabschnitts 32 und ist mit dieser verschweißt. Der stromaufwärts ragende Teil übergreift dabei die äußere Wand des stromaufwärtigen Wandabschnitts 31. Der stromabwärtige Teil, der einen Durchmesser besitzt, der wesentlich kleiner als j der der inneren Wand des stromabwärtigen ringförmigen Wandabschnitts 32 ist, übergreift diesen stromabwärts an der Innenseite.

Die Bemessung und der Zusammenbau der Wandabschnitte und Verbindungsteile, die das Flammrohr j bilden, folgt den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie sie vorstehend erläutert worden sind. Das bedeutet, daß die stromaufwärtige Kante der äußeren Wand jedes ringförmigen Wandabschnitts mit der stromabwärtigen Kante des äußeren Schenkels gleichen Durchmessers j des stromaufwärtigen Verbindungsteils verschweißt ist.

während die stromabwärtige Kante der inneren Wand dieses Wandabschnitts, mit der stromaufwärtigen Kante des inneren Schenkels gleichen Durchmessers des stromabwärtigen Verbindungsteils verschweißt ist. Feiner endet jede innere Wand mit Abstand vom Steg des stromaufwärtigen Verbindungsteils, dessen innerer Schenkel diese innere Wand nach stromabwärts übergreift, während jede äußere Wand mit Abstand vom Steg des stromabwärtigen Verbindungsteils endet, dessen äußerer Schenkel diese äußere Wand stromaufwärts gerichtet übergreift.

Auf diese Weise ist bei jedem ringförmigen Wandabschnitt für die in dem Raum zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr befindliche Luft, ein getrennter ringförmiger Durchtritt oder Kanal gebildet, der in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung im Flammrohr durchströmt wird, sich jedoch in den Raum zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr durch einpn stromaufwärts gprirhlptpn RJn¹⁷SChUtZ öffnet und sich jedoch in die Brennkammer durch einen stromabwärts gerichteten Ringschlitz öffnet.

Die Kühlung jedes ringförmigen Wandabschnitts ist somit dreifach sichergestellt. Die äußere Wand wird auf Seiten des Raumes zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr durch Konvektion der Sekundär-Luft gekühlt, die in diesem Raum von vorne nach hinten strömt. Dann strömt ein Teil der Sekundär-Luft zwische ■ den beiden Wänden entgegen der Strömungsrichtung im Flammrohr, d. h. von hinten nach vorne, und kühlt die Wände durch Konvektion. Schließlich spült der gleiche Teil der Sekundär-Luft in Strömungsrichtung, d. h. von vorne nach hinten, die innere Wand auf der dem Flammrohr inneren zugewandten Seite und bildet dort einen schützenden Wandfilm (Wärmeschild). Dieser Wärmeschild wird darüber hinaus an jeder Stelle erneuert, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wandabschnitten liegt.

Die Kühlung des stromabseitigen konvergierenden Teils 4, ist in der gleichen Weise erreicht, wie die der ringförmigen Wandabschnitte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche;

1. Flammrohr, insbesondere for Gasturbinentriebwerke, mit in Strömungsrichtung stufenweise zunehmender freier Querschnittsfläche, das in einem Brennkammergehäuse angeordnet ist, durch das Luft strömt, die die doppelwandig ausgeführten Flammrohrwände kühlt und als Verbrennungsluft dient, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ringförmigen Wandabschnitten (31 bis 36) des Flammrohrs jeweils ringförmige Verbindungsteile (52 bis 54, 56 bis 58) mit H-förmigen Querschnitten angeordnet sind