DE2711564A1

DE2711564A1 - Brennerhalterungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2711564A1
Application number: DE19772711564
Authority: DE
Inventors: Thomas Lee Hampton; Richard Edward Stenger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1977-12-29
Also published as: FR2356000A1; GB1578474A; JPS52156213A

Description

Brennerhalterungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und im einzelnen auf ein darin erfolgendes Anbringen bzw. Haltern eines luftgekühlten Brenners.

Größere Leistungspegel von Gasturbinentriebwerken können durch Steigern der Betriebstemperaturen erzielt werden. Bei einem derartigen Vorgehen werden die Brennkammern dieser Gasturbinentriebwerke extrem hohen Temperaturen ausgesetzt, die die Brennereinrichtung zerstören würden, wenn nicht gewisse Vorkehrungen getroffen werden. Obwohl große Verbesserungen bezüglich der Einlagelegierungen und anderer Brennkammermaterialien entwickelt wurden, um einen Betrieb bei höherer Temperatur zuzulassen, beruht ein allgemeines Verfahren zum Vergrößern der Brennkammerlebensdauer und Verbessern der Zuverlässigkeit darin, die Brennkammer mittels einer Kühlluftzirkulation zu kühlen. Dies wird in typischer Weise bei einem ringförmigen Brenner dadurch erreicht, daß die Brennereinlage bzw. das Brennerrohr mit einem ringförmigen Brennergehäuse umgeben wird, um hierdurch einen Ringraum zu bestimmen, in den von dem Triebwerkskompressor Luft unter hohem Druck geliefert wird. Der größte Teil dieser Luft in dem Kühlraum wird cmrcti eine Vielzahl von Löchern oder Schlitzen in der Einlagewandung geleitet, wo die Luft zum BiI-

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den einer schützenden Filmsperrschicht an der inneren Wandungsoberfläche neigt, und zwar durch eine als Filmoberflächenkühlung bekannte Erscheinung, bei der eine dünne Schicht aus Kühlluft zwischen der Brennereinlage bzw. der Auskleidung und den darin enthaltenen heißen Verbrennungsgasen gebildet wird. Ein Teil der Kühlluft in dem Raum wird jedoch weiter stromabwärts geleitet, wo er zum Kühlen des Turbinenstators und/oder der Ummantelung benutzt wird. Da bei den zur Anwendung kommenden Statorkühlverfahren das Prinzip der Prallkühlung benutzt wird, wobei Luft durch schmale öffnungen strömt und mit hoher Geschwindigkeit auf das zu kühlende Element auftrifft, ist es wichtig, daß solche Kühlluft relativ frei von festen Partikeln ist, damit die Prallöffnungen nicht verstopfen.

Die Halterung einer Brennereinlagc bzw. eines Brennerfutters wurde in typischer Weise so ausgebildet, daß bestimmte Stütz- bzw. Halterungsmittel am stromaufwärts oder am stromabwärts gelegenen Ende oder an beiden Enden der Brennereinlage angebracht wurden. Bei einer typischen Lösung wurde die Einlage mittels einer bestimmten Bügelart am äußeren Gehäuse festgelegt. Es wird jedoch daran erinnert, daß die Brennereinlage sehr großen Temperaturgradienten der darin befindlichen Verbrennungsgase ausgesetzt und das äußere Gehäuse auf relativ niedrigen Temperaturen gehalten werden, so daß das thermisch bedingte relative Wachstum zwischen dem abstützenden Gehäuse und der abgestützten Einlage mittels einer flexiblen Kopplung aufgenommen werden muß. Diese thermische Flexibilität muß natürlich in der radialen Richtung vorgesehen werden, wobei jedoch in komplizierten Fällen ferner die axiale Position der Brennereinlage notwendigerweise im wesentlichen stabil bleiben muß, um eine passende Grenzstelle mit den Treibstoffeinspritzdüsen an dem stromaufwärts gelegenen Ende und mit der Turbinendüse am stromabwärts gelegenen Ende aufrechtzuerhalten.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, bei einer Brennereinlageabstützung Mittel zu schaffen, die ein relatives radiales thermisches Wachstum zulassen und gleichzeitig für eine im wesentlichen stabile axiale Position sorgen.

Gemäß einer anderen Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll bei einem Gasturbinentriebwerk dafür gesorgt werden, daß die zu der Turbinendüse gelangende Kühlluft relativ frei von Verunreinigungspartikeln gehalten wird.

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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Brennereinlage in einem Kühlraum dadurch abgestützt, daß sie an ihrem stromabwärts gelegenen Ende über einen ringförmigen Bügel bzw. Arm an dem umgebenden Gehäuse festgelegt ist. Der ringförmige Bügel bzw. Arm sorgt aufgrund seiner Flexibilität bzw. Biegsamkeit für das relative radiale thermische Wachstum zwischen der Einlage bzw. dem Einsatz und dem abstützenden Gehäuse, während er gleichzeitig zwischen den zwei Teilen eine im wesentlichen stabile Axialposition aufrechterhält. Der Winkelarm besteht vorzugsweise aus zwei miteinander verbundenen Schenkeln, von denen einer im wesentlichen axial in bezug auf das Triebwerk verläuft, während der andere unter einem Winkel hierzu ausgerichtet ist.

Bai einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat ein ringförmiger Brenner ein Paar solcher ringförmig ausgebildeter Arme, von denen einer die äußere Einlage mit einem äußeren Gehäuse und der andere ein inneres Gehäuse mit einer inneren Einlage verbindet. Der äußere Arm ist mit seinem im wesentlichen axial ausgerichteten Schenkel mit der äußeren Einlage verbunden, und der innere Arm ist mit seinem im wesentlichen axial ausgerichteten Schenkel mit dem inneren Gehäuse verbunden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die in dem Kühlluftraum zwischen der Einlage und dem Brennergehäuse angeordneten Arme in Umfangsrichtung teilweise unterbrochen, um hindurchgehende Kanäle für einen Kühlluftstrom durch die Arme und zu einer stromabwärts gelegenen Position zu bilden, wo die Luft zum Kühlen der Turbinendüsen benutzt werden kann. Die Kanäle bzw. Durchgänge der Arme sind mit einem Siebmaterial abgedeckt, um jegliche Verunreinigungen aus der Kühlluft zu entfernen und ein Eintreten derselben in den Turbinendüsenbereich zu vermeiden, wo die Verunreinigungen oder Schmutzpartikel zu einem Verstopfen der Kühldurchgänge neigen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einem axialen Querschnitt eine beispielhafte Gasturbinen brennei? einrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - in einem vergrößerten Teilschnitt den inneren Armabschnitt der Brenner einrichtung,

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Figur 3 - in einem vergrößerten Teilschnitt den äußeren Armabschnitt der Verbrennungseinrichtung,

Figur 4 - in einer fragmentarischen axialen Ansicht den inneren Armabschnitt gemäß der Blickrichtung 4-4 aus Figur 2, wobei zum besseren Darstellen des Detailaufbaus Teile weggebrochen sind und

Figur 5 - den Arm in einem Schnitt längs der Linie 5-5 aus Figur 2.

In den Zeichnungen und insbesondere in Figur 1 ist der erfinderische Teil allgemein mit der Hinweiszahl 1o bezeichnet, und zwar in Verbindung mit einer Verbrennungseinrichtung 11 desjenigen Typs, der sich für ein Gasturbinentriebwerk eignet und einen eine darin befindliche Verbrennungskammer 13 begrenzenden hohlen Körper 12 aufweist. Dieser ist allgemein ringförmig gestaltet und besteht aus einer äußeren Einlage 14, einer inneren Einlage 16 und einem gewölbten Ende 17. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf eine solche Ringkonfiguration beschränkt ist, sondern mit gleicher Wirksamkeit bei Verbrennungseinrichtungen der bekannten zylindrischen kannen- oder kanülen- oder anderen ringförmigen Mantelstrukturen anwendbar sind, die eine relativ starre axiale Positionierung einer radialen Ebene erfordern, während sie ein hauptsächlich achsensymmetrisches, relatives, radiales, thermisches Wachstum zulassen. Bei der vorliegenden Ringkonfiguration ist das gewölbte Ende 17 des hohlen Körpers 12 mit einer Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten Offnungen 18 ausgebildet, in denen sich jeweils eine Treibstoffeinspritzvorrichtung 19 zum Abgeben eines Treibstoff/Luft-Gemisches in die Verbrennungskammer 13 befindet.

Der hohle Körper 12 ist zwischen äußeren und inneren Kompressorgehäusen 21 und 22 eingeschlossen, die in Verbindung mit den Einlagen 14 und 16 äußere sowie innere Kühlräume 23 und 24 bilden. Die letzteren eignen sich zum Abgeben eines Druckluftstroms von einer geeigneten Quelle, wie einem Kompressor 25 und einem Diffusor 26, über geeignete öffnungen oder Luftschlitze 27 in die Verbrennungskammer 13 zum Kühlen des hohlen Körpers 12 und zum Verdünnen der gasförmigen Verbrennungsprodukte in einer bekannten Weise. Die stromaufwärts gelegene Verlängerung 28 des hohlen Körpers 12 eignet

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sich für eine Funktion als ein Strömungsteiler, der die von dem Kompressor 25 abgegebene Druckluft zwischen den Brennerwölbungsöffnungen 18 und den Kühllufträumen 23 sowie 24 aufteilt. Während die öffnung 18 mit der Treibstoffeinspritzvorrichtung 19 in Strömungsverbindung steht, um die für die Verbrennung erforderliche Luft zur Verfügung zu stellen, strömt der größte Teil der Luft weiter in die Kühllufträume 23 und 24, um durch die öffnungen in das Innere der Brennereinlage einzutreten und deren Innenseite zu kühlen. Ein Teil der Luft strömt längs der Räume 23 und 24 weiter in Strömabwärtsrichtung, wie es durch die Pfeile dargestellt ist, um die Turbinendüse 29 und die Turbinenschaufeln 3o in bekannter Weise zu kühlen.

Gemäß Figur 1 ist der Brennerhohlkörper 12 an seinem stromabwärts gelegenen Ende mit einer baulichen Abstützung versehen, und zwar durch äußere und innere ringförmige Arme 31 sowie 32, die durch passende Befestigungsmittel, wie durch Umschließen,

' Schrauben oder dergleichen, an den

äußeren und inneren Gehäusen 21 sowie 22 befestigt sind. Die äußeren und inneren Arme 31 und 32 sind jeweils winkelförmig ausgebildet, um für die thermische Wachstumsbeweglichkeit zwischen dem heißen, hohlen Körpergebilde 12 und dem relativ kalten, abstützenden GehÄusegebilde zu sorgen. Die Arme 31 und 32 enthalten auch al· ein Teil ein Siebmaterial, das dazu neigt, jegliche feste Verunreinigungen der Luft beim Strömen derselben von den Räumen 23 und 24 in die Kühlkammern 33 und 34 auszufiltern. Der bestimmte Detailaufbau der Arme 31 und 32 ist klarer aus den Figuren 2-5 ersichtlich.

In den Figuren 2, 4 und 5 ist der innere Arm 32 so dargestellt, daß er ein spitzwinkliges Stützelement 36 bildet, dessen eines Ende 37 in geeigneter Weise, beispielsweise durch Schweissen, fest an der inneren Einlage 16 angebracht ist. An seinem anderen Ende erstreckt sich ein Flansch 38 radial einwärts. Dieser Flansch 38 ist mit dem inneren Gehäuseaufbau 22 durch eine Vielzahl von Schrauben 39 verbunden, die sich durch passende öffnungen in dem Stützelement 36 erstrecken.

Der abgewinkelte Schenkel 42 des Stützelements 36 hat einen äußeren durchgehenden Ring 43 mit umfangsmäßig verteilten,

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sich radial einwärts erstreckenden Rippen 44, die in einem Ring 46 enden. Der äußere Ring 43, die Rippen 44 und der abgewinkelte Ring

46 bestimmen eine Vielzahl von umfangsmäßig verteilten öffnungen 47 (Figur 4), durch die Kühlluft gelangen kann, wenn diese von dem Raum 24 in die Kammer 34 strömt. Der axiale Schenkel 48 des Stützelements 36 ist in einer ähnlichen Weise aufgebaut, so daß er ebenfalls den Luftstrom in die Kammer 34 zuläßt.

Um das Strömen von Verunreinigungen durch die öffnungen

47 zu verhindern, wobei die Verunreinigungen zu einem Verstopfen der Kühllöcher in den Turbinendüsen 29 führen können, ist ein gewölbtes Sieb 49 über den abgewinkelten Schenkel 42 gelegt, um alle öffnungen 47 abzudecken und hierfür ein Filter zu bilden. In ähnlicher Weise ist ein gewölbtes Sieb 51 über dem axialen Schenkel

48 aus demselben Grunde angeordnet. Die Siebe 49 und 51 werden durch eine abgewinkelte Abdeckung 52 festgehalten, die einen zentralen Bereich 53 und sich radial erstreckende Schenkel 54 enthält, deren Umfangslage den darunter befindlichen Rippen 44 entspricht. Die abgewinkelte Abdeckung 52 kann gemäß Darstellung in Segmente unterteilt oder genauso gut als einzelnes zusammenhängendes Element ausgebildet sein. Ebenfalls entsprechen sich die öffnungen 56, 57 und 58 (Figur 4) in dem äußeren Ring 43, dem Sieb 49 und den Schenkeln 54, wobei in diese öffnungen Befestigungsglieder 59, wie Nieten oder dergleichen, zum Bilden eines festen Aufbaues einge bracht werden. In ähnlicher Weise befindet sich an der axialen Seite der Abdeckung 52 eine Vielzahl von Schenkeln 61, die Abschnitte des Siebes 51 abdecken und durch Befestigungsglieder 62 festgehalten werden. Ein abgewinkelter Ring 63 kann seinerseits über den axialen Schenkeln 61 angeordnet und ebenfalls durch Nieten 62 festgelegt sein, und zwar zum Zwecke eines axialen Haltens der Befestigungsschrauben 39.

Obwohl es in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt ist, ist nach der vorliegenden Erfindung die Anwendung einer gewissen Dichtungsart zwischen dem äußeren Rand 43 des Arms und dem Turbinendüsengebilde 64 (Figur 2) beabsichtigt. Die bestimmte Art der benutzten Dichtung ist für die vorliegende Erfindung unwichtig, und zum Zwecke der Beschreibung kann von einer einfachen Blatt- bzw. Lamellendichtung ausgegangen werden.

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In Figur 3 ist der äußere Arm 31 dargestellt. Bis auf die Tatsache, daß dieser Annaufbau so geformt ist, daß er einen kleineren Winkel als der Armaufbau 32 einschließt, handelt es sich sonst um ein im wesentlichen gleiches Gebilde. Das abgewinkelte Stützelement 65 ist mit Sieben 66 und 67 abgedeckt. Eine abgewinkelte Abdeckung 68 ist durch Nieten 69 und 71 festgelegt, um das kombinierte Stütz-* und Filterelement zu bilden. Es ist ersichtlich, daß das äußere Ende des Arms 72 fest mit dem Stützring 73 verbunden ist, der durch ein geeignetes Mittel axial und umfangsmäßig in bezug auf das äußere Gehäuse 21 positioniert ist. Das innere Ende des Arms ist in geeigneter Weise, beispielsweise durch Schweißen, mit der äußeren Brennereinlage 14 verbunden. Und wiederum wird vorzugsweise ein Dichtungsaufbau zwischen die äußere Einlage 14 und das Turbinendüsengebilde 64 eingebracht, um ein Lecken bzw. Austreten von Kühlluft in das heiße Gas des Hauptstroms zu vermeiden. Der Dichtungsaufbau ist in Figur 3 nicht dargestellt.

Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung bildet die gesamte Abstützung für den Hohlkörper 12 des Brenners mit den abgewinkelten Stützarmen 31 und 32, die das relative Wachstum des hohlen Körpers 12 in dem Brennergehäuse zulassen und gleichzeitig für eine stabile axiale Position in dem Brennergehäuse sorgen. Zusätzlich zur Abstützungsfunktion sorgen die durch Siebe abgedeckten Arme für das Filtern der gesamten, zum Turbinenschaufelaufbau gelangenden Kühlluft, um hierdurch ein Eintreten von Verunreinigungen in die Kühllöcher zu vermeiden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde und jedoch in vielfältiger Weise abgewandelt werden kann. Beispielsweise kann der jeweilige Winkel der Arme gegenüber dem dargestellten Winkel im Rahmen der vorliegenden Erfindung verändert werden. Ferner ist die Annkonfiguration nicht notwendigerweise auf einen Arm mit zwei Schenkeln beschränkt, sondern sie kann auch eine Vielzahl von abgewinkelten Schenkeln aufweisen, von denen einige oder alle mit einem aufgebrachten Siebmaterial versehen sein können. Eine andere Lösung kann darin bestehen, daß die Filtersiebe direkt an dem abgewinkelten Stützglied befestigt werden, und zwar ohne Benutzung des abgewinkelten Abdeckeleroents, wie es in der be-

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vorzugten Ausführungsform dargestellt ist. Diese sowie weitere Abwandlungen sollen von der vorliegenden Erfindung erfaßt sein.

- Ansprüche -

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Claims

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Ansprüche

f1.jTurbomaschinenbrennereinrichtung mit strömungsmäßig in Reihe angeordnetem Kompressor, Brenner und. Turbine, wobei der

Brenner durch ein angrenzendes Stützgebilde abgestützt ist, das wesentlich niedrigeren Temperaturen als der Brenner während Betriebsbedingungen aussetzbar ist , gekennzeichnet durch

ein den Brenner (11) fest mit dem Stützgebilde (21, 22) verbindendes Stützglied (31; 32), das zumindest zwei Schenkel (42, 48; 65) aufweist, welche unter einem Winkel miteinander verbunden sind, um für eine Beweglichkeit zum Aufnehmen der relativen thermischen Expansion bzw. Ausdehnung zwischen dem Brenner und dem Stützgebilde zu sorgen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied (31, 32) mit dem stromabwärts gelegenen Ende des Brenners (11) verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgebilde ein Brenneraußengehäuse (21) aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (11) vom Ringtyp ist und daß das Stützgebilde ein Brenneraußengehäuse (21) aufweist. *
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein zweites abgewinkeltes Stützglied (32), welches den Brenner (11) mit einem Brennerinnengehäuse (22) verbindet.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied (31, 32) mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten

Löchern (47) für die hindurchtretende Luftströmung

versehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (47) eine beträchtliche Größe haben und daß zumindest ein Siebgebilde (49, 51; 66, 67) an dem Stützglied (31, 32)

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ORIGINAL

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befestigt ist, um sonst durch die Löcher (47) gelangende Verunreinigungen auszufiltern.
8. Turbomaschinenbrennereinrichtung mit einer Reihenstromanordnung eines Kompressors, eines Brenners und einer Turbine, wobei der Brenner eine innere Einlage und ein äußeres Gehäuse zum gemeinschaftlichen Bestimmen eines Strömungspfades für Kühlluft hat, von der ein Teil durch Öffnungen in der Brennereinlage gelangt, um die innere Oberfläche derselben zu kühlen, und von der ein Teil längs des Strömungspfades zum Turbinenstator weiterströmt, gekennzeichnet durch ein in dem Strömungspfad angeordnetes Siebelement (49, 51; 66, 67), durch das die Kühlluft unter Ausfilterung jeglicher fester Verunreinigungen strömen kann, die sonst zum Turbinenstator gelangen können.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Siebelement zwischen die innere Einlage und das äußere Gehäuse geschaltet ist.

1o. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (11) von einem Stützgebilde abgestützt ist, das zwischen die Brennereinlage und das äußere Gehäuse geschaltet ist, und daß ferner das Siebelement an dem Stützgebilde befestigt ist.

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