DE2844349A1

DE2844349A1 - Verbrennungseinrichtung fuer turbomotoren

Info

Publication number: DE2844349A1
Application number: DE2844349A
Authority: DE
Inventors: Marc Francois Bernard Buisson; Jaques Emile Jules Caruel; Simone Coutor
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1978-10-11
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB2009859A; GB2009859B; FR2406075A1; FR2406075B1; DE2844349C2

Description

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Dipl.-lng. H. MITSCHERLICH D-8000 I Dipi.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10 Dr.rer.not. W. KÖRBER ^ ⁽⁰⁸⁹⁾ *²⁹⁶⁶⁸*

Dipl.-I η g. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE
ET DE CONSTRUCTION DE MOTEURS
D¹AVIATION (S.N.E.C.M.A.)
2, boulevard Victor
F-75015 Paris / Frankreich

Verbrennungseinrichtung für Turbomotoren.

Die Erfindung betrifft in Turbomotoren angewandte Verbrennungsvorrichtungen, insbesondere Vorrichtungen zum Wiedererhitzen von Gasen zwecks Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit dieser Gase,nachdem sie eine oder mehrere Turbinen durchlaufen haben. Eine derartige Wiedererhitzung findet in einem als Nachbrennkammer bezeichneten Raum statt.

Eine Verbrennungseinrichtung besteht zu diesem Zweck in an sich bekannter Weise aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, in dem ein Flammrohr angeordnet ist, durch das das heisse Gas strömt, das teilweise in der Turbine entspannt ist. Zwischen der Innenseite der Gehäusewand und der Aussenseite der Flammrohrwand erstreckt sich ein Ringraum. In diesem Raum bewegt sich aus einer Verdichterstufe ausgetretene Luft, die demnach gegenüber dem Verbrennungsgas verhältnismässig kühl ist. Das heisse Gas fließt in dem Flammrohr, in dessen Innerem sich Einspritzeinrichtungen für Kraftstoff und als Flammenhalter bezeichnete stabilisierende Vorrichtungen befinden. Die Kühlung des Flammrohres erfolgt durch die zwischen der Flammrohrwand und dem Gehäuse strömende Luft, und ein Teil der Luft tritt durch kleine öffnungen in das Flammrohr ein. Die Einleitung

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von Luft in das Flammrohrinnere erfolgt in einer solchen Weise, daß sich Kühlluftschichten auf den Innenwänden des Flammrohres bilden.

Für derartige gekühlte Flammrohre gibt es bereits verschiedene Ausführungsformen.

Bei einigen Ausfuhrungsformen sind Ringe aus hochschmelzendem Metall vorgesehen, die zunächst bearbeitet und dann perforiert worden sind; sie dienen als Verbindungselemente zwischen Blechringen; eine solche Möglichkeit ist in dem französischen Patent 1 520 428 der Anmelderin beschrieben .

Bei anderen Ausführungen ist man von gelochten Blechringen ausgegangen, die ineinandergesteckt und anschliessend verschweißt oder vernietet worden sind, wie in dem französischen Patent 2 093 115 der Anmelderin beschrieben. Nachteile dieser beiden Ausführungen sind jedoch hohes Gewicht und hohe Herstellungskosten im ersten Fall und verhältnismässig geringe Lebensdauer im zweiten Fall.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Art Flammrohr und ein neues Verfahren zu seiner Herstellung zu entwickeln, wobei das Flammrohr besonders vorteilhaft für Nachbrennkammern verwendbar sein soll. Nach der Erfindung geht man bei der Herstellung des Flammrohres von einem flachen Blech aus hochschmelzendem Metall aus, das so gewalzt und geschweißt wird, daß ein Rotations-Hohlkörper, beispielsweise mit zylindrischem oder kegelstumpfförmigem Querschnitt entsteht. Dann werden in die Zylinderfläche nach einem bekannten Verfahren, beispielsweise mit einem Rollwerkzeug, wellenförmige Vertiefungen gedrückt. Auf diese Weise entsteht ein aus einem einzigen Stück be-

stehender Hohlraum, und die Wandung des Hohlraums wird von einer Aufeinanderfolge von ringförmigen Wellenprofilen gebildet, die jeweils, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, hintereinander einen im wesentlichen divergenten ersten Kegelstumpfabschnitt und einen mit diesem verbundenen im wesentlichen konvergenten zweiten Kegelstumpfabschnitt aufweisen. Die auf die Brennkammerachse projizierte Länge 1 des zweiten Abschnitts ist grosser als die entsprechende Länge 1' des ersten Abschnitts; um die Implosionsfestigkeit bei einer Nachbrennkammer zu verbessern, hat es sich als zweckmässig erwiesen, dem Verhältnis l/l¹ ungefähr die Größe 2 zu geben. Bei einer derartigen Bauweise kann auf die Anbringung von Versteifungen, die sich bei anderen Konstruktionen als notwendig erweisen, verzichtet werden.

In die Bereiche des Ringes, die den ersten Abschnitt eines Wellenprofils bilden sollen, wird eine große Zahl von Löchern geschnitten. Diese gleichmässig verteilten Perforationen werden durch Elektronenbeschuß erzeugt, vorzugsweise bevor die Wellenprofils hergestellt werden; der Durchmesser der Löcher soll zwischen 0,3 und 0,8 mm liegen. Die Löcher sind im allgemeinen auf einem oder mehreren Kreisen - oder Reihen - verteilt, die koaxial zu der Kammer liegen, der Abstand zwischen den Kreisen oder Reihen beträgt das Vier- bis Zehnfache des Lochdurchmessers, und die Löcher sind von einer Reihe zur nächsten gegeneinander versetzt angeordnet.

Bei dieser Anordnung entsteht, wenn das Flammrohr in sein Gehäuse eingesetzt ist, zwischen der Aussenseite jedes zweiten Abschnitts des Wellenprofils und der Innenseite des Gehäuses ein divergenter Ringraum, der an seinem stromab gelegenen Ende mit Kühlluft versorgt wird, die den so de-

finierten Raum durchströmt. Am Ausgang des divergenten Ringraums trifft die Luft auf den gelochten ersten Abschnitt eines Wellenprofils und dringt wegen der Druckerhöhung in dem divergenten Raum in das Innere des Flammrohres in Form einer großen Zahl von Luftstrahlen ein, die sich wegen der großen Zahl und des engen Nebeneinanderliegens der Perforationen zusammenzuschließen und eine im wesentlichen zusammenhängende Schicht auf der Innenseite des Flammrohres zu bilden suchen. Dank der hohen Verteilungsdichte der Perforationen werden nun zusätzliche Organe, wie z.B. Leitbleche, zur Bildung eines geeigneten Kühlfilms, d.h. einer zusammenhängenden, homogenen Kühlluftschicht, entbehrlich.

Damit sich eine günstig aufgebaute Kühlschicht aufbauen kann, müssen die Wellenprofile in ihrer Geometrie bestimmten Ansprüchen genügen.

Wenn alle Löcher in den jeweiligen ersten Abschnitten einwandfrei mit Luft versorgt werden sollen, muß ein günstiger Strömungsverlauf in der divergenten Zone zwischen dem zweiten Abschnitt und dem Gehäuse erzielt werden, d.h. die Strömung darf nicht abheben oder abreissen oder anderweitig gestört werden. Dazu muß für den Spitzenwinkel an dem Kegelstumpf ein Wert zwischen 30 und 40° eingehalten werden, wobei der niedrige Wert dieses Winkels ausserdem die Bildung eines wirksamen Films längs des größten Teils der Innenwand des Flammrohres ermöglicht. Ferner muß die Länge dieser divergenten Zone so groß gewählt werden, daß eine gute Wiederverdichtung des Luftstroms erreicht wird. Was die den zweiten Abschnitt bildende Wand betrifft, so muß sie in ausreichender Nähe einer transversal zu der Brennkammer verlaufenden Ebene verlaufen, damit die Beschickung der Löcher unter möglichst hohem Druck erfolgt, d.h. mit dem Gesamtdruck. Bei der Verwirklichung dieser beiden letzt-

^r-? η π η 1 Π / 1 0 P- B

genannten Merkmale muß der für das Längenverhältnis der beiden Abschnitte des Wellenprofils vorgesehene Wert berücksichtigt werden.

Damit die Luftschicht längs der gesamten Innenwand des zweiten Abschnitts eines Wellenprofils möglichst gut anliegt, empfiehlt es sich, die Löcher in die gegen die Strömung gerichtete Seite des Wellenprofils in der Weise zu bohren, daß die Bohrungsachse parallel zu der Erzeugenden des zweiten Abschnitts verläuft. Eine derartige Neigung der Löcher gegenüber der Normalen auf die Wand, in die sie gebohrt sind, läßt sich beim Bohren durch Elektronenbeschuß leicht erreichen.

Die Löcher könnten auch so gebohrt werden, daß ihre Achsen senkrecht auf der Wand des ersten Abschnitts des Wellenprofils stehen. Diese Ausrichtung der Löcher wäre dann zu wählen, wenn anderenfalls eine zu starke mechanische Schwächung der Anordnung zu befürchten wäre. Die Luftschicht könnte bei einer solchen Ausrichtung der Löcher vor dem stromab gelegenen Ende des zweiten Abschnitts des Wellenprofils gestört sein, wodurch die Kühlung der Wand und damit ihre Haltbarkeit beeinträchtigt wäre.Trotzdem ist dank des günstigen Strömungsverlaufs angesichts des kleinen Winkels der divergenten Zone die Wiederverdichtung der Luftströmung ausreichend hoch, um in das stromab gelegene Ende des zweiten Abschnitts des Wellenprofils geschnittene Löcher durch statischen Druck mit Luft zu versorgen. Auf diese Weise wird der Zerstörung der Luftschicht entgegengewirkt und eine wirksame Kühlung des genannten Endes herbeigeführt.

Mit der Anwendung des genannten Bohrverfahrens ist nicht nur eine gute Reproduzierbarkeit der Anordnung der Löcher

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verbunden, das Verfahren läßt sich ausserdem gut an die eigentliche Herstellung der Löcher anpassen, um optimale Schichtströmungen zu erzielen. Man kann im übrigen auch die Verteilungsdichte der Löcher oder den Lochdurchmesser je nach der Position eines Wellenprofils variieren, um Temperaturdifferenzen in dem Kanal zu berücksichtigen, und die Änderung dieser Parameter ermöglicht auf diese Weise vor allem eine Einwirkung auf die je nach der Lage des Wellenprofils eingeführten Luftmengen.

Die Nachbrennrohre bestehen im allgemeinen aus einem zylindrischen Gehäuse, d.h. das Gehäuse hat längs des gesamten Strömungsweges gleichbleibenden Durchmesser, und der mittlere Durchmesser des Flammrohres ist ebenfalls konstant. Das Flammrohr wird dabei aus einer Aufeinanderfolge von Wellenprofilen gebildet, deren stromauf gerichteter Durchmesser, d.h. am stromauf gerichteten Ende des ersten Abschnjlts, gleich ihrem stromab gerichteten Durchmesser, d.h. am stromab gelegenen Ende des zweiten Abschnitts, ist. Die Höhe h des Wellenprofils, d.h. der Unterschied zwischen dem kleinsten und dem größten Radius des Wellenprofils, gemessen an der Verbindungsstelle der beiden Abschnitte des Wellenprofils, wird bestimmt durch die Grenzen, die für den Winkel des durch den zweiten Abschnitt definierten Kegelstumpfs und für das Längenverhältnis der beiden Abschnitte des Wellenprofils gegeben sind. Die Höhe h kann daher für ein und dieselbe Kammer variieren, und es kann zweckmässig sein, diese Möglichkeit auszunützen, um die Düsenwirkung zwischen der Spitze eines Wellenprofils Und der Gehäuseinnenwand zu verstärken oder abzuschwächen.

Mit der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf die zugehörigen Zeichnungen bezieht, soll eine mögliche Ausfüh-

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rungsform der Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Verbrennungseinrichtung/ beispielsweise eine Nachbrennkammer.

Fig. 2 ist eine vergrösserte Einrichtung der Verbrennungseinrichtung nach Fig. 1 in grösserem Maßstab; hier wird eine erste Ausführungsvariante der Flammrohrwand dargestellt.

Fig. 3 ist mit der vorhergehenden Figur vergleichbar und zeigt eine zweite AusfuhrungsVariante der Flammrohrwand.

Die in Fig. 1 gezeichnete Verbrennungseinrichtung umfaßt ein Gehäuse 1 und ein Flammrohr 2, das aus einem Stück besteht oder auch aus einer Folge von Kreisringen zusammengesetzt ist, die miteinander verschweißt oder auf andere Weise fest verbunden sind. Das (im Falle einer Nachbrennkammer) aus einer Turbine austretende heisse Gas strömt in Richtung des Pfeils f in das Rohr 2. Das Flammrohr 2, bei dem die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und die Flammenhalter nicht gezeichnet sind, befindet sich im Inneren des Gehäuses 1 und Flammrohr und Gehäuse sind koaxial. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Bauteilen ein Ringraum 3 ausgespart, in dem Luft in Richtung des Pfeils f' strömt. Diese verhältnismässig kühle Luft dient zum Kühlen der Flammrohrwände.

Man erkennt, daß das Flammrohr 2 aus einer Aufeinanderfolge von kreisringförmigen Wellenprofilen zusammengesetzt ist; jedes Wellenprofil besteht aus einem im wesentlichen kegelstumpf förmigen, in Richtung stromab divergenten ersten Abschnitt 4 und einem im wesentlichen kegelstumpfförmigen, in Richtung stromab konvergenten zweiten Abschnitt 5, der

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-limit dem vorgenannten ersten Abschnitt an seinem den größten Halbmesser RM aufweisenden Ende verbunden ist. In den Figuren sind die Radien am stromauf gerichteten Ende des ersten Abschnitts und dem stromab gerichteten Ende des zweiten Abschnitts übereinstimmend groß mit einem gemeinsamen Wert Rm gezeichnet. Die beiden Radien können aber auch unterschiedlich groß sein. Der Winkel an der Spitze des Kegelstumpfs, der den zweiten Abschnitt bildet, liegt zwischen 30 und 40°. Die Projektion der Länge 1 des zweiten Abschnitts auf die Achse der Brennkammer ist etwa doppelt so groß wie die Projektion I¹ der Länge des ersten Abschnitts. Die Länge 1 wird begrenzt durch die Wirksamkeit der Kühlungsschicht, womit auch die Länge L der Wellenprofile begrenzt wird.

Löcher 6, deren Durchmesser 0,3 bis 0,8 mm beträgt und die mit einem Abstand von größenordnungsmässig vier- bis zehnfachem Durchmesser verteilt sind, befinden sich auf dem stromauf gerichteten Abschnitt jedes Wellenprofils. Die Löcher liegen in einer oder in mehreren, koaxial mit dem Flammrohr verlaufenden Reihen; in aufeinanderfolgenden Reihen sind die Löcher gegeneinander versetzt.

Bei einer in Fig. 2 gezeichneten ersten Ausführungsform verläuft die Achse der Löcher 6 praktisch parallel zu der Erzeugenden der Wand des zweiten Wellenprofilabschnitts. Die durch die Löcher eingeblasene Luft bildet somit eine Schicht, die in günstigem Verlauf strömt und ihre Wirkung über eine große Strecke beibehält.

Bei der in Fig. 3 gezeichneten zweiten Ausführungsform verläuft die Achse der Löcher 6 senkrecht zu der Erzeugenden der Wand des ersten Wellenprofilabschnitts; eine solche Lösung kann unvermeidlich sein, wenn die Löcher in hoher

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Verteilungsdichte angeordnet sind und vermieden werden muß, die Festigkeit der Wand durch eine zu hohe Materialentnahme in unzulässiger Weise herabzusetzen. Unter derartigen Umständen könnte die Kühlluftschicht in Richtung stromab ihre Wirkung einbüßen; um trotzdem das Ende der Wand des zweiten Abschnitts zu kühlen, empfiehlt es sich, in diese Wand zusätzliche Löcher 7 zu schneiden, damit eine gewisse Luftmenge in dieser Höhe einzuströmen vermag. Bei der Wahl der Verteilungsdichte der Löcher ist die Lage des Wellenprofils innerhalb des Strömungskanals zu berücksichtigen, d.h. das Ausmaß der Wärmebelastung, der sie ausgesetzt ist.

Die für den Spitzenwinkel des den zweiten Abschnitt bildenden Kegelstumpfes gewählten Grenzwerte führen in Verbindung mit dem Gehäuse zu einer Divergenzzone, in der der Luftstrom einwandfrei verläuft, d.h. nirgendwo abhebt, wodurch auch die Wirksamkeit der Kühlluftschicht gewährleistet ist. Eine solche einwandfrei fliessende Strömung ist im übrigen auch Bedingung dafür, daß die Löcher 7, die ihrerseits nicht dem Gesamtdruck der Strömung sondern nur deren statischem Druck ausgesetzt sind, richtig beaufschlagt werden. Dadurch ist ausserdem auch eine geeignete Länge der divergenten Zone bedingt, wenn eine ausreichende Widerverdichtung der Strömung herbeigeführt werden soll.

Der Winkel an der Spitze des Kegelstumpfs, der den ersten Abschnitt bildet, ist durch die vorstehenden Überlegungen bedingt, nämlich durch den Winkel an der Spitze des zweiten Abschnitts und das Längenverhältnis des ersten und zweiten Abschnitts. Man sucht im übrigen dessen Betrag so hoch wie möglich zu halten, um den Gesamtdruck der Strömung am Ausgang der divergenten Zone für die Versorgung der Löcher 6 auszunützen.

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Die Löcher 6 und 7 werden durch Elektronenbeschuß hergestellt; um diesen Vorgang zu vereinfachen, kann er ausgeführt werden, bevor die Wellenprofile in die Ringe eingedrückt werden, die die Brennkammer bilden sollen.

Die Höhe h eines Wellenprofils, d.h. der Unterschied zwischen dem größten Radius RM des Wellenprofils an der Stelle, wo die beiden Abschnitte des Profils zusammentreffen, und dem Radius Rm an dem stromauf gelegenen Ende kann je nach der Lage des Wellenprofils variieren, um die Düsenwirkung zu optimieren, die sich zwischen der Spitze jedes Wellenprofils und der Wand des Gehäuses einstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Flammrohres scheint besonders vorteilhaft für die Produktion von Nachbrennerrohren, da es einfach auszuführen ist und mit niedrigen Produktionskosten arbeitet. Es führt zu beträchtlichen Materialeinsparungen, vor allem bei Nachbrennerrohren, ohne daß Verstärkungseinrichtungen vorgesehen werden müssen, nachdem die Wellenprofilform angewandt wird. Ausserdem brauchen keine Blenden vorgesehen zu werden, so weit deren Düsenwirkung durch die Spitzen der Wellenprofile herbeigeführt werden kann. Mit dem Verfahren zur Bildung der anliegenden Kühlungsschicht wird ein günstig wirkender Film erzeugt, ohne daß dazu die an sich bekannten Leitbleche oder Beruhigungskammern erforderlich sind, die den Aufbau solcher Rohre erheblich komplizieren.

Die Herstellung aus einem Stück, ausgehend von einer Walzblechtafel, erscheint besonders vorteilhaft insofern, als Schweissungen auf ein Minimum reduziert werden und die Verwendung von sonstigen Befestigungsmitteln, wie sie aus früheren Einrichtungen dieser Art bekannt sind, vermieden

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werden. Offensichtlich ist die einstückige Herstellung nicht die einzig mögliche; die Brennkammer könnte auch aus einer Aufeinanderfolge von ringförmigen, gewellten Elementen hergestellt werden, die miteinander durch Schweissen, Nieten oder auf andere bekannte Weise verbunden werden, jedoch ist eine derartige Lösung weniger vorteilhaft.

ntanwalt

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Claims

Ansprüche :

1. /ferbrennungseinrichtung für Turbomotoren, mit einem in einem Gehäuse koaxial angeordneten Flammrohr, so daß zwischen der Innenseite der Gehäusewand und der Aussenseite der Flammrohrwand ein Raum verbleibt, in dem ein Luftstrom fließt, dessen Temperatur unter der Temperatur des in dem eigentlichen Flammrohr strömenden Gases liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Flammrohres (2) aus einer Aufeinanderfolge von ringförmigen Wellenprofilen besteht, die jeweils, in Strömungsrichtung des Gases gesehen, hintereinander einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen divergenten ersten Abschnitt (4) und einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen, konvergenten, mit dem vorhergehenden Abschnitt (4) verbundenen zweiten Abschnitt (5) aufweisen, dessen auf die Brennkammerachse projizierte Länge (1) größer ist als die entsprechende Länge (I¹) des ersten Abschnitts (4), und daß der erste Abschnitt (4) eine große Zahl zum Einleiten von Kühlluft dienender Löcher (6) aufweist, deren Durchmesser zwischen 0,3 und 0,8 mm liegt und die mit einem gegenseitigen Abstand zwischen dem vier- und zehnfachen Betrag des Lochdurchmessers gleichmässig verteilt angeordnet sind.

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2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Achse des Flammrohres (2) gemessene Länge (1) des zweiten Abschnitts (5) eines Wellenprofils etwa doppelt so groß ist wie die entsprechende Länge (I¹) des ersten Abschnitts (4).

3. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Winkels an der Spitze des von dem zweiten Abschnitt (5) gebildeten Kegelstumpfs zwischen 30 und 40° liegt.

4. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der in den ersten Abschnitt (4) jedes Wellenprofils geschnittenen Löcher praktisch parallel zu der Erzeugenden des zweiten Abschnitts (5) des Wellenprofils verlaufen.

5. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der in den ersten Abschnitt (4) jedes Wellenprofils geschnittenen Löcher (6) senkrecht auf der Wand stehen, in die die Löcher geschnitten sind.

6. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche enge Löcher (7) gleichmässig verteilt in dem stromab gerichteten Ende des zweiten Abschnitts (5) des Wellenprofils vorgesehen sind.

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7. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß der Radius am stromauf gelegenen Ende jedes Wellenprofils gleich dem Radius am stromab gelegenen Ende ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Flammrohres zu Verwendung in der Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (2) aus einem flachen, zu einem Rotationshohlkörper zusammengeschweißten Walzblech hergestellt wird, in das dann durch Elektronenbeschuß Löcher (6, 7) geschnitten werden, die der Zufuhr von Kühlluft dienen sollen, und daß das Eindrücken der Wellenprofile nach dem Schneiden der Löcher (6, 7) nach einem Drückverfahren mit einem Rollwerkzeug erfolgt.

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