DE2925282C2 - Flammenhalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flammenhalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Flammenhalier ist aus der US-PS 69 116 bekannt. Ein Flammenhalter ähnlicher Bauart jedoch anderer Ausbildung des Scheitels des kleinen Bogens jedes Arms ist aus der US-PS 34 86 045 bekannt Bei Turbinen-Strahltriebwerken, kurz Gasturbinen, mit Nachverbrennung für die kommerzielle Luftfahrt wird ein partielles Erhitzungssystem verwendet das im Nachbrenner bzw. dessen Kanal wirksam ist und zwar durch Brennstoffeinspritzung durch einen Injektionsarm im Nachbrenner oder durch Einschalten eines zusätzlichen Injektionsarms, um den unzureichenden

ίο Schub auszugleichen, der sich beim Ausfall eines Triebwerks gegen Strömungsablösung ergibt, wobei dieser Ausgleich eine momentane Erhöhung des Nacherhitzungsanteils der intakten Triebwerke beinhaltet

Der Nachbrenner ist normalerweise mit einem Flam-

>5 menhalter-Ring versehen, der stromab der Injektionsarme liegt Im Hinblick auf den erhöhten Leistungsbereich des partiellen Erhitzungssystems ist die wirksame Fläche des Flammenhalter-Rings durch die Flammenhalter-Arme vergrößert, die an dem Ring befestigt und so angeordnet sind, daß sie strahlenförmig von letzterem ausgehen. Folgende Anordnungen sind üblich und zum Teil aus den oben genannten Druckschriften bekannt:

a) Zwecks optimaler Wirksamkeit des Flammenhalter-Rings ist der laufende Querschnitt U- oder V-förmig, wobei die Flanken durch einen kleinen Bogen miteinander verbunden sind, dessen Scheitel in der Brennkammer stromauf weist;

b) der Querschnitt jedes Flammenhalter-Arms ist ebenfalls U- oder V-förmig ausgebildet, wobei dessen Flanken ebenfalls durch einen kleinen Bogen miteinander verbunden sind, dessen Scheitel ebenfalls stromauf gegen die Strömung gerichtet ist;

c) zur Vermeidung einer Überhitzung der Kanalwand durch die Nähe der Enden derjenigen Arme, die an der Außenflanke des Rings, d. h. der der Wand gegenüberliegenden Flanke angeordnet sind, sind zweckmäßig, sofern nicht der Durchmesser des Rings sehr viel kleiner ais der des Kanals ist, die Arme an der InnenfJanke des Rings befestigt, von wo aus sie strahlenförmig in Richtung zur Achse des Kanals verlaufen.

Durch letztere Maßnahme wird vorteilhaft am Auslaß des Kanalrohrs ein sich stromab erstreckender Hcißgaskern erzeugt, innerhalb dessen die Verbrennungsreaktionen sich fortsetzen können, was dazu beiträgt, den Anteil unverbrannter Stoffe zu vermindern.

Dabei ist es üblich, die Arme durch Schweißen zu befestigen und dabei die Anordnung gegenüber dem Ring so zu treffen, daß die Länge der Schweißraupe so groß wie möglich wird mit dem Ziel, der Anordnung aus Ring und Armen maximale mechanische Widerstandsfähigkeit und Steifigkeit zu verleihen.

Bei den Flammenhaltern gemäß dem Stand der Technik treten jedoch Nachteile auf. Bei dem Flammenhalter gemäß der US-PS 34 85 045 ist der Arm nicht an der innenliegenden Flanke des Flammenhalter-Rings angeschweißt, vielmehr weist diese Unterbrechungen auf, an deren Stelle der Arm angeordnet ist. Der Scheitel des die Flanken des Rings verbindenden Bogens geht somit direkt in den Scheitel des die Flanken des Arms verbindenden Bogens über. Darüber hinaus weist der Arm insbesondere im Übergangsbereich zum Ring einen kleinen Winkel zwischen den Flanken des Arms auf, wobei der Winkel mit dem Abstand vom Ring wächst. Es ist ferner zu bemerken, daß die Arme an ihren Enden durch eine Platte abgeschlossen sind.

Bei der gattungsbildenden US-PS 32 69 116 sind mehrere Flammenhalter-Ringe in konzentrischer Anordnung vorgesehen. Arme weisen stromab des zugehörigen Flammenhalter-Rings und gehen dort im wesentlichen am stromab gelegenen Ende der Flanken des Rings aus. Jedoch sind sie ebenfalls durch Verlängerungen der innenliegenden Flanke des Rings gebildet. Bei beiden Flammenhaltern gemäß dem Stand der Technik sind also die Arme als Fortsetzung der Ringe ausgebildet, weshalb die bei einer Verschweißung auftretenden Probleme nicht auftreten können. Der Strömungswiderstand nimmt mit wachsendem Abstand vom Ring zu, weshalb am außenliegenden Ende der Arme die größten Druckkräfte angreifen, und die Ansatzstellen der Arme am Ring besonders beansprucht sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Flammenhalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Überhitzungen und Beeinträchtigungen der Widerstandsfähigkeit und Steifigkeit im Bereich der Verbindung zwischen den Armen und dem Ring wesentlich verringert sind.

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

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet

Durch die besondere Ausbildung des Querschnitts jedes Arms wird eine merkliche Verminderung des Strömungswiderstandes des freien Endes jedes Arms, und damit einer Verschiebung des Zentrums der Druckkräfte in die Nähe des Rings, erreicht

Es hat sich gezeigt daß es zum Verringern örtlicher Erhitzungen zweckmäßig ist den Ausgangsquerschnitt jedes Arms soweit wie möglich stromab zu verschieben. Die anmeldungsgemäße Anordnung erlaubt nun eine Anschweißung der Arme ohne Gefahr einer die Schweißnaht beeinträchtigenden örtlichen Überhitzung.

Von besonderem Vorteil ist es, jeden Arm am Ring durch mindestens ein Eckstück oder Stückteil zu befestigen, das einerseits an der Flanke des Rings und andererseits im Bereich des Scheitels des kleinen Bogens des Arms angeschweißt ist.

Die das Eckstück befestigenden Schweißraupen können so lang ausgebildet sein, daß auf eine direkte Befestigungsnaht des Arms an dem Ring verzichtet werden kann. Es ist ferner vorteilhaft zwischen dem Arm und der Flanke des Rings einen kleinen Zwischenraum vorzusehen, der derart bemessen ist, daß die in diesem Zwischenraum zirkulierende Strömung die Kühlung des Ausgangsquerschnittes und des Abschnittes stromab der Flanke fördert Vorteilhaft werden dabei die Eckstücke in Ebenen angeordnet die durch die Achse des Kanals gehen, so daß durch die Eckstücke die Strömung praktisch nicht gestört wird.

Ferner ist es vorteilhaft an dem dem Flammenhalter-Ring abgewandten Ende der Arme einen zum Flammenhalter-Ring konzentrischen Ring ähnlicher Ausbildung anzuordnen.

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

Fig. I im axialen Halbschnitt einen Teil eines Nachbrenners, der mit einem Flammenhalter gemäß der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 vergrößert eine Stirnansicht eines Teils des Flammcnhaltersnach Fig. 1;

F i g. 3 den Schnitt x-x in F i g. 2;

F i g. 4 den Schnitt y-j in F i g. 2;

F i g. 5 einen Schnitt längs der Axialebene in F i g. 2.
Eingangs sei auf F i g. 1 Bezug genommen, die im Inneren eines Nachbrennerkanals (dessen Wand nicht dargestellt ist) eines Turbinenstrahltriebwerks (Gasturbine) ein Ausführungsbeispiel eines Nacherhitzungssystems zeigt. Dabei werden zuerst die grundsätzlich bekannten Anordnungen des Systems beschrieben. Ein Flammenhalter-Ring 20 eines Flammenhalters 10 weist einen laufenden Querschnitt in Form eines U oder V mit

ίο einem kleinen Bogen 21 auf. Er ist derart angeordnet daß der Scheitel des kleinen Bogens 21 stromauf weist und daß die Kanten der Schenkel des U oder des V stromab gerichtet sind. Der Ring 20 trägt mehrere Flammenhalter-Arme 30, die von der inneren Flanke des Rings 20 ausgehen, d. h., von derjenigen Flanke, die gegen die Achse des Kanals gerichtet ist Die Arme 30 erstrecken sich in Richtung dieser Achse. Ein ringförmiger Injektionsarm 40, der von nicht dargestellten Brennstoff-Kanälen versorgt wird, ist um das Ende 50 des Zentralkörpers der Gasturbine angeordnet, und zwar stromauf des Flammenrückhalters 10. Er gibt den Brennstoff im Gegenstrom durch licht dargestellte Injektionsöffnungen gegen eine ringförnJge Pralleinrichtung 41 ab, die rinnenförmigen Querschnitt besitzt Der Ring 20 wird auf dem Ende 50 des Zentralkörpers über schräge Stangen 60 gehalten, deren jede einerseits am Ende j0 des Zentralkörpers mittels eines Gelenks 61, das mit dem Ende 50 verschweißt ist, und andererseits am kleinen Bogen 21 des Rings 20 mittels eines Geienks 62, das mit dem kleinen Bogen 21 verschweißt ist angelenkt ist Der Injektionsarm 40 wird von dem Ring 20 mittels geneigter Arme 70 getragen, deren jeder einerseits am Ring 20 mittels des Gelenks 62 und andererseits am Injektionsarm 40 mittels eines ringförmigen Gelenks 63, das mit dem Injektionsarm 40 fest verbunden ist, angelenkt ist. Die Pralleinrichtung 41 ist am Injektionsarm 40 durch nicht dargestellte Eckstücke befestigt

Der Injektionsarm 40 wirkt mit der Praiieinrichtung 41 derart zusammen, daß in den Nachbrennerkanal ein ringförmiger, sehr homogener Brennstoffschleier eingespritzt wird. Durch die Verankerung des Ringes 20 am Erde 50 des Zentralkörpers mittels der schwenkbaren Stangen 60 sowie durch die Verankerung des Injektionsarms 40 am Ring 20 mittels der schwenkbaren Stangen 70 erzielt man eine isostatische Gesamt-Aufhängung, die den Ring 20 und den Injektionsann 40 zur Achse des Nachbrennerkanals zentriert hält, ohne Spannungen zu verursachen, trotz der beträchtlichen Temperaturänderungen, denen diese Bauteile unterworfensind.

In dem speziellen Anwendungsfall einer Zweistromturbine wird die gesamte Gasbeaufschlagung, die durch den Nachbrennerkanal hindurchgeht, in erster Näherung von zwei konzentrischen ringförmigen Strömungen gebildet Die eine, die durch den Pfeil C wiedergegeben ist, umgibt das Ende 50 des Zenfalkörpe.-s; sie besteht aus der Gasströmung, die von der nicht dargestellten Turbine geliefert wird. Die andere ringförmige Strömung, die durch den Pfeil A wiedergegeben ist, urr>gibt die Strömur g G; sie wird von der nicht dargestellten Wand des Nachbrennerkanals umgeben. Sie besteht aus der in den Nachbrennerkanal eingeführten Sekundärluft, der der Brennstoff beigemischt wird, der durch den Injektionsarm 40 eingebracht und durch die Pralleinrichtung 41 verteilt wird.

Bei normaler I ünktion reicht der Flammenhalter-Ring 20 aus, um lokal die Geschwindigkeit der ringförmigen Strömung A zu vermindern und um eine ringför-

mige Rezirkulationszone zu erzeugen, mit dem Zweck, die Flamme an ihrem Platz festzuhalten. Das Aufblähen der Rezirkulationszone stromab der Flammenhalter-Arme 30 erzeugt sehr stabile Verbrennungszonen, die die Flamme in diejenigen Regionen des Rings 20 richtet, in denen keine Flammenhalter-Arme 30 vorhanden sind. Aufgrund dieses Effektes ist es möglich, die Reichheit des Brennstoffgemisches zu erhöhen, sei es durch einen zusätzlichen Injektionsarm, sei es, wie im Falle des Systems nach F i g. I, durch Vergrößerung der Brennstoffmenge, die durch den Injektionsarm 40 eingebracht wird.

Wie bereits dargelegt, besteht die Erfindung in der Form der Flammenhalter-Arme 30 und in der Art ihre Befestigung am Flammenhalter-Ring 20.

Es sei nun Bezug genommen auf die F i g. 2 bis 5, die Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Flammenhalters 10 zeigen.

Wie insbesondere F i g. 5 zeigt, ist jeder Flammenhalter-Arm 30 (vgl. Fig. 1) so weit wie möglich stromab versetzt, um in gleichem Maße die Fläche desjenigen Abschnitts des Ringes 20 zu vermindern, der einer Überhitzung ausgesetzt ist. Der Ansatzpunkt des Scheitels 31 des kleinen Bogens des Armes 30 liegt also merklich näher an der Abströmkante der Flanke 23 des Rings 20 als an der Verbindungsstelle dieser Flanke 23 mit dem kleinen Bogen 22.

Andererseits sind die Abströmkanten 32 der Flanken 34 des Arms 30 so angepaßt, daß ihre Ausgangspunkte in der Nähe der Abströmkante 24 der Flanke 23 des Rings 20 liegen, wodurch jegliche Überhitzung des Arms 30 in einer Zone verhindert wird, die stromab über die Abströmkante 24 vorspringen könnte. Diese Anpassung wird dadurch erzielt, daß man dem Arm 30 einen laufenden Querschnitt gibt, der sich so entwickelt, daß der von seinen Flanken 34 gebildete Winkel (siehe F i g. 3 und 4, die Schnitte des Arms 30 in den Ebenen χ und y nach F i g. 2 darstellen) um so weiter geöffnet ist, je mehr sich der Querschnitt dem Ring 20 annähen. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß sich das Zen- »rum der Druckkräfte des Gases auf jedem Arm 30 in die Nähe des Ringes 20 verschiebt, indem der Luftwiderstand der vom Ring 20 entfernt liegenden Enden der Arme 30 vermindert wird.

Diese Anordnung kann gleichzeitig mit der Schweißbefestigung der Arme 30 am Ring 20 realisiert werden, jedoch unter der Bedingung, daß die mechanische Festigkeit der Baugruppe ausreichend groß bleibt. Die optimale Lösung zur Unterdrückung der Überhitzung besteht allerdings darin, daß jeder Arm 30 so weit wie möglich stromab des Rings 20 verschoben wird, und zwar derart, wie es auch F i g. 5 zeigt, daß der Scheitel 31 des Arms 30 von der Flanke 23 des Rings 20 in der Nähe der Abströmkante 24 ausgeht Die Festigkeit der Schweißkonstruktion stellt somit eine Kompromißlösung dar. Überdies sieht die Erfindung die Verstärkung der Verbindungsstelle zwischen dem Arm 30 und dem Ring 20 durch mindestens ein Eckstück 33 (Stütztei!) vor, das einerseits an einen Abschnitt der Mantellinie des Rings 20 stromauf des Arms 30 und andererseits in der Nähe des Scheitels 31 des kleinen Bogens verschweißt ist. Das Eckstück 33 liegt folglich seiner Ausrichtung nach in einer Axialebene des Nachbrennerkanals und stellt praktisch keine Störung der Strömung dar. Der Arm 30 ist also am Ring 20 um so sicherer befestigt, als sich die Schweißraupen über den gesamten Scheitel des Armes 30 und über eine große Länge der Mantellinie des Rings 20 erstrecken können. Andererseits bietet die Anordnung von zwei Eckstücken 33 (siehe F i g. 3 und 4) die Möglichkeit, der Verbindungsstelle hohe Festigkeit zu verleihen und dabei die Dichte der Eckstücke und der Schweißnähte zu reduzieren. Die Verwendung von einem oder von zwei Eckstücken 33 bietet letzten Endes die Möglichkeit, die direkte Verschweißung des Arms 30 mit dem Ring 20 zu vermeiden und zwischen beiden einen Zwischenraum 25 (F i g. 5) vorzusehen, der einen freien Durchgang des Brennstoffgemisches zur

ίο Verbesserung der Kühlung der beiden Bauteile gestattet.

Die Fig.2, 4 und 5 zeigen ferner eine Platte 35, die das dem Ring 20 entgegengesetzte Ende des Querschnitts des Arms 30 verschließt. Ihre tatsächliche Wirkung beruht auf Strahlung und Konvektion, um die Kühlung des Arms 30 zu fördern. Vorzugsweise sollte die Platte 35, wie in F i g. 5 dargestellt, stromab gegen die Achse des Nachbrennerkanals geneigt sein. Anders ausgedrückt, sind die mehreren Platten 35 auf einer konischen Fläche angeordnet, deren Spitze stromab des Rings 20 liegt. Diese Anordnung vermeidet Strömungsablösungen, die die Wirksamkeit der Platten 25 merklich beeinträchtigen könnten.
Was den Zwischenraum 25 zwischen dem Ring 20 und jedem Arm 30 (Fig.5) anbelangt, so sollte dieser breit genug sein, um einen freien Durchgang einer ausreichenden Menge an Kühlgas zuzulassen, ohne jedoch einen Prennwert zu überschreiten, jenseits dessen die Gasströmung die Gefahr mit sich bringt, daß die Flamme stromab des Armes 30 geblasen wird. Versuche haben gezeigt, daß die Breite im wesentlichen zwischen 0,5 und 4 mm liegen sollte, und daß in den meisten Fällen eine Breite 1 bis 2 mm besonders vorteilhaft ist.
Versuche mit einem Flammenhalter 10 nach der Erfindung, jedoch ohne Wand 35, haben gezeigt, daß in unterschiedlichen Zonen der Vorrichtung folgende Temperaturen erreicht wurden:

Eckstück 33: etwa 850° C;

Außenwand des rinnenförmigen Querschnitts des Rings 20: etwa 850⁰C; einschließlich des Bereichs, der den Zwischenraum 25 begrenzt;

Außenwand des rinnenförmigen Querschnitts des Arms 30: etwa 850°C an dem Ende nahe dem Ring 20, 1050 bis 1150° C am gegenüberliegenden Ende, 900 bis 1050°C in den Zwischenregionen;

im Inneren des rinnenförmigen Querschnitts des Arms 30: etwa 950°C an dem Ende nahe dem Ring 20, 1050 bis 1150° C am gegenüberliegenden Ende, 1000 bis 1050° C in den Zwischenregionen.

Man sieht, daß der Zwischenraum 25 in wirksamer Weise die Möglichkeit bietet die Befestigungsstellen zwischen dem Ring 20 und den Armen 39 zu kühlen.

Was die diesen Regionen gegenüberliegenden Enden der Arme 30 anbelangt so bieten die Verlängerungen 35a der Wände 35 ersichtlich die Möglichkeit, deren Temperatur zu senken.

Die vorliegende Erfindung ist nicht nur im Zusammenhang mit Gegenstrom-Injektionsarmen wie im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendbar, sondern gleichermaßen auch im Zusammenhang mit Gleichstrom-Injektionsarmen. Die Verteilung der Flammenhalter-Arme 30 ist ersichtlich im erstgenannten Fall weniger kritisch als im zweiten Fall.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 Patentansprüche:

1. Flammenhalter für Brennkammern von Gasturbinen oder für Nachbrenner,

mit einem umlaufenden Flammenhalter-Ring mit laufendem U- oder V-förmigen Querschnitt, dessen Flanken durch einen kleinen Bogen verbunden sind, dessen Scheitel stromauf gegen die Strömung durch die Brennkammer gerichtet ist, und
mit mehreren strahlenförmig von einer Flanke des Rings ausgehenden Flammenhalter-Armen mit U- oder V-förmigem Querschnitt, dessen Flanken durch einen kleinen Bogen verbunden sind, dessen Scheitel ebenfalls stromauf gegen die Strömung gerichtet ist, wobei der Ausgangspunkt des Scheitels des kleinen Bogens jedes Arms auf der Flanke des Flammenhalter-Rings merklich näher an dessen stromab gelegenen Kante als an dessen stromauf gelegenen Scheitel liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt jedes Arms (30) derart entwickelt, daß der von dessen Flanken (34) eingeschlossene Winkel sich umsomehr öffnet, je näher der Querschnitt an dem Ring (20) liegt

2. Flammenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arm (30) an dem Ring (20) über mindestens ein Eckstück (33) befestigt ist, das im wesentlichen in einer Axialebene des Nachbrennerkanals liegt und einerseits an einem Abschnitt des Rings (20) sowie andererseits an dem Arm (30) in der Nähe seines Scheitels (31) festgeschweißt ist.

3. Flammenhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arm (30) an dem Ring (20) unter Zwischenschiltung von zwei im wesentlichen parallelen Eokstücken (33) befestigt ist.

4. Flammenhalter nactr eine: der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ringseitige Ende jedes Arms (30) mindestens teilweise mit der Flanke (23) des Flammenhalter-Rings (20) verschweißt ist.

5. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Zwischenraum (25) zwischen dem ringseitigen Ende jedes Arms (30) und der Flanke (23) des F!ammenhalterrings(20).

5. Flammenhalter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Breite des Zwischenraums (25) von 0,5 bis 4 mm.

7. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß der vom Flammenhalter-Ring (20) abgewandte Endquerschnitt jedes Arms (30) durch einen Abschnitt (35) eines zum Flammenhalter-Ring (20) konzentrischen Rings verschlossen ist.

8. Flammenhalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der konzentrische Ring ebenfalls ein umlaufender Flammenhalter-Ring mit entsprechendem laufenden U- oder V-förmigen Querschnitt ist, dessen Flanken durch einen kleinen Bogen verbunden sind, dessen Scheitel stromauf gegen die Strömung durch die Brennkammer gerichtet ist.

9. Anwendung des Flammenhalters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei der Brennkammer, insbesondere des Nachbrenners, eines Turbinen-Strahltriebwerks.