DE3007209C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flammrohrwand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Flammrohrwand wird vor allem für Brennkammern von Luftfahrt-Strahlturbinen verwendet, die dazu bestimmt sind, die Verbrennung eines Kraftstoffes in einer Luft­ strömung hohen Drucks sicherzustellen. Die Flammrohrwand ist in Längsrichtung in der Luftströmung angeordnet und mit einer Kühlvorrichtung versehen, welche Mittel aufweist, um einen Luftfilm auf der Innenfläche der Flammrohrwand mit dem Zweck zu erzeugen, die Innenfläche der direkten Einwirkung der Flamme zu entziehen. Eine solche Kühlung ist unter der Bezeichnung "Filmkühlung" bekannt.

Das Hauptproblem für eine wirksame Filmkühlung besteht in der ausreichenden Verzögerung der Kühlluft auf eine gewünschte Geschwindigkeit gleich der der heißen Gase, um zu bewirken, daß die an der Innenfläche der Flammrohr­ wand strömende Kühlluft einen gleichmäßigen Film bildet.

In der DE-OS 24 06 277 ist eine Flammrohrwand der eingangs bezeichneten Art in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben und dargestellt, wobei die Kühlluft durch ringförmige Taschen in den Brennraum eingeführt wird und dabei durch in Strömungsrichtung des Brenngases, entgegengesetzt dazu oder radial einwärts gerichtete Öffnungen zunächst in die Taschen und dann durch einen ringförmigen Schlitz in den Brennraum gelangt. Der zur Strömungsrichtung der Brenngase entgegengesetzte und der radial einwärts gerichtete Verlauf der Öffnungen ist in den meisten Anwendungsfällen im Hinblick auf eine angestrebte Menge der Kühlluft unzureichend. Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen die Öffnungen in der Wand der Vorsprünge angeordnet sind, auf die die Luftströmung im Luftkanal direkt auftrifft, vgl. insbesondere Fig. 6 bis 8, sind gemäß Fig. 7 und 8 im Übergangsbereich zwischen der Tasche und dem stromab­ wärtigen Ring zurückspringende Ansätze bzw. Schienen vorgesehen, die eine Hinterschneidung der Tasche bilden, und zu einer unruhigen Luftströmung bzw. Wirbelbildung führen. Gemäß Fig. 6 ist am Übergang zwischen der Tasche und dem stromabwärtigen Ring eine zurückspringende Zunge zwar nicht vorhanden, jedoch ist bei dieser Ausge­ staltung die Wand des Vorsprungs, auf den die im Luftkanal strömende Luft auftrifft, engegen der Strömungsrichtung spitzwinkelig geneigt, wodurch sich in der Tasche eine unruhige Luftströmung für die durch die Öffnungen strömende Luftstrahlen ergibt, was auch zu einer ungleichmäßigen Strömung im Brennraum führt. Bei allen aus der DE-OS 24 06 277 entnehmbaren Ausführungsbeispielen ist außerdem die Querschnittsform der Tasche bzw. des jeweiligen Vorsprungs aufgrund kantiger Ausbildung nicht geeignet, die sich in der Tasche bildende Strömung der Kühlluft zu beruhigen. Hierzu ist zu bemerken, daß die Querschnittsform des Vorsprungs Einfluß nimmt sowohl auf die sich in der Tasche bildende Luftströmung als auch auf die Luftströmung im Luftkanal, die möglichst nicht beeinträchtigt werden soll. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist zwar eine abgerundete Tasche und auch ein abgerundeter Vorsprung vorgesehen, der sich über die Stufe hinaus in den Luftkanal erstreckt, jedoch sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Lufteintritts­ öffnungen in der der Luftströmung im Luftkanal abgewandten Wand des Vorsprungs angeordnet.

Aus DE-Z. BWK 27 (1975), Nr. 5, S. 201 bis 205 ist eine Flammrohrwand in einer der vorbeschriebenen ähnlichen Ausgestaltung zu entnehmen, bei der jedoch die Vorsprünge zwischen den Ringen nicht über die jeweilige Stufe hinaus in den Luftkanal vorspringen, d. h., es sind im eigentlichen Sinne keine Taschen zur Einführung der Kühlluft gebildet, sondern letztere wird in zwischen den Ringen vorhandene Stufen eingeführt, wobei eine Vielzahl kleinerer und versetzt zueinander angeordneter Löcher in der Wand der Vorsprünge vorgesehen sind, auf die der Luftstrom im Luftkanal auftrifft. Bei dieser Ausgestaltung gelangen die in den Löchern gebildeten Kühlluftstrahlen ohne Beruhigung bzw. Vergleichmäßigung direkt in den Brennraum, was hinsichtlich einer gleichmäßi­ gen Kühlluftströmung an der Innenwand der Flammrohrwand unzureichend ist.

Eine mit der vorbeschriebenen vergleichbare bekannte Ausgestaltung ist auch in der DE-AS 22 02 356 und in der US-PS 37 35 589 beschrieben und dargestellt, allerdings erstreckt sich bei diesen Ausgestaltungen die dem Luftstrom im Luftkanal zugewandte Wand der Vorsprünge schräg in Strömungsrichtung. Hierdurch wird der vorbeschriebene Nachteil jedoch nicht aufgehoben. Bei der Ausgestaltung gemäß US-PS 37 35 589 ist zwar der in den Vorsprung einströmenden Kühlluft eine vom stromabwärtigen Ring gekrümmt vorspringende Wand vorgesehen, jedoch bildet diese Wand einen weiteren Lufteinlaß im stromabwärtigen Ring.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flammrohr­ wand der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß eine gleichmäßigere Kühlluftströmung an der Innenwand der Flammrohrwand, d. h., ein wirksamerer Kühlfilm erzielt wird.

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

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Kühlluft durch eine Vielzahl gegeneinander versetzt angeordneter Löcher in der dem Luftstrom im Luftkanal zugewandten Wand der Vorsprünge in die Taschen eingeführt, wodurch eine rasche Vereinigung dieser kleinen benachbarten Luftstrahlen erreicht wird. Die auf diese Weise in die Tasche gelangende vorvereinigte Kühlluft wird aufgrund der erfindungsgemäßen Querschnittsform der Tasche weiter beruhigt und homogenisiert, wozu auch die die Tasche innenseitig begrenzende Zunge beiträgt. Die Kühlluft wird ohne Verwirbelungen zum Austrittsschlitz der Taschen geleitet, wo sie als homogener und gleich­ mäßiger Luftstrom mit einer der Geschwindigkeit des Brenngases in der Brennkammer entsprechenden Geschwindigkeit an der Innenwand des Flammrohrs strömt und somit letzteres vor schädlichen Einwirkungen der Flammen schützt.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Konvektions­ wärmeaustausch an den Öffnungen an der Kühlung der Flammrohrwand teilnimmt, und zwar an einer Stelle, die besonders stark den thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Außerdem verleiht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorsprünge der Brennkammer eine beträchtliche zusätz­ liche Widerstandsfähigkeit, und zwar insbesondere im Falle von Brennkammern mit großem Durchmesser für Trieb­ werke mit erhöhtem Druckverhältnis.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Brennkammer einer Turbomaschine mit einer erfindungsgemäßen Flammrohrwand im schematischen Axialschnitt;

Fig. 2 die Einzelheit II aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 den Schnitt III-III in Fig. 2.

Bei der Brennkammer handelt es sich um eine ring­ förmige Brennkammer, wie sie in bestimmten Turbo­ maschinen zur Anwendung kommt. Die Brennkammer und ein darin angeordnetes Flammrohr weisen eine bezogen auf die Achse A-A ringförmige Rotationsform auf. Das Flammrohr hat zwei koaxiale Wände 2 und 3 von im wesentlichen zylindrischer Form, welche aus aufein­ anderfolgenden Blechstreifen bestehen. Die Erfindung kann jedoch gleichermaßen auch auf rohrförmige Brennkammern angewendet werden.

Im ringförmigen Raum 1 im Flammrohr findet die Verbrennung des Brennstoffs statt, der von Einspritzdüsen 4 eingebracht wird. Die Einspritzdüsen 4 sind kranzförmig um die Achse A-A angeordnet.

Das ringförmige Flammrohr ist seinerseits innerhalb eines ringförmigen Luftkanals angeordnet, der ebenfalls eine Rotationsform bezogen auf die Achse A-A aufweist und der begrenzt ist durch koaxiale Wände 5 und 6.

Die Luft, die von einem nicht gezeigten Verdichter unter Druck geliefert wird, tritt bei 7 in den Luftkanal ein, und zwar derart, daß das von den Wänden 2 und 3 gebildete Flammrohr von der diesen Luftkanal ausfüllenden Luft um­ spült wird.

Ein Teil der Luft tritt zur Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs in das Flammrohr ein, wobei diese Luft um die Einspritzdüsen 4 herum strömt.

Die Luft kann außerdem in das Flammrohr an anderen Stellen eintreten, welche auf dem Flammrohr gestaffelt angeordnet sind, um die Verbrennung zu vervollständigen. Das Gasgemisch von hoher Temperatur verläßt das Flammrohr durch eine zur Achse A-A konzentrische ringförmige Öffnung 8, um die nicht gezeigte Turbine zu versorgen.

Eine ringförmige Brennkammer sei nur als Beispiel be­ schrieben, da nämlich die Erfindung gleichermaßen anwendbar ist auf Brennkammern, deren Flammrohr eine einfache zylin­ drische Form besitzt, wobei dieser Brennkammern kranzförmig um die Achse A-A des Triebwerkes verteilt angeordnet sind.

Die Wände 2 und 3 sind an in Axialrichtung beabstandeten Stellen mit Vorrichtungen a, a 1, b, b 1, c, c 1, . . . . . . zum Einführen von Luft versehen. Eine dieser Vorrichtungen ist in vergrößertem Maßstab in den Fig. 2 und 3 dargestellt, und zwar mit etwa 5facher Vergrößerung gegenüber der Wirklichkeit.

Jede dieser Vorrichtungen weist einen gegenüber dem Flamm­ rohr nach außen vorspringenden, gewölbten ringförmigen Vorsprung 10 auf, der zwei aufeinanderfolgende Ringe 2 a, 2 b, 2 c, 2 d bzw. 3 a, 3 b, 3 c der Wände 2, 3 mit­ einander verbindet. Die Vorsprünge 10 sind jeweils mit dem stromauf gelegenen Ring z. B. 2 a, 3 a über eine Wand 11 verbunden, die im wesentlichen senkrecht zum stromauf gelegenen Ring 2 a, 3 a verläuft. Die Ausdrücke "stromauf" und "stromab" beziehen sich auf die Strömungs­ richtung. Die Vorsprünge 10 bilden somit zwischen den Ringen 2 a bzw. 3 a und 2 b bzw. 3 b angeordnete, ringförmige Taschen 12, welche innenseitig zum Brennraum durch eine Verlängerung bzw. Zunge 13 des stromauf gelegenen Ringes 2 a bzw. 3 a begrenzt sind und jeweils mit dem Brennraum durch einen ringförmigen Schlitz 14 in Verbindung stehen, der zwischen dem freien Ende der Zunge 13 und dem stromab gelegenen Ring 2 b bzw. 3 b gebildet ist und dessen mittlerer Durch­ messer im Bereich der Wand 2 größer als der des stromauf gelegenen Ringes 2 a ist. Im Falle der Wand 3 liegen die Verhältnisse umgekehrt. Dort besitzt ein stromab gelegener Ring, z. B. der Ring 3 b, einen kleineren Durchmesser als der stromauf gelegene Ring 3 a. Die im wesentlichen senkrecht zum jeweiligen Ring, z. B. 2 a, verlaufende Wand 11 weist eine Vielzahl von Öffnungen 15 mit relativ kleinem Durch­ messer auf, die kranzförmig über die Fläche dieser Wand angeordnet sind. Die Öffnungen 15 sind klein genug, um auf mindestens drei Teilkreisen verteilt angeordnet werden zu können, wobei sie zickzackförmig zueinander versetzt sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Bei einer bevorzugten Aus­ führungsform, die zu besonders guten Ergebnissen führt, besitzen die Öffnungen einen Durchmesser von 1,1 mm, wobei der Abstand zwischen den Achsen von zwei benachbarten Öffnungen 2,2 mm beträgt und der Schlitz 14 eine Höhe von 4 mm aufweist.

Die Vielzahl der Luftströme, die durch die Öffnungen 15 hindurchtreten, vermindern in jeder Tasche 12 rasch ihre Geschwindigkeit, wobei eine homogene Strömung entsteht, die aus dem Schlitz 14 austritt und die Wand 2, 3 des stromab gelegenen Ringes überstreicht, um eine wirk­ same Kühlung hervorzurufen. Die Zunge 13 kann folglich kurz sein. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Zunge an der Verbindungsstelle des jeweiligen Vorsprungs 10 mit dem stromab gelegenen Ring enden zu lassen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Die quer zur Strömung im Ringkanal gerichtete Anordnung der Wand 11 ist vorteilhaft zur Erzielung eines angemessenen Luftdurchsatzes durch die Öffnungen 15 und zwar auch im Hin­ blick auf die Durchlässigkeit einer perforierten Wand 11 vor der sich ein erhöhter Luftdruck einstellt.

Es spielt auch eine besondere Rolle, daß die Vorsprünge 10 eine beträchtliche Höhe gegenüber dem stromauf gelegenen Ring aufweisen. Dies ermöglicht eine größere Fläche für die Perforierung der Wand 11. Man hat sehr gute Resultate erzielt mit einer Höhe des Vorsprungs 10 in der Größen­ ordnung des 1,5- bis 2,5fachen der Höhe des Schlitzes 14. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, den Winkel α zwischen der Wand 11 und der Zunge 13 geringfügig kleiner als 90° zu bemessen, nämlich zwischen 90° und 70°.

Die Wirksamkeit der beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung eines Kühlfilms aus Luft, nähert sich demjenigen Wert an, den man theoretisch mit einem durchgehenden Schlitz zwischen aufeinanderfolgenden Ringen der Wand 2, 3 des Flammrohres 1 erzielt. Herstellungstoleranzen haben keinen Einfluß auf den Gesamtdurchsatz durch den Schlitz 14 und zwar ohne Geschwindigkeitsänderung beim Durchtritt durch diesen Schlitz 14.

Claims (5)

1. Flammrohrwand mit Filmkühlung für eine Brennkammer, die mit ihrer Innenseite einen Brennraum und mit ihrer Außenseite einen Luftkanal mit gleicher Strömungs­ richtung begrenzt und aus aufeinanderfolgenden Ringen besteht, deren Durchmesser im Sinne einer Vergrößerung der Querschnittsfläche des Brennraums in Strömungs­ richtung gestuft sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - aufeinanderfolgende Ringe (2 a, 2 b, 2 c, 2 d; 3 a, 3 b, 3 c) der Wand (2, 3) sind untereinander jeweils über einen abgerundeten ringförmigen, in den Luftkanal ragenden Vorsprung (10) verbunden, wobei die zum Luftstrom (F) weisende Wand (11) des Vorsprungs (10) auf ihrer stromabwärtigen Seite mit einer Verlängerung des stromaufwärtigen Rings (2 a, 2 b, 2 c; 3 a, 3 b, 3 c) einen Winkel (α) zwischen 70° und 90° einschließt und die stromabwärtige Wand des Vorsprungs (10) stetig in die Wand des stromabwärtigen Rings (2 b, 2 c, 2 d; 3 b, 3 c) übergeht,
• - die von dem Vorsprung (10) umschlossene ringförmige Tasche (12) steht mit dem Brennraum (1) über einen ringförmigen Schlitz (14) in Verbindung, der zwischen der Innenwand des stromabwärtigen Rings (2 b, 2 c, 2 d; 3 b, 3 c) und einer ringförmigen Zunge (13) gebildet ist, die im Brennraum (1) den stromaufwärtigen Ring (2 a, 2 b, 2 c; 3 a, 3 b, 3 c) verlängert,
• - der Vorsprung (10) springt über die Wand des stromauf­ wärtigen Rings (2 a, 2 b, 2 c; 3 a, 3 b, 3 c) in radialer Richtung um ein solches Maß gegenüber der radialen Breite des ringförmigen Schlitzes (14) vor, daß deren Verhält­ nis im Bereich von 1,5 bis 2,5 liegt, und
• - für den Lufteintritt in die ringförmige Tasche (12) sind in der zum Luftstrom (F) weisenden Wand (11) des Vorsprungs (10) zahlreiche Öffnungen (15) vorgesehen, deren Durchmesser so klein ist, daß mindestens drei konzentrische Reihen der Öffnungen (15) vorgesehen sind, wobei die Öffnungen (15) benach­ barter Reihen gegeneinander versetzt sind.

2. Flammrohrwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnungen (15) höchstens 1,5 mm beträgt.

3. Flammrohrwand nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen radialen Abstand zwischen den Achsen von zwei benachbarten Öffnungen (15) zwischen dem 1,5- und dem 3fachen des Durchmessers der Öffnungen (15).

4. Flammrohrwand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Breite des ringförmigen Schlitzes (14) zwischen 1,5 und 8 mm.

5. Flammrohrwand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Zunge (13) im wesentlichen in Höhe der Übergangsstelle zwischen dem vorspringenden Abschnitt des Vorsprungs (10) und der Wand des stromab­ wärtigen Rings (2 b, 2 c, 2 d; 3 b, 3 c) endet.