DE3113379C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flammrohr der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei Gasturbinentriebwerken wie dem von der Pratt & Whitney Aircraft Group der United Technologies Corporation herge­ stellten Triebwerk TF-30 wird aus der US-PS 37 06 203 be­ kanntes Rippenwandmaterial zum Herstellen einer Flammrohr­ doppelwand benutzt. Dieses Rippenwandmaterial hat zwei Ab­ stand voneinander aufweisende Wände, die zu zylindrischen Körpern geformt und mit einander überlappenden, radial versetzten Enden verbunden sind, um den Brennraum zu bil­ den. Die parallelen Rippen, die sich gitterrostartig von einer Wand aus erstrecken, sind mit der anderen Wand ver­ bunden und begrenzen mit ihr mehrere am Ende offene Kanäle. Wegen des überlappten Aufbaus wird an dem stromaufwärtigen Ende Kühlluft aus dem das Flammrohr umge­ benden Raum aufgenommen, die aus den Kanälen am stromab­ wärtigen Ende in den Brennraum abgegeben wird, wo sie über die Innenwand des sich stromabwärts anschließenden Flamm­ rohrteils geleitet wird. Der Nachteil einer solchen Flamm­ rohrkonstruktion liegt darin, daß einzelne Abschnitte der Flammrohrwand nur schwierig ausgetauscht werden können. Außerdem ist eine Aufteilung der Außenwand in mehrere von­ einander getrennte und gegeneinander versetzte Abschnitte erforderlich.

Die US-PS 26 17 255 beschreibt ein Flammrohr der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, bei dem das Rippenwandmaterial modifiziert worden ist, indem Einlässe zwischen dessen Enden vorgesehen worden sind, damit die Kühlluft in entgegengesetzter und paralleler Strömungsbe­ ziehung zu den Verbrennungsprodukten geleitet werden kann. Das dient zum Verbessern des Temperaturgradienten in der Längsrichtung und in der radialen Richtung. Auch hier ist wiederum eine Aufteilung der Außenwand des Flammrohres in mehrere voneinander getrennte Abschnitte erforderlich, da­ mit die am Ende eines Flammrohrabschnitts austretende Kühlluft über die Innenwand des sich anschließenden stromabwärtigen Flammrohrabschnitts geleitet werden kann. Es hat sich auch hier herausgestellt, daß das Einleiten der Kühlluft am stromaufwärtigen Ende der Flammrohrteile ungünstig ist und zu hohen Temperaturgradienten an den Flammrohrwandteilen führt. Gemäß Fig. 6 der US-PS 26 17 255 ist bei ununterbrochener Außenwand des Flammrohres dessen Innenwand mit den die Kanäle bildenden Längsrippen in Segmente unterteilt. Die Kühlluft wird zwar zwischen den Enden der Segmente eingeleitet, damit ein Teil der Kühlluft in jedem Segment in der einen Richtung und der andere Teil der Kühlluft in der anderen Richtung strömt, es sind dabei jedoch keine Vorkehrungen getroffen, um einen Kühlluftfilm über die innere Oberfläche der Innen­ wandsegmente des Flammrohres zu leiten. Die Kühlluft tritt an den benachbarten Enden der Segmente aus, trifft aufein­ ander und strömt in mehr oder weniger beliebiger Richtung in das Innere des Flammrohres.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flammrohr der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubil­ den, daß die Segmente der Innenwand an ihrer Innenseite wirksamer gekühlt werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst.

Aufgrund dieser Merkmale wird die Kühlluft als Kühlluft­ film über die innere Oberfläche der jeweils stromabwärts folgenden Segmente der Innenwand des Flammrohres geleitet. Eine lange Lebensdauer wird bei dem Flammrohr nach der Er­ findung erzielt, indem die heißeren Innenwandsegmente an der kälteren Außenwand so befestigt werden, daß sie sich frei bewegen können. Die wirksamere Kühlung wird dadurch erzielt, daß die unberippten stromabwärtigen Enden der Segmente der Innenwand Lippen bilden und dadurch einen Kühlluftfilm zur verbesserten Filmkühlung zwischen je zwei Segmenten wiederherstellen. Die Segmente unterteilen die Innenwand sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung. Die axialen Segmente sind in ausreichendem Abstand, wo­ durch die Filmkühlung eine ausreichende Kühlung zwischen den axialen Segmenten ergibt, und der Zwischenraum zwi­ schen den Segmenten in der Umfangsrichtung gestattet ein Umfangswachstum. Die in Umfangsrichtung aus einzelnen Seg­ menten zusammengesetzte Innenwand ermöglicht eine thermi­ sche Dehnung der einzelnen Segmente in Umfangsrichtung, ohne daß dies ein radiales Wachstum, d.h. eine Zunahme des Durchmessers der aus den einzelnen Segmenten zusammenge­ setzten Innenwand zur Folge hat. Jedes Segment kann rela­ tiv zu der kalten Außenwand durch eine Schrauben- und Mut­ teranordnung befestigt sein, damit minimale Spannungen er­ zielt werden. Da die Kanäle in paralleler Anordnung lose gehaltert sind, kann sich die heiße Innenwand relativ zu der kälteren Außenwand thermisch ausdehnen, ohne unzuläs­ sige Spannungen auszuüben. Dadurch wird die Möglichkeit beseitigt, daß sich beide Wände bei der Wärmedehnung be­ rühren. Das Flammrohr nach der Erfindung hat eine längere Lebensdauer, ohne ein größeres Gewicht zu haben und ohne komplizierter zu sein, und ist mit geringeren Kosten als bekannte Flammrohre herstellbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen­ den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Flammrohres nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt auf der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 in Unteransicht und teilweise weggebrochen die Anordnung von Verdünnungs- und Verbrennungsluft­ löchern, und

Fig. 4 eine Teilschnittansicht einer anderen Kon­ struktion von Rippen, die benutzt werden, um Kanäle zu bilden.

Ein im folgenden beschriebenes Flammrohr für die Brennkammer eines Gas­ turbinentriebwerks kann in einer Einzelbrennkammer, in einer Ringbrennkammer oder in einer aus diesen kombinierten Brennkammer benutzt werden.

Gemäß den Fig. 1-3 hat das insgesamt mit der Be­ zugszahl 10 bezeichnete Flammrohr eine Außenwand 12, die einen Brennraum 14 begrenzt, in dem die Verbrennung stattfindet. In diesem strömen die Verbrennungsgase in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung. Die insgesamt zylindrische Außenwand 12 ist in konische Abschnitte abgestuft, um eine radial versetzte Anordnung zu bilden, die im folgenden ausführlicher beschrieben ist.

Eine Innenwand ist in mehrere ringförmige, in radialem Abstand angeordnete Segmente 16 unterteilt, die an der Außenwand 12 beweglich befestigt sind, und jedes Segment 16 trägt mehrere gegenseitigen Abstand auf­ weisende Längsrippen 18, die sich radial zu dem Innenumfang der Außenwand 12 erstrecken, daran aber nicht befestigt sind. Die Längsrippen 18 begrenzen Kanäle 20, die sich in der Richtung der Strömung der heißen Gase in dem Brennraum 14 erstrec­ ken.

Kühlluft, die von dem Verdichter des Gasturbinentriebwerks abgegeben wird, tritt aus dem das Flammrohr 10 umgebenden Raum in mehrere Einlässe 22 sowie in Einlässe 23 ein, die zwischen den Enden der Kanäle 20 angeordnet sind und dazu dienen, die Kühlluft so zu verteilen, daß ein Teil derselben in Kanäle 20 entgegengesetzt zu den heißen Verbrennungsga­ sen strömt und daß ein Teil in die anderen Kanäle 20 parallel dazu strömt. Die Kühlluft, die in Kanäle 20 strömt, nimmt effektiv Wärme durch Konvektion auf, die in stromaufwärtigen und stromabwärtigen Übergangszonen ab­ gegeben wird, um eine Filmkühlung zu bewirken.

Zum Verbessern der Filmkühlung ist die Innenwand über die Kanäle 20 hinaus an dem stromabwärtigen Ende der Segmente 16, verlängert, um Lippen 24 zu bilden. Die austretende Strömung wird so zu einem Film geformt, damit benachbarte Übergangszonen wirksam gekühlt werden.

Die durch die Pfeile angegebene Strömungsrichtung zeigt, daß Kühlluft, die die Kanäle 20 verläßt, einen schützen­ den Film längs der Übergangsflächen bildet. Wegen der aggres­ siven Umgebung verschwindet der an dem stromabwärtigen Ende der Kanäle 20 austretende Film über einer relativ kurzen Strecke. Um den Film so weit wie möglich über der axialen Länge des Einsatzes und über der inneren Fläche der heißen Segmente 16 aufrechtzuerhalten, vermischt sich der austreten­ de Strom stromaufwärts an dem stromaufwärtigen Ende des Kanals mit dem Strom aus dem stromabwärtigen Ende einwärts der Lippen 24 und stellt den Film wieder her, um einen Schutzfilm an der inneren Fläche der heißen Segemente 16 zu bilden.

Um zu gewährleisten, daß die Innenwand und ihre zugeord­ neten Längsrippen 18, die von ihr abstehen, die Außenwand 12 bei einer thermischen Ausdehnung und Verformung nicht berüh­ ren, sind die Segmente 16 der Innenwand auch in Umfangsrichtung unterteilt. Daher sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, die Segmente 16 der Innenwand in gegenseitigem Umfangs­ abstand an der Außenwand 12 angeordnet und umgeben das Flammrohr 10 mit einem Konvektionswärmeaustausch von Parallel- und Gegenstromkühlluft mit den Verbrennungsprodukten.

Die Segmente 16 der Innenwand sind durch Befestigungen, die irgendeine bekannte Form haben können, lose festgehalten. Jedes Segment 16 ist, wie dargestellt, durch vier Schrauben- und Mutteranordnungen 30 befestigt. Deren Schrauben 32 sind in die Segmente 16 eingesenkt und erstrecken sich jeweils durch eine komplementäre Öffnung 34, die in der Außen­ wand 12 gebildet ist. Der Durchmesser der Öffnung 34 ist breiter als der Durchmesser der Schraube 32, um ein thermi­ sches Wachstum in Umfangsrichtung zu gestatten. Eine Scheibe 38 ist zwischen der Außenwand 12 und einer selbst­ hemmenden Mutter 40 angeordnet. Die Mutter 40 kann durch eine Heftschweißung mit dem Ende der Schraube 32 verbunden sein, was durch eine Schweißung 42 dargestellt ist.

Einer der kritischen Bereiche in dem Flammrohr 10, wo eine hohe Spannungskonzentration wahrscheinlich ist, sind die Orte von Verdünnungs- und Verbrennungsluftlöchern. Diese Löcher sind in den Übergangszonen des Flammrohres 10 angeordnet, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Zum Erzielen einer wirksamen Kühlung, ohne daß die Geschwindigkeit der Kühlluft in den Kanälen 20 in dem Weg dieser Löcher gestört wird, ist ein rohrförmiges Teil 50 in jedes Loch eingeführt und erstreckt sich in den Brennraum 14. Das rohrförmige Teil 50 kann durch Heftschweißen an der Außenwand 12 befestigt sein, wie es durch eine Schweißung 52 dar­ gestellt ist. Zum weiteren Verbessern der Kühlung ist ein Flansch 54 an dem stromabwärtigen Abschnitt des rohrförmigen Teils 50 ge­ bildet, so daß aus dem stromaufwärtigen Ende der Kanäle 20 austretende Luft auf die Seitenwand des rohrförmigen Teils 50 trifft und sich in die Richtung dreht, die durch den Pfeil gezeigt ist, und einen Film wiederherstellt, um einen schützenden kalten Luftfilm über diesem Teil der inneren Fläche der Segmente 16 in deren Nähe zu bilden.

Fig. 4 zeigt den Aufbau der Innenwand, wenn zum Be­ grenzen der Kanäle statt der Längsrippen 18 nach den Fig. 1 bis 3 Rippen 55 benutzt werden. Die Rippen 55 sind durch Heftschweißung mit der äußeren Fläche der Innenwand verbunden was durch Schweißungen 56 dargestellt ist, und Abstand von der Außenwand 12 angeordnet. Der Rand der Rippen 55 an den Segmenten 16 erstreckt sich über den Zwischenraum zwischen den Segmenten und ist nicht befestigt. Da gewährleistet, daß die Segmente 16 thermisch wachsen können, ohne unzulässige Spannungen auszuüben.

Claims (3)

1. Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentrieb­ werks, mit einer abschnittsweise zylindrischen Doppelwand (12, 16), deren dem Brennraum (14) zugewandten Innenwand in Achs- und Umfangsrichtung in Segmente (16) unterteilt ist, die an der Außenwand (12) derartig befestigt sind, daß sie gegenüber der Außenwand (12) zum Ausgleich von Wärmedehnungen verschieblich sind, und die Längsrippen (18) aufweisen, welche sich in den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenwand erstrecken und zwischen sich an den Enden offene Kanäle (20) für Kühlluft bilden, und mit Ein­ lässen (22, 23) zum Einleiten der Kühlluft aus dem das Flammrohr (10) umgebenden Raum in die Kanäle (20) zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende jedes Segments (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen (18) der Segmente (16) sich vom stromaufwärtigen Ende bis kurz vor das stromabwärtige Ende jedes Segments erstrec­ ken, so daß die unberippten Enden der Innenwand Lippen (24) zum Lenken der aus den Kanälen (20) abgegebenen Kühl­ luft bilden, und daß die Außenwand (12) zwischen den Seg­ menten (16) konisch ausgebildet ist und sich die Lippen (24) über die konisch ausgebildeten Teile der Außenwand (12) erstrecken.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ver­ brennungs- und Verdünnungsluftlöcher, die in den konisch ausgebildeten Teilen der Außenwand (12) angeordnet sind.

3. Flammrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Verbrennungs- und Verdünnungsluftlö­ cher durch ein rohrförmiges Teil (50) gebildet ist, das an der Außenwand (12) befestigt ist und sich in den Brennraum (14) erstreckt und dort einen Flansch (54) aufweist, der sich parallel zu der Außenwand (12) an dem stromabwärtigen Ende des rohrförmigen Teils (50) erstreckt und dieses zur Hälfte umschließt, um eine weitere Lippe zur Herstellung des Films aus Kühlluft zu bilden, die aus den Kanälen (20) des benachbarten stromaufwärtigen Segments (16) an dem rohrförmigen Teil (50) über einen zwischen dem Segment und dem rohrförmigen Teil gebildeten Zwischenraum austritt.