DE3113380A1

DE3113380A1 - Einsatz fuer den brenner eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE3113380A1
Application number: DE19813113380
Authority: DE
Inventors: Perry 06117 West Hartford Conn. Goldberg; Irwin 06002 Bloomfield Conn. Segalman; Ibrahim Seyfeddin 06040 Manchester Conn. Tanrikut; Walter Barry 06040 Bolton Conn. Wagner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1981-04-02
Publication date: 1982-04-08
Also published as: IL62557A; DE3113380C2; IL62557A0; SE457372B; GB2074715B; GB2074715A; CA1156843A; FR2479951A1; JPS56168041A; JPH0229935B2; US4361010A; FR2479951B1; SE8102134L

Description

Einsatz für den Brenner eines Gasturbinentriebwerks

Die Erfindung bezieht sich auf Brennereinsätze von Gasturbinentriebwerken und betrifft insbesondere Einsätze, die aus Finwall -, d.h. aus Rippen-Wandmaterial aufgebaut sind.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber Einsatzkonfigurationen dar, die in den ÜS-PSen 3 706 203 und 4 132 066 beschrieben sind. Der in diesen beiden Patentschriften beschriebene Einsatz ist ein Beispiel für den Einsatzaufbau, der gegenwärtig benutzt wird, beispielsweise in dem Triebwerk TF-30, das von der Fa. Pratt and Whitney Aircraft Group der United Technologies Corporation hergestellt wird. Bezüglich näherer Einzelheiten über den Aufbau von Einsätzen aus Rippenwand-Material wird auf diese Patentschriften verwiesen. Hier genügt es festzustellen, daß derartiges Rippenwand-Material grundsätzlich entweder aus zwei oder aus drei

Stücken zu Platten geformt wird, die eine Innenwand und in radialem Abstand davon eine Außenwand haben, zwischen denen entweder ein dritter gewellter Mantel oder radial abstehende Wände angeordnet sind, die mehrere gerade Durchlässe begrenzen. Typischerweise sind die Platten an den entsprechenden Enden in einem jalousieartigen Aufbau miteinander verbunden, um den Einsatz zu bilden, der die Brennkammer begrenzt, und die geraden Durchlässe oder Kanäle sind parallel zu der Strömung der Verbrennungsprodukte in der Brennkammer angeordnet. Wegen des jalousieartigen Aufbaus ist jede Platte radial versetzt, so daß das stromaufwärtige Ende der aus dem Verdichter kommenden Kühlluft ausgesetzt ist. Die Kühlluft tritt deshalb in die Kanäle an dem stromaufwärtigen Ende ein und tritt an deren stromabwärtigen Ende aus, wie es in dem Diagramm in Fig. 4 der oben genannten US-PS 3 706 203 dargestellt ist, wobei der axiale Temperaturgradient der meisten Platten sich beträchtlich ändert und bis zu 260-316 ⁰C (500-600 ⁰F) betragen kann. Temperaturdifferenzen dieser Größe haben einen nachteiligen Einfluß auf die Dauerhaftigkeit und die Lebensdauer des Einsatzes mit einem entsprechenden Einfluß auf das Zeitintervall, in welchem der Einsatz ersetzt werden muß.

Von beträchtlicher Bedeutung ist, daß bei dem bisher hergestellten Einsatz des oben beschriebenen Typs jede Platte so hergestellt wird, daß sich der Einlaß einer Platte im wesentlichen in der Auslaßebene der nächsten benachbarten Platte befindet. Zum Ersetzen einer Platte ist es deshalb erforderlich, durch das Rippenwand-Material zu schweißen, weshalb bei den bekannten Schweißverfahren das Ersetzen eine Elektronenstrahlschweißung erforderlich macht.

Darüber hinaus erfordert der bekannte Aufbau, daß die Verbrennungs- und Verdünnungsluftlöcher durch das Rippenwand-Material hindurchgehen, was die Verwendung von Tüllen in den Verdünnungsluftlöchern erfordert, um die Kontinuität von

stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kühlluftkanälen zu gewährleisten. Das macht nicht nur die Fertigung kompliziert, sondern erfordert auch einige Vorrichtungen, die gewährleisten, daß stromabwärtige Kühlluftkanäle nicht unzureichend mit Kühlluft versorgt werden und örtliche Erhitzungsprobleme auftreten. Beispielsweise beschreibt die oben genannte US-PS 4 132 066 Vorrichtungen zum Vermeiden dieser Probleme sowie Maßnahmen, bei denen ein stromabwärtiges Loch in der Einsatzwand angeordnet wird, um kältere Luft so einzulassen, daß sie entgegengesetzt und parallel zu dem Verbrennungsluftstrom strömt, so daß wieder kältere Luft an dem stromabwärtigen Ende der Tülle eingeleitet wird.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß die oben beschriebenen Probleme beseitigt werden können und ein Brennereinsatz unter Verwendung von Rippenwand-Material als Hauptteil des Einsatzes hergestellt und ein Einsatz erzielt werden kann, der gezeigt hat, daß er eine größere Nutzlebensdauer als bislang möglich hat, was Tests erwiesen haben, die unter denselben Betriebsbedingungen wie bei den bekannten Einsätzen durchgeführt worden sind. Die Erfinder haben herausgefunden, daß durch Einleiten der Kühlluft an diskreten Stellen zwischen den Enden der Rippenwand-Platten, so daß ein Teil der Luft in dem Durchlaß entgegengesetzt und parallel zu der Verbrennungsluft strömt, die Temperatur über der axialen Länge im wesentlichen konstant bleibt. Die aus benachbarten Platten austretende Luft trifft in einer vorgeschriebenen Weise auf, um einen kontrollierten Filmkühleffekt in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Rippenwand-Platten hervorzurufen, wodurch die Dauerhaftigkeit des Einsatzes ebenfalls erhöht wird. Schließlich haben die Erfinder herausgefunden, daß diese Einsatzplattenkonstruktion nicht nur den axialen Plattentemperaturgradienten verringert, sondern auch die radialen Temperaturgradienten verringert, was mit einer Verringerung des Gesamttemperaturwertes verbunden ist.

Aufgrund der in axialem Abstand voneinander angeordneten Rippenwand-Platten wird das Austauschen von Platten erleichtert, weil es möglich ist, die zu entfernende Platte in den Zwischenräumen herauszuschneiden und die neue Platte unter Verwendung eines Plattenringes und Schmelzschweißen an Ort und Stelle einzufügen. Dadurch wird die Notwendigkeit des komplizierteren und häufig nicht verfügbaren Elektronenstrahlschweißens beseitigt, das bislang bei einer Mehrwandkonstruktion erforderlich ist.

Da die Verdünnungs- und Verbrennungsluftlöcher in dem Abstandsintervall oder den Übergangsabschnitten des Einsatzes eingefügt werden können, werden die Verwendung von Tüllen und die durch sie hervorgerufenen Probleme eliminiert.

Die Erfindung schafft eine Verbesserung von Brennereinsätzen für Gasturbinentriebwerke.

Ein Merkmal der Erfindung ist es, Brennereinsätze zu schaffen, die aus gegenseitigen axialen Abstand aufweisenden Rippenwand-Platten hergestellt sind, deren Einlaß für Kühlluft zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende zum Einleiten der Kühlluft in die Kanäle diskret angeordnet ist, so daß ein Teil entgegengesetzt und parallel zur Richtung des Stroms der Verbrennungsprodukte strömt. Jede Platte ist in ausreichendem Abstand angeordnet, so daß die Ubergangszone durch den austretenden Luftstrom aus jeder benachbarten Platte filmgekühlt wird. Der Abstand zwischen den Platten bietet ausreichend Raum, um Platten zum Ersetzen wegzuschneiden.

Der verbesserte Einsatz kann leicht gewartet werden und hat eine erhöhte Lebensdauer.

-T-

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht, die einen Teil des Brennereinsatzes zeigt,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht mit einem weggebrochenen Teil, die die untere Wand von der oberen Wand her zeigt,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht, die einen Teil eines anders aufgebauten Brennereinsatzes zeigt, und

Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie 5-5 von Fig. 4.

Gemäß den Fig. 1-3 haben die Brennereinsätze, die aus Rippenwand-Material aufgebaut sind, eine Innenwand 10, die den heißen Verbrennungsgasen in der Verbrennungszone ausgesetzt ist, welche in der angegebenen Richtung strömen, und eine in radialem Abstand angeordnete Außenwand 12. Jede Wand ist als ein kreisförmiger Abschnitt ausgebildet, der die Verbrennungszone begrenzt. Die besondere Form wird von dem Endzweck abhängen, beispielsweise für einen Einzelbrenner, einen Ringbrenner oder eine Kombination derselben. In ihrer bevorzugten Ausführungsform ist die Innenwand 10 ein relativ schmaler Streifen im Vergleich zu der Außenwand 12, bei der es sich um ein einzelnes Blech handeln kann, das zu der Gesamtbrennereinsatzhülle geformt ist. Zwischen der Innenwand 10 und der Außenwand 12 befinden sich in gegenseitigem ümfangsabstand vorstehende Wände 14, die mehrere am Ende offene Durchlässe oder Kanäle 16 begrenzen, welche sich in bezug auf die

Strömung der Verbrennungsgase in axialer Richtung erstrecken.

Da Brenner oder Brennkammern für Strahltriebwerke bekannt sind und da die besonderen Verbrennungszonenkonfigurationen für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind, sind der Zweckmässigkeit und der Einfachheit halber Einzelheiten hier weggelassen worden. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die oben erwähnten US-Patentschriften verwiesen. Es genügt hier anzugeben, daß mehrere, axialen Abstand aufweisende Abschnitte mehrere am Ende offene axiale Durchlässe oder Kanäle 16 enthalten, welche in gegenseitigem ümfangsabstand über den Umfang des Einsatzes verteilt sind. Jeder Abschnitt besteht aus der Innenwand 10, den Rippen oder vorstehenden Wänden 14 und dem darunter gelegenen Teil der Außenwand 12. Die Positionen der Innenwand und der Außenwand werden in bezug auf die Mittellinie (nicht dargestellt) des Einsatzes gewählt.

Gemäß Fig. 1 kann die Außenwand 12 in dem übergangsteil 20 zwischen den Abschnitten aus Rippenwand-Material in der gezeigten Weise versetzt sein, so daß sich ein jalousie- oder fensterladenartiger Aufbau ergibt. Zur Vereinfachung der Fertigung kann die Außenwand aus Flachmaterial hergestellt werden/ die Innenwand und die von ihr vorstehenden Wände können daran befestiqt werden und die Gesamtanordnung kann dann in die endgültige Form gekrümmt und gebogen werden.

Kühlluft, die aus dem Verdichter austritt, umgibt den Brennereinsatz in bekannter Weise. Gemäß der Erfindung wird die Kühlluft in die Kühlkanäle des Einsatzes über mehrere Löcher 22 eingelassen. Es kann erwünscht sein, einen Teil der abstehenden Wände 14 zurückzuschneiden, damit sich eine Ringkammer für eine gute Verteilung der Kühlluft auf sämtliche Kanäle ergibt. Gemäß Fig. 1 wird die Kühlluft so geleitet, daß sie sowohl in stromaufwärtiger als auch in stromabwärtiger Richtung parallel und zum Teil entgegengesetzt zu dem

Strom der Verbrennungsgase strömt. Die Höhe, die Breite und die Länge der Kanäle werden so gewählt, daß sich darin eine ausreichende Geschwindigkeit der Kühlluft ergibt, um eine optimale Konvektionskuhlung mit ausreichender Geschwindigkeit skomponente der austretenden Kühlluft für die Filmkühlung der benachbarten Ubergangszone 20 zu gewährleisten. Die Richtung der austretenden Kühlluft aus den Kanälen, ist, wie erwähnt, so, daß die Kühlluft aus benachbarten Platten aufeinander auftrifft. Die Richtung und die Kraft dieser austretenden Luft werden so gewählt, daß sich eine zusätzliche Kühlung aufgrund der Richtung ergibt, in der der resultierende oder vermischte Kühlluftstrom strömt. Die Entwurf süber legungen, um von diesen Aspekten der Kühlung vorteilhaften Gebrauch zu machen, sind auf dem Gebiet dieser Technologie Stand der Technik. Sie können zwar analytisch berechnet werden, die beste Entwurfskonfiguration dürfte sich jedoch durch Versuche finden lassen. So ist festgestellt worden, daß, obgleich das Kühllufteinlaßloch 22 zwischen den Auslaßenden der Kanäle 16 angeordnet ist, seine optimale Lage nicht mit dem Mittelpunkt zusammen fällt.

Fig. 4 zeigt einen ähnlichen Einsatz wie in den Fig. 1-3, wobei aber die Abstufung oder Versetzung in dem äußeren oder kalten Blech eliminiert ist. In diesem Fall gibt ein Schlitz in der Innenwand 10' die entgegengesetzt strömende Kühlluft normal zu dem Brennergasstrom durch ein Loch 26 ab. In jeder anderen Hinsicht hat der Einsatz den gleichen Aufbau. Ein gewelltes drittes Blech 30, das die am Ende offenen Kanäle bildet, wie es in Fig. 5 gezeiqt ist, dient als Beispiel für diesen bekannten Aufbau des Rippenwand-Materials. Das gewellte Blech 30 ist zwischen der Außenwand 12' und der Innenwand 10' angeordnet.

Zu den Vorteilen, die durch den oben beschriebenen Aufbau des Einsatzes erreicht werden, gehören:

Eine verbesserte Dauerhaftigkeit und Lebensdauer, die aus der Verringerung der radialen und axialen Plattentemperatur-

gradienten in Verbindung mit der Verringerung des Gesamttemperaturwertes resultieren;

Einfachheit der Reparatur: fehlerhafte Platten können ersetzt werden, indem Plattenringe zwischen Übergangsabschnitte eingefügt und an Ort und Stelle schmelzgeschweißt werden. Die Notwendigkeit des Elektronenstrahlschweißens, die für bekannte Mehrwandkonvektionseinsätze typisch ist, ist beseitigt.

Die Einfachheit des Anbringens von Verbrennungs-/Verdünnungslöchern: die Verbrennungslöcher können in dem Übergangsabschnitt vorgesehen werden. Dadurch wird die Verwendung von Tüllen beseitigt, die für bekannte Mehrwandeinsätze mit Konvektionskühlung typisch ist.

Claims

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101 V.St.A.

Patentansprüche :

(1J Einsatz für den Brenner eines Gasturbinentriebswerks, gekennzeichnet durch eine Außenwand (12; 12'), die insgesamt die Form des Brenners hat, durch mehrere über dem Umfang angebrachte Innenwände (10; 10'), die den Verbrennungsprodukten zugewandt und in radialem Abstand von der Außenwand angeordnet sind, durch Verbindungselemente (14) zwischen den Innenwänden und der Außenwand, die sich insgesamt in Längsrichtung erstreckende, am Ende offene Kanäle (16; 32) begrenzen, welche im wesentlichen in einer Linie mit dem Strom von Verbrennungsprodukten in dem Brenner sind, wobei die Innenwände und die Außenwand sowie die zwischen ihnen enthaltenen Verbindungselemente einen Einsatzabschnitt bilden und wobei jeder Abschnitt in axialem Abstand vom benachbarten Abschnitt angeordnet ist, so daß eine Übergangszone (20) gebildet ist, und durch öffnungen (22), die in der Außenwand (12; 12') zwischen den Enden jedes Einsatzabschnittes gebildet sind, um kältere Verdichterluft aus dem den Einsatz umgebenden · Raum und in das Innere der am Ende offenen Kanäle einzulassen, so daß ein Teil der kälteren Luft entgegengesetzt zu und der

übrige Teil in der Richtung der Verbrennungsprodukte strömt, wobei die kältere Luft, die in dem stromaufwärtigen Ende der am Ende offenen Kanäle austritt, sich mit dem Strom kälterer Luft vermischt, der aus dem stromabwärtigen Ende der am Ende offenen Kanäle des nächsten benachbarten stromaufwärtigen Abschnittes austritt, so daß der Strom kälterer Luft in den Kanälen die Einsatzwände konvektiv kühlt und der Strom der kälteren Luft, der aus den am Ende offenen Kanälen austritt, eine Filmkühlung der äußeren Wand in den Übergangszonen bewirkt.
2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ubergangszone (20) ausreichend breit ist, so daß der Abschnitt weggeschnitten und ersetzt werden kann, und zwar durch eine Schweißung, die durch benachbarte Abschnitte nicht behindert wird.
3. Einsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente Wellrippen sind, die zwischen den Innenwänden (10') und der Außenwand (12') angeordnet sind.
4. Einsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente abstehende Wände (14) sind, die in gegenseitigem Abstand parallel angeordnet sind und von der Innenwand (10) oder von der Außenwand (12) abstehen.
5. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (12) in der Ubergangszone (20) abgestuft ist, um einen insgesamt jalousie- oder fensterladenartig aufgebauten Einsatz zu bilden.