DE3113381A1

DE3113381A1 - Brennstoffduesenfuehrung fuer einen ringbrenner

Info

Publication number: DE3113381A1
Application number: DE19813113381
Authority: DE
Inventors: John Anthony 06049 Melrose Conn. Matthews; Vito Joseph 06040 Manchester Conn. Sarli; David Alan 06073 South Glastonbury Conn. Washburn
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1981-04-02
Publication date: 1982-04-22
Also published as: US4365470A; FR2479952B1; GB2073398B; JPH0229938B2; DE3113381C2; FR2479952A1; JPS56168040A; GB2073398A; CA1147565A

Description

Brennstoffdüsenführung für einen Ringbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere die Brennstoffdüsenführung zum Abdichten der Brennstoffdüse am Vorderende eines Ringbrenners.

Auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke ist es bekannt, daß die Lebensdauer von Triebwerksteilen von überragender Bedeutung ist, und, offenbar je langer ein Triebwerksteil hält, um so länger kann ein Triebwerk ohne das teuere Stillegen des Flugzeuges arbeiten, das durch die Reparatur oder den Austausch solcher Teile erforderlich wird. Es ist deshalb ein ständiges Bestreben, Teile zu entwickeln, die die aggressive Umgebung aushalten können, der sie ausgesetzt sind. Ein Bereich, der besonders problematisch ist, befindet sich, wie zu erwarten, in dem Brenner und insbesondere dort, wo die Brennstoffdüsen an dem Brennereinsatz oder -futter befestigt sind. Die Brennstoffdüsenführung und -abdichtung, die die

Brennstoffdüse an dem vorderen Ende des Ringbrenners trägt, ist außergewöhnlichen Wärmespannungen ausgesetzt und stellt deshalb bislang ein Wartungsproblem dar. Wegen der vorstehenden Probleme ist die Lebensdauer dieser Triebwerksteile bislang nicht so groß, wie sie sein sollte.

Die Erfinder haben zu diesem Zweck herausgefunden, daß eine längere Lebensdauer der Düsenführungs- und -dichtungselemente als bislang möglich erzielt werden kann, indem die Dichtung und der Wärmeschild einstückig mit der Brennstoffdüsenführung hergestellt werden und ein ringförmiges, im Querschnitt U-förmiges Teil geschaffen wird, das den Brennereinsatz so einschließt, daß eine Relativbewegung zwischen der Brennstoffdüse und dem Brenner möglich ist. Ein Schenkel des im Querschnitt U-förmigen Teils dient als ein Wärmeschild, während der andere dazu dient, die Brennstoffdüsenführung an dem Einsatz abzustützen. Kühlluftlöcher werden in der Basis des im Querschnitt U-förmigen Teils und so gebildet, daß Kühlluft so geleitet wird, daß sie den Wärmeschild und die Düse ständig kühlt. Vorsprünge, die auf der Innenfläche des Wärmeschildes angeordnet sind, hindern diesen am Schrumpfen und Blockieren des Luftstroms.

Diskret angebrachte öffnungen zwischen der Düse und der Düsenführung dienen zum Beseitigen jedweden Hohlraumes oder jedweder Aussparung in dem Bereich an der Düse und des Düsenhalters, der der Verbrennungszone zugewandt ist, um zu verhindern, daß er als Flammhalter dient und örtlich begrenzte heiße Flecken erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Brennstoffdüsenführung und -abdichtung für einen Ringbrenner eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Brennstoffdüsenführung mit folgenden Merkmalen:

1) Eine Luftabdichtung zwischen der Brennstoffdüse und dem Vorderende des Brenners, die eine Relativbewegung zwischen der Brennstoffdüse und dem Brenner gestattet;

2) eine konstante Kühlwirkung ungeachtet der Position der Dichtvorrichtung (Düsenführung) und der Düse relativ zu dem Brenner;

3) konstante aerodynamische Verhältnisse der Verbrennung ungeachtet der Position der Düse und der Düsenführung relativ zu dem Brenner; und

4) keine Flammhaltung an der beweglichen Luftabdichtung . durch Beseitigen jedweden Hohlraumes oder jedweder Ausnehmung, die als Flammhalter dienen und zum Schmelzen und Zerstören der.beweglichen Luftabdichtung führen könnte.

Ein Ausf.ührungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig.- 1 ■ eine Teillängsschnittansicht eines Brenners mit einer Brennstoffdüsenführung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Endansicht des Brenners von Fig. 1 mit den wesentlichen Merkmalen der Erfindung,

Fig. 3 . einen Schnitt nach der Linie 3-3 von Fig. 2 und Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 von Fig. 2.

Gemäß den Fig. 1-4 umfaßt die Erfindung die Kombination aus einer beweglichen Brennstoffdüsenführung 10 und deren Tragvorrichtung zum Abdichten einer Brennstoffdüse 12, die an dem Vorderende eines Ringbrenners 14 befestigt ist. Der Brenner 14 ist aus einem inneren, jalousieartig oder radial ver-

— 1 ' —

setzt aufgebauten, ringförmigen Brennereinsatz 18 und aus einem jalousieartig oder radial versetzt auf gebauten ,ringförmigen Einsatz 16 gebildet, die am Vorderende durch ein helmförmiges Brennerteil 20 miteinander verbunden sind- Das helmartige Teil 20 ist mit mehreren in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Löchern zum Aufnehmen einer gleichen Anzahl von Brennstoffdüsen und der diesen zugeordneten Dichtungs- und Tragvorrichtung versehen. Ein maschinell bearbeiteter Durchführungsringflansch 22 ist an das helmartige Teil 20 in ausgeschnittenen öffnungen durch eine Stumpfschweißung 24 angeschweißt, um die Brennstoffdüsenführung 10 abzustützen.

Die Brennstoffdüsenführung 10 trägt einen einstückig mit ihr gebildeten Ringflansch 26 und umgreift den maschinell bearbeiteten Durchführungsringflansch 22 in der dargestellten Weise. Ein zweiter Ring 28 ist durch eine Stumpfschweissung 30 an der Brennstoffdüsenführung 10 angeschweißt.

Die vordere Stirnfläche des maschinell bearbeiteten Durchführungsringflansches 22 ist an der hinteren Stirnfläche des Ringflansches 26 durch im Querschnitt H-förmige Klammern 32 befestigt. Das dient nicht nur zum Befestigen der Brennstoff düsenführung, sondern verhindert auch eine unkontrollierte Luftströmung zwischen dem Brennstoffdüsenführungsflansch und dem Durchführungsringflansch 22.

Die H-förmigen Klammern 32, die an die Stirnfläche des Flansches 26 angeschweißt sind, umgreifen die Brennstoffdüsenführung 10 und den Durchführungsringflansch 22. Schlitze 36 in dem Durchführungsringflansch 22 gestatten der Brennstoffdüsenführung 10, sich radial und in Umfangsrichtung zu bewegen, hindern sie aber an einer Axialbewegung.

1— ο IJ?

Gemäß Fig. 1 wird Kühlluft, bei der es sich um Verdichteraustrittsluft handelt, in die Brennerumhüllung über den Zwischenraum eingelassen, der die Brennstoffdüse 12 umgibt. Der Flanschring 28 und die Brennstoffdüsenführung 10 begrenzen einen Zwischenraum 40 zum Hindurchleiten einer Strömung durch öffnungen 42 und 44, die in dem Durchführungsringflansc.h 22 gebildet sind. Das dient dem Zweck, den durch den Flansch 28 gebildeten Wärmeschild durch Aufprallkühlung zu kühlen und eine Strömung radial nach außen zu richten, um den Stoß zu minimieren, den diese Strömung sonst auf die aerodynamischen Bedingungen der Luftströmung der herkömmlichen Wirbeldüse hätte, die als Brennstoffdüse benutzt wird. Das ist ungeachtet dessen der Fall, welche Position die bewegliche Führung in bezug auf die Kühlluftlöcher 42 und 44 einnimmt. Darüber hinaus bleibt die Stöchiometrie in der Nähe des Brennstoffdüsenauslasses ungeachtet der Position der Löcher 42 und 44 relativ zu der Brennstoffdüse 12 unverändert.

Die Löcher 42 und 44 sind zweckmäßig angeordnet und haben jeweils eine besondere Größe, um die im folgenden angegebene Funktion erfüllen zu können.

Die axialen Kühllöcher 44, die in gegenseitigem Umfangsabstand in der hinteren Wand 48 des Durchführungsringflansches 22 angeordnet sind, sind so bemessen, daß sie einer kontrollierten Menge an Kühlluft gestatten, auf den Ring 28 aufzutreffen, dann radial nach außen in einen Zwischenraum 50 umzubiegen, um die Innenoberfläche des helmartigen Teils 20 des Brenners 14 durch Filmkühlung zu kühlen.

Die radialen Kühllöcher 42, die in gegenseitigem Umfangsabstand in der unteren Wand des im Querschnitt U-förmigen Durchführungsringflansches 22 angeordnet sind, sind so bemessen, daß sie die aus den Kühllöchern 44 austretende Strömung verstärken. Die Löcher 42 sind in ausgewählter Weise

so bemessen, daß zusätzliche Luft zugeführt wird, die die Filmkühlung in radialer Richtung über Abschnitten ergänzt, welche durch Pfeile 52 und 54 angegeben sind. Das stellt denjenigen Teil der Abdichtung dar, wo die zu kühlende Oberfläche am größten ist.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Beweglichkeit dieser Baugruppe der Brennstoffdüsenführung 10 gestattet, sich radial in einer Richtung (bei Betrachtung von Fig. 1 nach oben oder nach unten) zu bewegen, so daß sie sich auf den unteren Teil des im Querschnitt U-förmigen Durchführungsringflansches 22 aufsetzen kann. In dem Extremfall, in welchem die Führung aufsitzt, wird daher die Durchströmung der Löcher 42 blockiert . Es ist deshalb zu erkennen, daß der Spalt in dem Zwischenraum 50 zum Drosseln der aus den Löchern 42 austretenden Luft dient. Das Verschließen aufgrund des Aufsitzens fällt zeitlich mit einer kleineren Oberfläche auf der Seite des helmartigen Teils des Brenners zusammen und wird ein uberkühlen dieser Fläche beseitigen.

Um zu gewährleisten, daß keine Stagnation in der Nähe der Stelle auftritt, wo der Brennstoff aus den Brennstoffdüsen 12 in die Verbrennungszone austritt, um ein unerwünschtes Flammhalten zu vermeiden, sind mehrere Schlitze 60 vorgesehen. Das verhindert, daß die unerwünschte Flamme zu einer örtlich begrenzten Erhitzung der Metalloberflächen in ihrer Nähe führt, die deren Lebensdauer und thermische Festigkeit nachteilig beeinflussen würde. Kühlluft aus dem Verdichter in dem die Brennstoffdüse umgebenden Zwischenraum strömt durch die Schlitze 60 hindurch, die gegen die Achse der Brennstoffdüsenführung 10 abgewinkelt sind. Der Winkel ist so gewählt, daß die Kühlluft verwirbelt wird, wenn sie aus den Schlitzen austritt und in die Verbrennungszone eintritt, um den durch sie auf die wirbelnde Luft der Brennstoffdüse ausgeübten Stoß zu minimieren.

Mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Distanzstücke 62 sind auf der Wand des Ringes 28 befestigt, um zu verhindern, daß der Spalt 50 geschlossen werden kann, wozu es durch thermische Verformung desselben kommen könnte. Dadurch wird eine ständige Filmkühlung der Verbrennungsseite des helmartigen Teils des Brenners gewährleistet.

, -44- ■

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1 ./Brennstoff düsenf uhr ung für einen Ringbrenner.(14) eines Gasturbinentriebwerks; der eine zylindrische innere Einsatzwand (18) und eine konzentrisch angeordnete äußere Einsatzwand (16) hat, zwischen denen die Verbrennung stattfindet und die durch ein helraartiges Teil (20) an ihrem vorderen Ende miteinander verbunden sind, welches dieses Ende verschließt, gekennzeichnet durch mehrere Brennstoffdüsenführungs- und -dichtungselemente (10), die in einer entsprechenden Anzahl von Löchern angeordnet sind, welche in gegenseitigem ümfangsabstand in dem helmartigen Teil (20) angeordnet sind, durch eine insgesamt ringförmige und im Querschnitt U-förmige Durchführung, die die Löcher umgibt und einen Plansch (22) hat, wobei das Brennstoffdüsenführungs- und -dichtungselement (10) eine Büchse hat, die sich durch eine zentrale öffnung des Durchführungsringes erstreckt und die Brennstoffdüse (12) trägt, welche zur Brennstoffzufuhr zu dem Brenner (14) dient, und einen vorderen abstehenden Flansch (26), der an der vorderen Stirnfläche des Flansches (22) des

Durchführungsringes anliegt, und einen Ring (28) der parallel zu, aber mit Abstand von dem Durchführungsring angeordnet und an Ort und Stelle an dem von dem Flansch (26) entfernten Ende der Büchse befestigt ist, so daß die Büchse den Durchführungsring umgreift, durch eine Klammervorrichtung (32) , die an der vorderen Stirnfläche des Flansches (26) der Büchse starr gehaltert ist und an dem Flansch (22) des Durchführungsringes für eins Radial- und Umfangsbewegung des Brennstoffdüsenführungs- und -dichtungselements (10) verschiebbar gehaltert ist,· und durch Schlitze (36) , die in der Büchse an der Brennstoffdüse (12) gebildet sind, um Luft von außerhalb des Brenners um die Brennstoffdüse (12) herum- und in das Innere des Brenners (14) zu leiten, damit eine Flammhaltung verhindert wird.
2. Brennstoffdüsenführung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (40, 42, 44) zum Kühlen des Ringes (28), wobei der untere Teil des U-Querschnittes des Durchführungsringes mit Abstand von der Büchse angeordnet ist und wobei der Ring mit Abstand von dem Durchführungsring angeordnet ist, um einen Spalt (40, 50) zu bilden, und durch öffnungen (42, 44) in dem Durchführungsring zum Leiten von Kühlluft ausßerhalb des Brenners (14) durch den Spalt hindurch, damit sie auf den Ring (28) auftrifft und einen in den Brenner (14) austretenden Kühlluftfilm in dem Spalt bildet.
3. Brennstoffdüsenführung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Vorsprünge (62), die an dem Ring (28) neben dem Durchführungsring angebracht sind.
4. Brennstoffdüsenführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammervorrichtung (32) ein H-förmiges Teil aufweist, von welchem ein Η-Schenkel mit der Stirnfläche des Flansches (26) der Büchse verbunden ist,

der H-Quersteg verschiebbar in einen Schlitz (36) in dem Flansch (22) des Durchführungsringes eingesetzt ist und
der andere Η-Schenkel sich über den Flansch (22) des Durchfühfungsringes hinaus erstreckt, um eine begrenzte Bewegung des Brennstoffdüsenführungs- und -dichtungselements (10) zu gestatten.