DE3113383A1 - Brennereinsatz - Google Patents

Description

Brennereinsatz

Die Erfindung bezieht sich auf Brennereinsätze für Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere das Herstellen des Einsatzes aus einzelnen Platten, die Gegen-/Parallelkühlmitteldurchflußkanäle haben und sowohl in der Umfangsrichtung
als auch in der axialen Richtung in Abschnitte geteilt angeordnet sind.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber dem Einsatz dar, der in der US-PS 3 706 203 beschrieben ist, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten Bezug genommen wird. Diese
Patentschrift beschreibt einen Einsatz mit Sandwichaufbau,
der Abstand voneinander aufweisende Wände hat, die zu einem
durchgehenden Reif angeordnet sind, um die Brennkammer zu
begrenzen. Die Wände sind jalousieartig angeordnet und an
jedem abgestuften Abschnitt ist das stromaufwärtige Ende
dem Hohlraum für Kühlluft aus dem Verdichter ausgesetzt, der

den Einsatz umschließt. Dadurch wird Kühlluft durch Längskanäle geleitet, die zwischen den Abstand voneinander aufweisenden Wänden gebildet sind, und in die Brennkammer eingeleitet, um den Einsatz auf einer zulässigen Temperatur zu halten.

In einer gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 136 848, vom 2. April 1980 in Anspruch genommen worden ist, ist der Aufbau eines Brennereinsatzes mit Rippenwand (Finwall )-Material beschrieben, das hergestellt worden ist, um eine Gegen-/Paralleldurchströmung für eine verbesserte Konvektions- und Pilmkühlung zu erzielen. Dieser Brennereinsatz sowie die bislang bekannten Einsätze werden als durchgehende oder volle Reifen hergestellt, wodurch sich unvermeidliche ümfangsspannungen ergeben, die durch die extremen radialen Temperaturgradienten hervorgerufen werden, welche aufgrund der aggressiven Umgebung eines Brenners auftreten.

In einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No.136 631, vom 2. April 1980 in Anspruch genommen worden ist, wird ein Rippenwand-Material als Einsatz benutzt, wobei aber die Abschnitte des Rippenwand-Materials an der kälteren Wand mechanisch befestigt werden. Die kältere Wand ist, wie bei den bislang bekannten Brennern, ein durchgehender Reif.

Die Erfinder haben festgestellt, daß ein verbesserter Brennereinsatz erzielt werden kann, indem der Einsatz aus einzelnen Abschnitten hergestellt wird, die in Umfangsrichtung und in axialer Richtung geteilt sind und an einem offenen Gitterrahmen abgestützt sind, der in dem den Brennereinsatz umgebenden Kaltlufthohlraum angeordnet ist. Jeder Abschnitt, der aus mehreren Platten besteht, die mit einem Doppelwandauf-

bau versehen sein können, welcher Längskanäle und einen Gegen-VPrallelkühlmitteldurchfluß hat, trägt an den Enden der kälteren Wand einen Haken, der ein Ringelement erfaßt, welches in dem Gitter des Rahmens gebildet ist. Die Haken und die Ringelemente sind mit ausreichendem Spiel dimensioniert ,so daß eine begrenzte, unbehinderte Bewegung des Abschnittes gegenüber dem Rahmen möglich ist, um durch Haften hervorgerufene Spannungen zu verhindern.

Es ist vorgesehen, daß Federkeildichtungen benutzt werden, um das Lecken zwischen benachbarten Abschnitten zu minimieren.

Dieser Aufbau mit Unterteilung in Abschnitte macht es leicht möglich, jeden Abschnitt als ein Gußstück herzustellen, statt Blechmaterial zu benutzen. Das gestattet die Verwendung von Werkstoffen, die bessere Eigenschaften als die bislang benutzten Bleche haben. Beispielsweise könnte jeder Abschnitt aus dem gleichen Werkstoff gegossen werden, der zum Herstellen von Turbinenlaufschaufeln benutzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, für ein Gasturbinentriebwerk einen verbesserten Brennereinsatz zu schaffen.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Brennereinsatz aus einzelnen Abschnitten hergestellt wird, die axial und umfangsmäßig angeordnet werden, um den vollständigen Einsatz zu bilden. Ein Rahmen, der ümfangsringe trägt, stützt jeden Abschnitt ab, der Eingriffshaken hat, die an der kälteren Wand des Abschnittes angebracht sind. Die Toleranzen zwischen den Haken und den Ringen sind so gewählt, daß eine unbehinderte Bewegung zugelassen wird, wodurch übermäßige Wärmespannungen in den Abschnitten minimiert werden.

Die Erfindung gestattet, daß die Platten gegossen werden, wodurch die Anzahl der verwendbaren Werkstoffe maximiert wird.

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

Fig. 1 in einer perspektivischen Teilansicht und teilweise in auseinandergezogener Darstellung den Aufbau eines Abschnittes für einen Ringbrenner, und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die Einzelheiten eines Abschnittes zeigt.

Die Erfindung wird zwar in ihrer bevorzugten Ausführungsform als ein Ringbrenner dargestellt, ein Einzelbrenner oder die Kombination derselben ist im Rahmen der Erfindung jedoch ebenfalls möglich.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen inneren Einsatzabschnitt 10 und einen äußeren Einsatzabschnitt 12, die konzentrisch um eine Achse angeordnet sind und die Innen- und die Außenwand des Ringbrenners bilden. Eine Querwand 14 verbindet die beiden an einem Ende, verschließt ein Ende und trägt mehrere Brennstoffdüsen (nicht dargestellt), welche in mit gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Löcher 16 eingesetzt werden. Gemäß Fig. 1 werden der innere und der äußere Einsatz oder das innere oder das äußere Futter aus mehreren insgesamt gekrümmten, rechteckförmigen Abschnitten oder Segmenten 18 hergestellt, die an einem Tragrahmen 20 verriegelt sind. Der Tragrahmen ist ein offenes Gitterteil, welches mehrere Fenster 22 hat, über denen die Abschnitte liegen. Der Rahmen besteht grundsätzlich aus in bezug auf die Richtung der Triebwerksachse axial verlaufenden Rippen 24 und aus Umfangsringen 26. Die Ringe 26 haben eine Lippe 28, die ein an dem Abschnitt gebildeter Haken 30 erfaßt. Jeder Abschnitt paßt daher in die Nut-und Federanordnung, und gemeinsam bilden die Abschnitte das grundlegende zylinderförmige Einsatzgebilde.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß Abschnitte in der Umfangsrichtung und in der axialen Richtung befestigt sind und die Brennkammer bilden. Dieser Aufbau bildet deshalb Abschnitte in der ümfangsrichtung sowie in der axialen Richtung. Die Umfangsspannungen, die bislang ein Problem waren, werden auf einem Minimum gehalten, da den Abschnitten gestattet wird, sich unter Wärmeeinwirkung mit minimaler Behinderung auszudehnen. Jeder Haken und jeder Ring hat ausreichendes Spiel für die Wärmeausdehnung, so daß deren Einschnürung und unzulässige Beanspruchungen vermieden werden.

Zum Verhindern einer unzulässigen Leckage an jedem Abschnitt sind Federkeildichtungen längs der Seite jedes Abschnittes in Nuten 39 eingepaßt. Der Rahmen ist auf der Außenwand der Einsatzabschnitte befestigt, die der kälteren Luft ausgesetzt wird, welche durch den Triebwerksverdichter (nicht dargestellt) geliefert wird. Die Verbrennung bleibt auf den Raum zwischen den inneren und den äußeren Einsatzabschnitten begrenzt.

Gemäß Fig. 2 ist jeder Abschnitt aus einer Innenwand 36 und einer Außenwand 38 aufgebaut, wobei sich die innere oder heiße Wand 36 näher bei der Verbrennung und die äußere Wand 38 näher bei der Kühlluft befindet. Zwischen der Innenwand 36 und der Außenwand 38 und befestigt an diesen sind mehrere abstehende Wände 4 0 vorgesehen, die axial verlaufen, um Längskanäle 42 zu bilden. Kühlluft aus dem benachbarten Hohlraum wird in jeden der Längskanäle aus Einlaßöffnungen 44 eingeleitet, die umfangsmäßig auf dem Umfang der kalten Wand 38 und zwischen den Enden der Längskanäle 42 angeordnet sind. Dadurch wird ein Teil der Kühlluft in eine Gegenrichtung geleitet, während der übrige Teil der Luft parallel zu dem Strom der Verbrennungsprodukte in dem Brenner geleitet wird.

Diese Verwendung von einzelnen Abschnitten oder Segmenten zum Aufbauen des Einsatzes bringt den Vorteil, daß jeder Abschnitt aus besonderen Werkstoffen, wie sie zur Herstellung von Turbinenlaufschaufeln benutzt werden, hergestellt werden kann. Es kann daher jede Platte aus bekanntem Turbinenwerkstoff gegossen werden, der eine bessere Warmfestigkeit und eine bessere thermische und mechanische Dauerfestigkeit als Blech hat. Das erbringt außerdem den Vorteil, daß die Kühlkanäle in die Platte gegossen werden können, was komplexe Kühlverfahren zum Verringern von Temperaturgradienten und möglicherweise eine Verringerung des erforderlichen Kühlluftdurchsatzes gestattet. Das Wachstum und Verwindungen des Einsatzes führen mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu einer Veränderung der Luftkanalkonfigurationen, was zu einer gleichmäßigen Kühlung während der gesamten Lebensdauer des Einsatzes führt. Zu den Verfahren zum Gießen der Platten gehören solche, durch die sich gleichachsige, gerichtet erstarrte oder Einkristalle ergeben. Bezüglich weiterer Einzelheiten für verwendbare Gießverfahren wird auf die US-PSen 3 260 505 und 3 494 709 verwiesen.

Stifte 50, die über den Rahmen an diskreten Stellen vorstehen, sind in einer Linie mit einem Schlitz 52 in der Platte und können benutzt werden, um die Abschnitte beim Zusammenbauen zu führen und in die richtige Lage zu bringen.

Die einzelnen Platten an den Abschnitten sind zwar gemäß vorstehender Beschreibung in Form von Gegen-/Parallelkühlluftdurchflußwänden aufgebaut, im Rahmen der Erfindung können bei den Platten aber auch andere Kühlverfahren benutzt werden. Was bei der Erfindung als wesentlich angesehen wird, besteht darin, daß sie das Problem der hohen ümfangsspannungen in einem als durchgehender Reif ausgebildeten Einsatz, welcher extremen radialen Temperaturgradienten an seinen Wänden ausgesetzt ist, löst. Gemäß der Erfindung werden die

Umfangsspannungen praktisch beseitigt oder minimiert, indem Abschnitte oder Segmente in ümfangsrichtung und in axialer Richtung zur Bildung des Einsatzumrisses zusammengesetzt werden.

Claims (4)

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

   Patentansprüche :

   1 ./ Brennereinsatz für ein Gasturbinentriebwerk, der in einem Hohlraum angeordnet ist, welchem Kühlluft zugeführt wird, gekennzeichnet durch einen gitterartigen Rahmen (20) in dem Hohlraum, durch mehrere rechteckförmige Abschnitte (18), die an dem Rahmen abgestützt und in ümfangs- sowie in axialer Richtung zusammengesetzt und so konturiert sind, daß sie die Brennkammer begrenzen und sich zwischen den Verbrennungsprodukten und dem Rahmen befinden, durch eine Vorrichtung (40, 42) zum Kühlen der Abschnitte und durch eine Vorrichtung (28, 30), die eine Wärmeausdehnung der Abschnitte in einer relativ unbehinderten Bewegung zuläßt, wodurch die Umfangsspannungen im wesentlichen eliminiert werden.
2. 2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (40, 42) in axialem Abstand voneinander angeordnete Platten aufweist, von denen jede eine äußere Wand (38) hat, die den Umfangsteil des Abschnittes (18) umschließt, Vorrichtungen, die den Abschnitt und die Außenwand miteinander verbinden und langgestreckte, am Ende offene Kanäle (42)

   begrenzen, und Vorrichtlangen (44) zum Einlassen von Kühlluft aus dem umgebenden Hohlraum in die Kanäle (42) an einer Stelle zwischen den Enden derselben, um einen Teil der Kühlluft entgegen den und einen Teil parallel zu den Verbrennungsprodukten in der Brennkammer zu leiten.
3. 3. Einsatz nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einhakvorrichtung (30) an dem Ende des Abschnittes (18) die an einem durch den Rahmen (20) gebildeten Umfangsring (28) abgestützt ist.
4. 4. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Federkeildichtungen an jedem der Abschnitte (18).