DE3143394A1 - Wandaufbau fuer eine brennkammer - Google Patents

Wandaufbau fuer eine brennkammer

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    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Description

43394 :_:Patehta^wäke :D:ipi.-Ing. Curt Wallach
- Dipl.-Ing. Günther Koch
• Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
Dipl.-lng. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 0275 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 2. November 1981
Unser Zeichen: 17 322 - K/Ap
Anmelder: Rolls-Royce Limited
65 Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England
Titel: Wandaufbau für eine Brennkammer
οο
Die Erfindung bezieht sich a\if einen Wandaufbau für eine Brennkammer, beispielsweise die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.
Bei derartigen Brennkammern besteht ein zunehmendes Bedürfnis, die Kammerwände zu kühlen, um die Wände auf einer zulässigen Temperatur zu halten, wobei die Kühlluft menge so klein wie möglich gehalten werden soll, um den Wirkungsgrad des Triebwerks nicht zu stark zu beeinträchtigen. Es sind bereits verschiedene Kühlverfahren: vorgeschlagen worden und einige sind auch in die Praxis umgesetzt worden. Hierunter fallen Kühlringe, die in die Kammerwände eingefügt sind, und es gibt einen Wandaufbau, bestehend aus zwei oder mehreren Materialschichten, zwischen denen die Kühlluft über Innenkanäle und Öffnungen in der Innen- und Außenwand abströmt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem letztgenannten Kühlverfahren.
Brennkammern, die zwei oder mehrere Schichten aufweisen, sind insofern zweckmäßig, als sie nur eine relativ kleine Luftströmung erfordern, um eine ausreichende Kühlung zu ■ gewährleisten, jedoch sind diese Wandaufbauten in anderer Hinsicht problematisch. So können die inneren Strömungskanäle und die Öffnungen in den Wänden blockiert werden und die Wände sind kostspielig in der Herstellung und der Verbindung miteinander, und es kann schwierig sein, diese in eine Brennkammer einzubauen, ohne die Wirksamkeit der Kühlung zu beeinträchtigen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß ein Temperaturdifferential über der
Kammerwandung besteht,und wegen der zyklischen Betriebsphasen neigt eine solche Konstruktion zu einer Rissebildung.
Der Krfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandaufbau für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen, bei der die thermische differentielle Ausdehnung und Zusammenziehung aufgenommen werden kann, ohne daß die Integrität des Brennkammeraufbaus störend beeinträchtigt würde.
Die Erfindung geht aus von einem Wandaufbau für die-Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, bei dem wenigstens eine Außenwand und eine Innenwand vorgesehen sind, von denen .die Außenwand perforiert ist, um Kühlluft in .den Raum zwischen Außen- und Innenwand eintreten zu lassen, wobei der Wandaufbau Auslässe besitzt, um die Kühlluft aus dem Raum zwischen Innen- und Außenwand in die Brennkammer eintreten zu lassen. Bei einem aolchen Wandaufbau wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Innenwand aus mehreren Wandelementen besteht, die formschlüssig an der Außenwand an einem Ende hiervon festgelegt und am gegenüberliegenden Ende zwischen der Außenwand und einem Ende des benachbarten Wandelementes angeordnet sind, wobei die Befestigung derart getroffen ist, daß jedes Wandelement relativ zwischen der Außenwand und den Wandelementen der Innenwand in zwei Richtungen normal zueinander beweglich ist.
Jedes Wandelement kann einen Basisabschnitt und einen zentral angeordneten Stift aufweisen, der in einer Öffnung der Außenwand liegt und beispielsweise durch
* ♦ a
_ g I μ. O w v3 η
ft ■
Verschweißung mit der Außenwand verbunden int» Außerdem können die Befestigungsmittel zwei weitere Stifte aufweisen, von denen je einer seitlich zum Mittelzapfen angeordnet ist und in geeignete Öffnungen der Außenwand einsteht und mit der Außenwand derart in Verbindung steht, daß wenigstens eine begrenzte Bewegung in Radialrichtung und/oder TJmfangsrichtung und/oder Axialrichtung möglich wird, wobei ein Befestigungsmittel einen Teil des Basis- ■ abschnitte bilden kann.
Der Festiegeteil kann der Fortsatz eines BasisabSchnitts sein, der zwischen Außenwand und einem vorstehenden Teil eines benachbarten Wandelementes angeordnet ist, oder es kann ein Flansch vorgesehen werden, der zwischen der Außenwand und dem Basisteil eines benachbarten Wandelementes verläuft.
Jedes Wandelement kann Öffnungen an einem oder an beiden Enden aufweisen, um Kühlluft in die Brennkammer an den Enden einblasen zu können, so daß die Kühlluft durch den Wandaufbau allgemein stromab oder in Gegenströmung hierzu abfließen kann.
Jedes Wandelement kann eine Vielzahl vorstehender Stege aufweisen, die in Verbindung mit der Außenwand mehrere innere Kühlluftkanäle definieren, und die Außenwand besitzt mehrere Öffnungen zum Eintritt der Kühlluft, wobei diese öffnungen jeweils zwischen zwei Stegen der Öteinreihen angeordnet sind.
Die Wandelemente können an der Außenwand in Reihen nach· Art von Dachziegeln angeordnet werden, wobei
beispielsweise benachbarte Reihen gestaffelt zueinander verlaufen und jede zweite Reihe wieder aufeinander ausgerichtet ist.
Der Wandaufbau gemäß der Erfindung kann für drei Haupttypen von Brennkammern für Gasturbinentriebwerke Anwendung finden, beispielsweise für Mehrf ach-Kammern, für Ringbrennkammern mit darin angeordneten Flammrohren und für ringförmige Brennkammern.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer, deren Wandaufbau gemäß der Erfindung ausgestaltet ist,
Fig. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht der ringförmigen Brennkammer des Triebwerks gemäß TH ρ· Ί
J- J-B . ι »
Kl {-■;. 5 e.iae Schnitt ansicht des Wandauf baus der ringförmigen Brennkammer in größerem Maßstab,
Fig. 4- eine abgewandelte Ausführungsform des Wandaufbaus* gemäß Fig. 3»
Fig. 5 eine Draufsicht auf jenen Teil des Wandaufbaus, der den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 gleich ist, nochmals in größerem Maßstab,
3143334
Pig. 6 eine Schnitt ansicht des Wand auf"b aus gemäß 5,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Wandelementes des Wand auf haus gemäß Fig." 3?
Fig. 8 und 9 die Art der Befestigung des rückwärtigen Wandelementes gemäß Pig. 7 an der Außenwand des Wandaufbaus gemäß Pig. J und 4 an einer mittleren bzw. einer seitlichen Stelle,
Pig. 10 eine Ansicht in Richtung des !Teilen A gemäß Pig. 3 1UHd 4, woraus die Überlappung zwischen benachbarten Reihen von Wandelementen erkennbar ist,
Pig. 11, 12 und 13 verschiedene Möglichkeiten der Überlappung zwischen benachbarten Reihen von Wandelementen.
Das in Pig. 1 schematisch dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 besitzt einen Frontfan und ein hohes Nebenstromverhältnis und es ist mit einer Verbrennungseinrichfcunc in Gestalt einer ringförmigen Brennkammer 12 ausgestattet, die in einem zylindrischen Gehäuse 14 untergebracht ist.
Die ringförmige Brennkammer 12 weist einen Wandaufbau 16, bestehend aus einer Außenwand 18 und einer Innenwand 20 auf, und diese Wände sind aus einer Vielzahl von Wandelementen 22 (Fig. 3) bzw. 24 (Fig. 4) zusammengesetzt. Me
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- 04 -
gemeinsamen Merkmale der Wandelemente 22 und 24 in Fig. 3 und M- bestehen darin, daß beide einen Basisabschnitt 22a bzw. 24-a, mehrere vorstehende Stege 26 und drei Befestigungsmittel 28 am stromabwärtigen Ende des Wandelementes aufweisen. Jedes Befestigungsmittel weist einen Stift auf und der jeweils mittlere Stift steht durch eine Öffnung 30 der Außenwand hindurch und ist mit dieser beispielsweise durch Schweißen verbunden. Die Stifte auf beiden Seiten des Mittelstiftes stehen durch eine öffnung 32 hindurch und jeder der äußeren Stifte ist mit einer Manschette 32I- versehen. Auf diese Weise wird das stromabwärtige Ende eines jeden Wandelementes durch den Mittelstift an der Außenxvand festgelegt, und es wird außerdem durch die äußeren Stifte so an der Außenwand festgelegt, daß das Wandelement sich begrenzt in axialer Richtung in Umfangsrichtung und/oder in Eadialrichtung gegenüber dem Mittelstift bewegen kann (Fig. 8 und 9)·
Jedes Wandelement weist außerdem eine Vielzahl von vor- · stehenden Stegen 36 auf, die im einzelnen in Verbindung mit den ['1Ig. 5» <■> und 7 beschrieben werden.
Gemäß Fig. 3 besitzt der Basisabschnitt 22a einen, nach innen gerichteten Flansch 22b und dieser Flansch an jedem Wandelement liegt zwischen der Außenwand 18 und dem •Basisabschnitt eines benachbarten Wand ab Schnitts, so daß das stromaufwärtige Ende eines jeden WandabSchnitts sich begrenzt relativ zur Außenwand bewegen kann. Bei dieser Anordnung strömt die gewöhnlich vom Triebwerkskompressor ' abgezapfte Kühlluft in den Raum zwischen Außen- und Innenwand über die öffnungen 38 in der Außenwand ein und" da der Flansch 22b ein Abblasen von Kühlluft in Eichtung
stromab verhindert, muß diese Kühlluft stromauf fließen, und sie wird in die Brennkammer über Öffnungen 40 im Basisabschnitt P2a eingeblasen.
Gemäß Fig. 4- besitzt der Basisabschnitt 24a keinen !Flansch, aber er erstreckt sich weiter stromab, so daß dieser Fortsatz zwischen der Außenwand und den am weitesten stromab liegenden Stegen 36 zu liegen kommt. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich das stromaufwärtige Ende eines oeden Wandabschnitts so bewegen kann, wie dies in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde. Bei dieser . Anordnung strömt die Kühlluft durch die Öffnungen 38 und dann weiter allgemein stromab, und sie wird aus dem Wandaufbau in die Brennkammer zwischen benachbarten, am weitesten stromab liegenden Stegen 36 eines jeden Wandelementes eingeblasen.
Im. folgenden wird auf die Fig. 5» 6 'und 7 Bezug genommen. Die vorstehenden Stege 36 sind in axial ausgerichteten Reihen angeordnet, wobei in benachbarten .Reihen die Stege gestaffelt versetzt zueinander angeordnet sind. Jeder Steg besitzt eine abgerundete Vorderkante und eine gerade Hinterkante und die Stege 36 und die Einlaßöffnungen 38 in. der Außenwand sind relativ zueinander so angeordnet, daß jede Einlaßöffnung zwischen benachbarten Stegen einer Reihe zu liegen kommt. Auf diese Weise wird die eintretende Kühlluft durch den benachbarten Steg von der Kühlluft abgeschirmt, die bereits in die Strömungskanäle eingetreten ist, welche von den Stegen zusammen mit Außen- und Innenwand des Wandaufbaus gebildet werden. Diese Anordnung des Wandaufbaus ist analog gener, wie sie in der GB-PS 1 550 368 beschrieben ist. Bei diesem
"bekannten Wandaufbau sind Stege und Kühllufteinlässe in ähnlicher Weise angeordnet und ausgebildet, jedoch sind Innen- und Außenwand fest über die Stege miteinander verbunden, während gemäß vorliegender Erfindung die Innen- und Außenwand voneinander getrennt sind und die Befestigung zwischen den Wänden eine gewisse Relativbewegung dazwischen zuläßt.
Die Stege bei dem Wandelement gemäß !Fig. 4 sind in ähnlicher Weise angeordnet, mit dem Unterschied, daß wegen der im Wandaufbau in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Strömung das stromaufwärtige Ende eines jeden Steges abgerundet und das stromabwärtige Ende gerade ausgebildet sind, d. h. entgegengesetzt zu der Ausbildung nach I'ig. 3.
Fig. 10 veranschaulicht, wie die Wandelemente an der Außenwand befestigt werden können, um eine Kühlleckströmung zwischen benachbarten Elementen zu verringern. Die Wandelemente sind in Reihen 42, 44 angeordnet und benachbarte Heinen sind relativ zueinander dachziegelartig gestaffelt.
Die Elemente können sich einfach überlappen, wie aus Fig. 12 ersichtlich. Es kann aber auch eine Überlappungsdichtung durch "Verschweißung auf einer Seite eines jeden Elementes vorgesehen werden, oder es kann ein Dichtstreifen 44 in einem Schlitz 46 eingelegt werden, der am Rand jedes Elementes vorgesehen ist, wie dies aus Fig. 13 ersichtlich ist.
Aus Gründen einer vereinfachten Herstellung kann jedes
Wandelement in seiner vollen Größe gegossen werden, wobei ein Verfahren benutzt wird, bei dem das Gießen durch Vakuum unterstützt wird.
Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben anhand eines Ausführungsbeispiels, bei dem das Innere dec; Wandaufbau:.; durch vorstehende Stege in Kühlluftknnüle oufp;eteilt wurde. Es ist Jedoch auch möglich, eine entspx'ocheiide Kühlung ohne derartige Stege zu erreichen, und die Kühlluftkanäle können in unterschiedlicher Form angeordnet werden, wobei unterschiedliche Ausgestaltungen von Stegen benutzt werden. ■
Der Wandaufbau gemäß der Erfindung kann die Gesamtwandung der Brennkammer bilden, oder es können auch nur Teile dieser Brennkammerwand auf diese Weise ausgebildet werden.
Im Betrieb strömt Kühlluft durch die Öffnungen JS der Außenwand, die relativ kühl ist, und sie trifft auf das relativ heiße Wandelement auf und fließt entweder durch die Öffnungen 46 (Fig. 3) oder zwischen benachbarten Stegen 36 am stromabwärtigen Ende eines jeden Wandelementes, welches dann das stromab folgende Wandelement schützt. Die Stege dienen einem zweifachen Zweck und sie vergrößern die Oberfläche des Wandelementes einerseits und schirmen andererseits die eintretenden Kühlluftstrahlen von der Kühlluftkreuzströmung ab, die bereits zwischen den Wänden abfließt.
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Claims (15)

  1. 43394 ^e«Pa^nta|wä?te" Äpj.-Ing. Curt Wallach
    • Dipl.-Ing. Günther Koch
    Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-ing. Rainer Feldkamp
    D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 - Telex 5 29 513 wakai d
    Datum: 2. November 1981
    Unser Zeichen: 17 3?2 K/Nu
    P ate nt a η s p. r ü ch e
    W and aufbau für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerke, bestehend aus wenigstens einer äußeren und einer inneren Wand, von denen die äußere Wand perforiert ist, um eine Kühlluft in den Raum zwischen der äußeren und der inneren Wand einströmen zu las- "%
    sen, wobei der Wandaufbau Auslässe besitzt, um die |*.
    Kühlluft aus dem Raum zwischen den Wänden in die - **
    Brennkammer gelangen zu lassen, dadurch gekennzeichnet , daß die innere Wand aus mehreren Wandelementen besteht und jedes Wandelement an einem Ende fest mit der Außenwand verbunden ist und daß das gegenüberliegende Ende zwischen der Außenwand und einem Ende eines benachbarten Wandelementes zu liegen kommt und daß die Festlegung eines jeden Wandelementes so beschaffen ist, daß eine Relativbewegung zwischen der Außenwand und den Wandelementen der Innenwand in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen ermöglicht wird.
  2. 2. Wandaufbau nach Anspruch 1, dadurch
    — ρ —
    gekennzeichnet , daß jedes Wandelement einen Basisabschnitt aufweist und daß Befestigungsmittel an einem Ende des Basisabschnitts angeordnet sind, durch die der B as is ab schnitt fest mit der Außenwand verbunden wird, um eine Bewegung zwischen diesem zentral angeordneten Befestigungsmittel und der Außenwand zu verhindern.
  3. 3· Wandaufbau nach Aaspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Basisabschnitt zwei weitere Befestigungsmittel aufweist, durch die die Seiten eines jeden Wandelementes an der Außenwand so befestigt werden, daß eine gewisse Relativbewegung zwischen dem weiteren Befestigungspunkt und der Außenwand zustandekommt.
  4. 4. Wandaufbau nach Aaspruch J, dadurch gekennzeichnet , daß die weiteren Befestigungsmittel auf jeder Seite des zentral angeordneten Befestigungsmittels ausgebildet sind.
  5. 5. Wandaufbau nach Aaspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Wandelement mehrere vorstehende Stege aufweist, die vom Basisabschnitt vorstehen, und daß diese Stege zusammen mit der Außenwand mehrere innere Strömungskanäle für die Kühlluft definieren.
  6. 6. Wandaufbau nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet , daß die Stege in Reihen
    angeordnet sind, wobei die Stege benachbarter Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
  7. 7- Wandaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenwand mehrere Öffnungen für die eintretende Kühlluft' aufweist und daß jede Öffnung zwischen benachbarten Stegen in den Reihen vorgesehen ist.
  8. 8. Wandaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die gegenüberliegenden Enden eines jeden Wandelementes zwischen der Außenwand und einigen vorstehenden Stegen eines benachbarten Wandelementes angeordnet sind und daß die Kühlluftströmung durch den Raum zwischen Außen- und Innenwand stromab verläuft.
  9. 9· Wandaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Wandelement einen Flansch an dem gegenüberliegenden Ende aufweint und daß der Flansch zwischen der Außenwand eines benachbarten Wandelementes zu liegen kommt und daß die Kühlluftströmung im Raum zwischen Innen- und Außenwand stromauf verläuft und in die Brennkammer durch Öffnungen benachbart zum Flansch eingeblasen wird.
  10. 10. Wandaufbau nach Anspruch 5, dadurch g e kennz eichnet , daß jeder Steg in Strömungsrichtung vorn eine abgerundete Nase und hinten eine gerade Flanke besitzt.
  11. 11. Wandaufbau nach Inspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbrennungseinrichtung eine oder mehrere Brennkammern aufweist, deren Wand wenigstens teilweise von diesem Wandaufbau gebildet ist.
  12. 12. Wandaufbau für eine Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bestehend aus einer Außenwand und einer Innenwand, wobei die Außenwand wenigstens teilweise gestuft ist und mehrere Öffnungen zum Einlaß von Kühlluft in den Raum zwischen Innen- und Außenwand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand aus mehreren Wandelementen besteht, die an der Außenwand festgelegt sind, wobei jedes Wandelement an der Außenwand an einer zentralen Stelle unbeweglich am stromabwärtigen Ende des Wandelementes befestigt ist, und daß das Wandelement an der Außenwand an Stellen benachbart zu den Seiten des Wandelementes am stromabwärtigen Ende derart befestigt sind, daß das stromaufwärtige Ende eines jeden Wandelementes beweglich zwischen der Außenwand und einem benachbarten Wandelement angeordnet liegt.
  13. 13. Wandaufbau nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Wandelement mehrere vorstehende Stege in reihenweiser Anordnung aufweist, wobei benachbarte Stege versetzt zueinander angeordnet sind, daß die Öffnungen in der Außenwand zwischen benachbarten vorstehenden Stegen der Reihen angeordnet sind, wobei jeder Steg in Richtung der
    Kühlluftströmung vorn abgerundet und hinten gerade ausgebildet ist.
  14. 14-. Wandaufbau nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß jedes Wandelement zwischen der Außenwand und einigen vorstehenden Siegen eines benachbarten Wandelementes zu liefen komml., daß die Kühlluftströmung durch den Raum zwischen Außen- und Innenwand in Richtung stromab verläuft und daß die Kühlluft den Raum am stromabwärtigen Ende eines jeden Wandelementes verläßt.
  15. 15. Wandaufbau nach Anspruch 13? dadurch g e kennz e lehnet, daß jedes Wandelement einen Flansch am stromaufwärtigen Ende aufweist, der zwischen der Außenwand und einem benachbarten Wandelement zu liegen kommt, daß die Kühlluftströmung durch den Raum zwischen Außen- und Innenwand in Richtung stromauf verläuft und den tfaum über öffnungen benachbart zum stromaufwärtigen Ende des Wandelementes verläßt.
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