DE3815382C2

DE3815382C2 - Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3815382C2
Application number: DE3815382A
Authority: DE
Inventors: John Stanley Richardson; Anthony Pidcock
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1987-05-06
Filing date: 1988-05-05
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2008-05-06
Also published as: US4864827A; IT8820431A0; FR2614973A1; GB2204672A; GB8710647D0; FR2614973B1; GB2204672B; JPS63311024A; DE3815382A1; IT1217476B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für ein Gas turbinentriebwerk. Diese Brennkammer kann als Ringbrennkam mer ausgebildet sein oder in Gestalt von Flammrohren, die in ringförmiger Anordnung koaxial zur Triebwerksachse angeord net sind.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Triebwerken und zur Ver minderung des Schadstoffgehaltes der Abgase ist man bestrebt, die Temperatur der Verbrennungsgase so weit zu erhöhen, wie es die Werkstoffe der hitzebeaufschlagten Teile erlauben. Um eine Beschädigung der hitzbeanspruchten Teile bei hohen Tempe raturen der Verbrennungsgase zu vermeiden, ist es allgemein üblich, diese Teile einem Kühlluftstrom auszusetzen, der vom Kompressor des Triebwerks abgezapft wird.

Die DE 27 23 546 A1 zeigt eine Ringumkehrbrennkammer für Gas turbinentriebwerke, bei welcher der zwischen dem Brennkammer- Außengehäuse und dem Flammrohr gebildete Ringkanal mittels vorgewärmter Luft aus einem Wärmetauscher beaufschlagt wird, die dem Flammrohr als Verbrennungs- und Kühlluft zuführbar ist. Der Brennkammerkopf ist doppelwandig ausgebildet und der zwi schen den Wandabschnitten eingeschlossene Ringraum ist an den Auslaß des Kompressors angeschlossen. Die über Luftführungs körper auf der einen Seite eingeführte Kühlluft verläßt den Doppelmantelringspalt über einen oder mehrere Schlitze, um auf der Flammrohrinnenwandung einen Kühlfilm zu erzeugen.

Die DE 26 23 471 A1 zeigt eine Brennkammer mit einem doppel wandig ausgebildeten Kopf, bestehend aus einem Boden und einer inneren Schale. In der Schale sind Öffnungen kleiner Abmessungen gebohrt, wobei deren Gesamtquerschnitt ungefähr gleich einem Drittel des Querschnitts der die Luft zufüh renden Öffnungen ist. Diese Luftzuführungsöffnungen sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 im Boden derart angeord net, daß der zentrale Bereich mit Kühlluft versorgt wird. Die von der zentralen Zone durch eine Ringwand getrennten äußeren Zonen werden über Öffnungen im Boden mit Kühlluft versorgt. Diese Kühlluft strömt aus dem Ringspalt aus. Durch die Ringwand wird zwar der Abstand des Spaltes gehalten, aber die Kühlluft im inneren Bereich kann den Außenbereich nicht erreichen, weil sie über die Bohrungen des Innenmantels ab fließt.

Die GB 21 73 891 A zeigt eine Verbrennungseinrichtung für eine Gasturbine, bestehend aus einem Doppelwandaufbau mit einem inneren Mantel und einem äußeren Mantel. Der innere Mantel ist mit dem äußeren Mantel durch Abstandshalter in Form zylindrischer Podeste verbunden, die einen Zwischen raum definieren. Die Kühlluft strömt in den Zwischenraum durch Öffnungen des Außenmantels ein, und aus diesem Zwi schenraum strömt die Kühlluft unter einem Winkel von etwa 30° durch Öffnungen des Innenmantels in den Verbrennungs raum.

Die GB 20 20 370 A zeigt eine Ringbrennkammer mit darin an geordneten als Flammrohr ausgebildeten Brennkammern. Der Brennkammerkopf eines jeden Flammrohres ist doppelwandig ausgebildet und die stromaufwärtigen Enden der beiden Mäntel sind hülsenförmig ausgebildet und fest miteinander verbunden. Diese Hülsen umschließen eine zentrale Brennstoffeinspritz vorrichtung und Verwirbelungsschaufeln im zentralen Luftzu führungskanal. Der äußere Mantel ist mit Kühlluftzuführungs öffnungen versehen, über die die Kühlluft in den Zwischenraum zwischen die beiden Mäntel einströmt. Die Kühlluft verläßt den Zwischenraum durch einen stromabwärtigen äußeren Ring spalt, der Außenmantel geht in die Brennkammerwand über, die durch die aus dem Ringspalt am stromabwärtigen Ende austre tende Kühlluft einer Filmkühlung unterworfen wird.

Die DE 31 43 394 A1 zeigt einen gekühlten Wandaufbau für eine Gasturbinenbrennkammer mit einer perforierten Außen wand und einer Innenwand, die sich relativ zueinander be wegen können, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufnehmen zu können, denen die Brennkammer im Betrieb aus gesetzt ist. Die Innenwand besteht aus mehreren Wandelemen ten, die an der Außenwand in Form sich überlappender Dach ziegel befestigt sind. Jedes Wandelement ist unbeweglich an der Außenwand in der Mitte des stromabwärtigen Endes verbunden, und die Seiten eines jeden Wandelementes sind beweglich mit der Außenwand benachbart zu den Seiten am stromabwärtigen Ende des Wandelementes festgelegt. Das stromaufwärtige Ende eines jeden Wandelementes liegt zwi schen der Außenwand und einem benachbarten stromaufwärtigen Wandelement und die Kühlluft kann entweder stromauf oder stromab zwischen den Wänden abfließen. Die Wandelemente können mehrere vorstehende Stege besitzen, um die Ober fläche der Elemente zu vergrößern und um die einströmende Kühlluft gegen die Kreuzströmung der bereits zwischen den Wänden abfließenden Kühlluft abzuschirmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, bei der die wirkungs volle Kühlung des Brennkammerkopfes verbessert ist und Span nungsrisse infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnun gen vermieden werden.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennkammer;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils des stromauf wärtigen Endes einer erfindungsgemäß ausgebil deten Brennkammer;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der Brenn kammer nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10, das in Strömungs richtung hintereinander einen Niederdruckkompressor 11, einen Hochdruckkompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 13, eine Hochdruckturbine 14, eine Niederdruckturbine 15 und eine Schubdüse 16 aufweist. Das Triebwerk 10 arbeitet in her kömmlicher Weise, und es wird Luft durch den Niederdruck- und den Hochdruckkompressor 11 bzw. 12 verdichtet und mit Brennstoff in der Verbrennungseinrichtung 13 vermischt, und diese Mischung wird verbrannt. Die sich hieraus ergebenden Abgase expandieren über die Hochdruckturbine 14 und die Niederdruckturbine 15, die ihrerseits den Hochdruckkompres sor 12 und den Niederdruckkompressor 11 antreiben. Dann werden die Gase durch die Schubdüse 16 ausgestoßen, um einen Vorwärtsschub zu erzeugen. Ein Teil der vom Niederdruckkom pressor 11 komprimierten Luft strömt am Hochdruckkompressor 12, an der Verbrennungseinrichtung 13, an der Hochdrucktur bine 14 und der Niederdruckturbine 15 vorbei, um sich dann mit den Abgasen in der Schubdüse 16 zu vermischen.

Die Verbrennungseinrichtung 13 weist mehrere Brennkammern 17 in Gestalt von Flammrohren auf, die im gleichen Abstand in ringförmiger Anordnung festgelegt sind. Jede Brennkammer 17 weist einen stromaufwärtigen Brennkammerkopf 18 auf, in dem eine Brennstoffeinspritzdüse (nicht dargestellt) angeordnet ist, um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff in das Innere der Brennkammer 17 einzuspritzen. Der stromaufwärtige Brennkammerkopf 18 einer Brennkammer 17 ist aus Fig. 2 er sichtlich.

In Fig. 2 ist die Mittelachse 19 der Brennkammer 17 darge stellt sowie ein Teil des stromabwärtigen Brennkammerkopfes 18 der Brennkammer 17 und ein Teil der Brennkammerwand 21.

Der Brennkammerkopf 18 weist einen Doppelwandaufbau 20 auf und besteht aus einem äußeren Mantel 20a und einem inneren Mantel 20b, die halbkugelförmig gestaltet sind. Der äußere Mantel 20a liegt stromauf des inneren Mantels 20b und be sitzt im Mittelbereich eine Öffnung, die durch eine Hülse 22 definiert ist. In gleicher Weise besitzt der innere Mantel 20b eine Öffnung im Mittelbereich, die durch eine zweite Hülse 23 definiert ist. Die zweite Hülse 23 hat einen klei neren Durchmesser als die erste Hülse 22, liegt innerhalb der ersten Hülse 22 und ist mit dieser fest verbunden.

Der innere Mantel 20b wird demgemäß von dem äußeren Mantel 20a durch das Zusammenwirken der beiden Hülsen 22, 23 ab gestützt.

Die zweite Hülse 23 trägt mehrere Wirbelschaufeln 24, deren radial innere Enden ihrerseits eine weitere Hülse 25 tragen, die als Träger für eine (nicht dargestellte) Brennstoff einspritzdüse dient.

Der äußere Mantel 20a und der innere Mantel 20b sind durch mehrere zylindrische Abstandshalter 27 distanziert, die am inneren Mantel 20b festgelegt sind. Ein gleicher Abstand ist dabei nicht notwendigerweise erforderlich. Die Abstands halter 27, von denen einige aus Fig. 3 ersichtlich sind, sind jedoch nicht am äußeren Mantel 20a festgelegt, sondern sie stoßen an diesem nur an. So wird ein Zwischenraum 28 zwischen dem äußeren Mantel 20a und dem inneren Mantel 20b des Brennkammerkopfes 18 gebildet.

Der Bereich 29 stromauf des Brennkammerkopfes 18 empfängt im Betrieb Druckluft vom Hochdruckkompressor 12. Der Haupt teil dieser Druckluft tritt in das Innere der Brennkammer 17 über die Wirbelschaufeln 24 und verschiedene Lufteinlässe, beispielsweise Lufteinlässe, wie sie bei 29 dargestellt sind, längs der Brennkammerwand 21 ein. Ein Teil der Druckluft gelangt in den Zwischenraum 28 zwischen dem äußeren Mantel 20a und dem inneren Mantel 20b über Kühllufteintrittsöffnun gen 30, die im äußeren Mantel 20a vorhanden sind. Der innere Mantel 20b ist geschlossen ohne derartige Öffnungen ausgebil det. Die Kühlluft dient dazu, um zu gewährleisten, daß der innere Mantel 20b, der direkt den Verbrennungsgasen ausge setzt ist, auf einer annehmbar niedrigen Temperatur gehalten wird.

Die Kühllufteintrittsöffnungen 30 sind in Größe und Zahl so bemessen, daß die verschiedenen Wärmeflüsse in der Brenn kammer 17 berücksichtigt werden. In diesem speziellen Fall haben jene Kühllufteintrittsöffnungen 30, die der Achse 19 am nächsten liegen, den größten Durchmesser, während der Durchmesser der übrigen Kühllufteintrittsöffnungen 30 mit ihrem Abstand von der Achse 19 abnimmt. Da die Hülse 23 an der Hülse 22 anliegt, besteht der einzige Weg für die Kühl luft nach dem Zwischenraum 28 über die Kühllufteintritts öffnungen 30. Hieraus ergibt sich, daß die Veränderung im Durchmesser und der Lage der Kühllufteintrittsöffnungen 30 Gewähr dafür bietet, daß die Kühlluft progressiv in den Zwischenraum 28 zugemessen wird. Das tatsächliche Ausmaß der progressiven Zumessung ist so gewählt, daß die Geschwin digkeit der Kühlluft innerhalb des Zwischenraumes 28 und demgemäß die Geschwindigkeit, mit der eine Hitzeabfuhr er folgt, ausreicht, um die Temperatur des inneren Mantels 20b auf einem annehmbaren niedrigen Wert zu halten.

Die Abstandshalter 27 dienen zur Beabstandung der Mäntel 20a und 20b und zur Unterstützung der Wärmeleitung von dem inneren Mantel 20b, und sie werden natürlich durch die Kühl luftströmung innerhalb des Zwischenraumes 28 gekühlt. Auf diese Weise erfolgt eine sehr wirksame Kühlung des inneren Mantels 20b, und es ist nicht notwendig, die Oberfläche des inneren Mantels 20b, die den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, mit einer herkömmlichen Filmkühlung zu versehen.

Da die Abstandshalter 27 am äußeren Mantel 20a nicht fest gelegt sind, sondern nur an diesem anstoßen, führen die thermischen Gradienten innerhalb des Doppelwandaufbaus 20 nicht zu einer Rissebildung der Abstandshalter 27 oder zu einer Rissebildung im äußeren Mantel 20a und inneren Mantel 20b infolge thermischer Beanspruchung. Wenn thermische Gra dienten im Doppelwandaufbau 20 auftreten, dann bewegen sich die Abstandshalter 27 lediglich relativ zu dem äußeren Mantel 20a.

Das radial äußere Ende des äußeren Mantels 20a geht inte gral in die Brennkammerwand 21 über. Der Umfang des inneren Mantels 20b liegt jedoch im Abstand zu der Brennkammerwand 21, so daß ein Ringspalt 31 dazwischen entsteht. Der Ring spalt 31 bildet einen Auslaß für die Kühlluftströmung durch den Zwischenraum 28 zwischen äußerem bzw. innerem Mantel 20a und 20b in das Innere der Brennkammer 17. Diese aus dem Ringspalt 31 austretende Kühlluft bildet einen Kühlfilm am stromaufwärtigen Ende der Brennkammerwand 21. Die Kühlluft strömung durch den Ringspalt 31 ändert sich nicht mit der Zeit, da die Abstandshalter 27 gewährleisten, daß der Ring spalt 31 im wesentlichen konstant bleibt.

Die Brennkammern 17 sind gegenüber Beschädigungen infolge thermisch induzierter Spannungen widerstandsfähig und sie sind insbesondere wirksam in ihrer Kühlluftausnutzung, was wiederum ein entsprechendes Ansteigen des Wirkungsgrades im Betrieb nach sich zieht.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Gas turbinentriebwerk 10 beschrieben, welches mit einer Anzahl getrennter Flammrohre ausgerüstet ist. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar für Gasturbinentriebwerke, die mit einer einzigen ringförmigen Verbrennungseinrichtung ausge rüstet sind. In diesem Fall müssen äußerer und innerer Mantel 20a und 20b nicht notwendigerweise eine halbkugel förmige Kuppelgestalt aufweisen.

Bezugszeichenliste

10

Gasturbinentriebwerk

11

Niederdruckkompressor

12

Hochdruckkompressor

13

Verbrennungseinrichtung

14

Hochdruckturbine

15

Niederdruckturbine

16

Schubdüse

17

Brennkammer

18

Brennkammerkopf

19

Mittelachse

20

Doppelwandaufbau

20

aäußerer Mantel

20

binnerer Mantel

21

Brennkammerwand

22

Hülse

23

Hülse

24

Wirbelschaufeln

25

weitere Hülse

27

Abstandshalter

28

Zwischenraum

29

Bereich

29

'Lufteinlaß

30

Kühllufteintrittsöffnungen

31

Ringspalt

Claims

1. Brennkammer (17) für ein Gasturbinentriebwerk (10) mit den folgenden Merkmalen:

a) der Brennkammerkopf (18) besteht aus einem Doppelwandaufbau (20) und weist einen äußeren, einem Kühlluftstrom ausgesetzten Mantel (20a) und einen inneren, den Verbrennungsgasen ausgesetzten Mantel (20b) auf;
b) der äußere Mantel (20a) weist Kühllufteintritts öffnungen (30) auf;
c) zwischen den beiden Mänteln (20a, 20b) ist ein Zwischenraum (28) zur Führung der Kühlluft gebildet;
d) der innere Mantel (20b) ist geschlossen ohne Öff nungen ausgebildet;
e) der innere Mantel (20b) ist wärmeleitend mit Ab standshaltern (27) verbunden, die nach dem äußeren Mantel (20a) hin vorstehen, ohne mit diesem verbun den zu sein;
f) die beiden Mäntel (20a, 20b) sind stromoberseitig als Hülsen (22, 23) ausgebildet, die einen Brenn stoffinjektor umschließen und fest miteinander ver bunden sind;
g) die wirksame Querschnittsfläche der Kühlluft eintrittsöffnungen (30) nimmt von dem achsnahen Bereich radial nach außen entsprechend der Wärme beanspruchung ab;
h) der äußere Mantel (20a) geht in die Brennkammer wand (21) über, die durch die aus dem Ringspalt (31) am stromabwärtigen Ende der Mäntel (20a, 20b) austretende Kühlluft einer Filmkühlung unterworfen wird.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (20a) integral mit der Brennkammerwand (21) verbunden ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ringkanal zwischen der stromoberseitigen Hülse (23) des inneren Mantels (20b) und einer weiteren Hülse (25) Wirbelschaufeln (24) angeordnet sind.