DE3842470C2

DE3842470C2 - Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3842470C2
Application number: DE3842470A
Authority: DE
Inventors: Peter Havercroft; Brian Henderson
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: FR2624954A1; GB8729497D0; JPH01244120A; GB2219653A; FR2624954B1; US4916905A; DE3842470A1; GB2219653B

Description

Die Brennkammer kann als Ringbrennkammer ausgebildet sein oder in Gestalt von Flammrohren, die in ringförmiger Anordnung ko axial zur Triebwerksachse angeordnet sind.

Die Entwicklung im Triebwerksbau zielt darauf ab, zur Erhö hung des Wirkungsgrades und Verminderung des Schadstoffge haltes der Abgase die Verbrennungstemperatur zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden einerseits neue Werkstoffe entwickelt und andererseits werden Maßnahmen getroffen, um die hitze beanspruchten Oberflächen wirksam durch vom Kompressor abge zapfte Kühlluft auf einer zulässigen Temperatur zu halten. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem zuletzt erwähn ten Problem der Kühlung, und zwar der Kühlung der den Verbren nungsgasen ausgesetzten Wand der Brennkammer.

Die GB 2 020 370 A zeigt eine Ringbrennkammer mit darin in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten als Flammrohr aus gebildeten Brennkammern. Der Brennkammerkopf eines jeden Flammrohres ist doppelwandig ausgebildet, und die stromauf wärtigen Enden der beiden Mäntel sind hülsenförmig ausgebil det und fest miteinander verbunden. Diese Hülsen umschließen eine zentrale Brennstoff-Einspritzvorrichtung und Verwirbe lungsschaufeln im zentralen Luftzuführungskanal. Der äußere Mantel ist mit Kühlluftzuführungsöffnungen versehen, über die die Kühlluft in den Zwischenraum zwischen die beiden Mäntel einströmt. Die Kühlluft verläßt den Zwischenraum durch einen stromabwärtigen äußeren Ringspalt, und der Außenmantel geht in die Brennkammerwand über, die durch die aus dem Ringspalt am stromabwärtigen Ende austretende Kühlluft einer Filmküh lung unterworfen wird.

Die GB 2 173 891 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 zylindri scher Podeste verbunden, die einen Zwischenraum definieren. Die Kühlluft strömt in den Zwischenraum durch Öffnungen des Außen mantels ein, und aus diesem Zwischenraum strömt die Kühlluft unter einem Winkel von etwa 30° durch Öffnungen des Innenman tels in den Verbrennungsraum. Dadurch, daß die beiden Mäntel durch die Abstandshalter starr verbunden sind, kann eine diffe renzielle Ausdehnung der beiden Mäntel zu Spannung und einer Rissebildung führen.

Die DE 31 43 394 A1 zeigt einen gekühlten Wandaufbau für eine Gasturbinen-Brennkammer mit einer perforierten Außenwand und einer Innenwand, die sich relativ zueinander bewegen können, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufnehmen zu kön nen, denen die Brennkammer im Betrieb ausgesetzt ist. Die Innenwand besteht aus mehreren Wandelementen, die an der Außenwand in Form sich überlappender Dachziegel 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 Wandele mentes festgelegt. Das stromaufwärtige Ende eines jeden Wand elementes liegt zwischen der Außenwand und einem benachbarten stromaufwärtigen Wandelement, und die Kühlluft kann entweder stromauf oder stromab zwischen den Wänden abfließen. Die Wand elemente können mehrere vorstehende Stege besitzen, um die Oberfläche der Elemente zu vergrößern und um die einströmende Kühlluft gegen die Kreuzströmung der bereits zwischen den Wänden abfließenden Kühlluft abzuschirmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, bei der unter Verbesserung der wirksamen Kühlung eine durch unter schiedliche thermische Beanspruchung bewirkte Rissebildung vermieden wird.

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

Aufgrund dieses Aufbaus kann sich die Brennkammerwand radial nach außen ausdehnen, ohne daß der Doppelwandaufbau thermi schen Spannungen ausgesetzt wird, die eine gefährliche Risse bildung verursachen können. Gewährleistet wird dies dadurch, daß die einzige Verbindung zwischen der Brennkammerwand und dem Außenmantel des Brennkammerkopfes durch Streben bewirkt wird, die im Winkelabstand zueinander angeordnet sind und den Durchfluß von Kühlluft ermöglichen. Eine differenzielle Wärme bewegung kann stattfinden, weil das stromabwärtige Ende des Außenmantels mit der zylindrischen Brennkammerwand in Gleit berührung steht, so daß hier keine gefährlichen Spannungen entstehen können. Ebenso wird die Spannungsbeanspruchung zwi schen dem Außenmantel und dem Innenmantel verhindert, weil diese ausschließlich am stromaufwärtigen hülsenförmigen Ab schnitt starr miteinander verbunden sind. Die Abstandshalter zwischen den Mänteln bilden wirksame Wärmeaustauscher.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird es möglich, die Brennkammer höheren Temperaturen auszusetzen, wobei sich die äußere Brennkammerwand weiter ausdehnen kann, ohne daß eine Rissebildung oder bleibende Deformation zu befürchten wäre.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird eine vereinfachte Durchführung von Wartungsarbeiten ermöglicht, weil im Falle einer Beschädigung der äußeren Brennkammerwand diese von der Schweißnaht abgetrennt und durch eine andere zylindrische Brennkammerwand ersetzt werden kann, ohne daß weitere Teile demontiert und montiert werden müßten.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische teilweise aufgebrochene An sicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilansicht der Brenn kammer gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Verbren nungseinrichtung 12, die zwischen einem Kompressor 14 und einer Turbine 16 angeordnet ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verbrennungseinrichtung von mehreren Brennkammern 18 gebildet, die im gleichen Winkel abstand um die Triebwerksachse herum angeordnet sind. Der artige Brennkammern sind als Flammrohrbrennkammern bekannt.

Nunmehr wird auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Die Brennkammer 18 ist rohrförmig ausgebildet. Sie weist einen zylindrischen Abschnitt 20 und einen kegelstumpfförmigen, stromaufwärtigen Abschnitt 22 auf, die über eine auftrenn bare Schweißnaht 24 miteinander verbunden sind.

Der Brennkammerkopf ist doppelwandig ausgeführt und weist einen halbkugelförmigen äußeren Mantel 26 und einen halb kugelförmigen inneren Mantel 32 auf. Der äußere Mantel 26 ist über Streben 28 mit dem stromaufwärtigen Abschnitt 22 der Brennkammerwand verbunden. Das stromabwärtige Ende 30 des äußeren Mantels 26 steht in Gleitberührung mit dem zylindrischen Abschnitt 20 der Brennkammerwand.

Der innere Mantel 32 ist stromoberseitig an dem äußeren Mantel 26 über zusammenwirkende konzentrische Hülsen 34, 36 festgelegt. Die Verbindung kann durch Hartverlöten, durch Verschweißen oder durch andere Maßnahmen erfolgen.

Der äußere Mantel 26 besteht aus perforiertem Blech oder Gußmetall und einige der Kühllufteintrittsöffnungen sind mit dem Bezugszeichen 38 gekennzeichnet. Der innere Mantel 32 besteht ebenfalls entweder aus Metallblech oder aus Guß metall. Dieser innere Mantel 32 besitzt keine Perfora tionen, weist aber eine große Zahl von Abstandshaltern 40 an der konvexen Oberfläche auf, die nach der konkaven Ober fläche des äußeren Mantels 26 hin vorstehen und dicht be nachbart zu jener Oberfläche enden.

Der innere Mantel 32 erstreckt sich bis zu einer Stelle, die benachbart zur inneren Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 20 der Brennkammerwand liegt. Die Abstandshal ter 40 verlaufen bis zu einer Stelle dicht benachbart zur inneren Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 20 der Brennkammerwand.

Im Betrieb wird Luft aus dem Kompressor 14 dem stromauf wärtigen Ende der Brennkammer 18 zugeführt. Die Strömung wird um die Außenseite des zylindrischen Abschnitts 20 der Brennkammerwand herumgeführt und auf die Innenseite des kegelstumpfförmigen Abschnitts 22 geleitet und dann durch die Streben 28 aufgeteilt. Ein sehr kleiner Anteil der Kühlluft verläuft durch den Ringspalt am stromabwärtigen Ende 30 des äußeren Mantels 26 als Leckstrom, aber haupt sächlich strömt die Luft durch die Öffnungen 38 und um die Abstandshalter 40 herum und danach in die Brennkammer über den äußeren Umfang des inneren Mantels 32. Ein Teil der Luft strömt über eine Verwirbelungskammer 42 und wird mit Brennstoff aus einem Brennstoffinjektor 44 vermischt, und nach der Vermischung erfolgt eine Verbrennung inner halb der Grenzen des inneren Mantels 32. Die nicht mit Be zugszeichen versehenen Pfeile geben die verschiedenen auf geteilten Strömungen an.

Die Fixierung des äußeren Mantels 26 an dem kegelstumpf förmigen Abschnitt 22 erfolgt über die Streben 28, so daß dies die einzige Verbindung dazwischen ist. Die Befestigung des inneren Mantels 32 erfolgt über seine Hülse 36, die mit der Hülse 34 des äußeren Mantels 26 verbunden ist, wodurch eine spannungsfreie Expansion des inneren Mantels 32 ermög licht wird. Eine solche Anordnung vermindert im hohen Maße die Wahrscheinlichkeit einer Rissebildung im äußeren und inneren Mantel 26, 32.

Ein weiterer Vorteil, der durch die Trennung der Brennkammer wand 20 und des Doppelmantels 26, 32 erreicht wird, besteht darin, daß im Falle einer Rissebildung der Brennkammerwand 20 diese Brennkammerwand einfach an der Schweißnaht 24 ab geschnitten und durch eine andere Brennkammerwand ersetzt werden kann, wodurch die Kosten einer Reparatur um eine Grös senordnung vermindert werden.

Die als Flammrohr beschriebene Verbrennungseinrichtung 12 kann auch ringförmig sein, wobei der Wandaufbau zwei kon zentrische, nicht dargestellte, Brennkammerwände umfaßt. Bei dieser Anordnung würden die Mäntel 26 und 32 jeweils einen halben, nicht dargestellten, Toroid bilden.

Bezugszeichenliste

10

Gasturbinentriebwerk

12

Verbrennungseinrichtung

14

Kompressor

16

Turbine

18

Brennkammer

20

Brennkammerwand zylindrischer Abschnitt

22

Brennkammerwand kegelstumpfförmiger stromaufwärtiger Abschnitt

24

auftrennbare Schweißnaht

26

äußerer Mantel

28

Streben

30

stromabwärtiges Ende von

26

32

innerer Mantel

34

Hülse äußerer Mantel

36

Hülse innerer Mantel

38

Kühllufteintrittsöffnungen

40

Abstandshalter

42

Verwirbelungskammer

44

Brennstoffinjektor

Claims

1. Brennkammer (18) für ein Gasturbinentriebwerk mit den folgenden Merkmalen:

a) der Brennkammerkopf besteht aus einem Doppelwand aufbau und weist einen äußeren, einem Kühlluft strom ausgesetzten Mantel (26) und einen inneren, den Verbrennungsgasen ausgesetzten Mantel (32) auf;
b) der äußere Mantel (26) weist Kühllufteintritts öffnungen (38) auf;
c) zwischen den beiden Mänteln (26, 32) ist ein Zwischenraum zur Führung der Kühlluft gebildet;
d) der innere Mantel (32) ist wärmeleitend mit Ab standshaltern (40) verbunden, die nach dem äußeren Mantel (26) hin vorstehen, ohne mit diesem verbun den zu sein;
e) die beiden Mäntel (26, 32) sind stromoberseitig im Bereich der Brennstoffeinbringung fest miteinander verbunden;
f) ein stromaufwärtiger Abschnitt (20, 22) einer Brenn kammerwand umschließt den Brennkammerkopf;
g) der stromaufwärtige Abschnitt (22) der Brennkammer wand ist über Streben (28) mit dem äußeren Mantel (26) verbunden und trägt diesen;
h) das stromabwärtige Ende (30) des äußeren Mantels (26) steht in Gleitberührung mit einem zylindrischen Abschnitt (20) der Brennkammerwand.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den äußeren Mantel (36) über die Streben (28) tragende Abschnitt (22) der Brennkammerwand kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

3. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsstelle zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt (22) und dem stromab anschlies senden, allein vom kegelstumpfförmigen Abschnitt (22) getra gene zylindrische Abschnitt (20) der Brennkammerwand eine zu Reparaturzwecken auftrennbare Schweißnaht (24) aufweist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Abschnitt (30) des inneren Mantels (32) sich bis zu einer Stelle erstreckt, die benachbart zur inneren Oberfläche des zylindrischen Ab schnitts (20) der Brennkammerwand verläuft und daß die Abstands halter (40) sich in diesem Abschnitt nach dieser zylindrischen Oberfläche (20) der Brennkammerwand erstrecken.