DE3924473A1 - Brennkammer fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Brennkammer fuer ein gasturbinentriebwerk

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkammern für Gasturbinen­ triebwerke und insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Kühlung der Wände der Brennkammer.
Ein herkömmliches Verfahren zur Kühlung der Wände von Brenn­ kammern in Gasturbinentriebwerken besteht darin, Kühlringe zu benutzen, die zwischen den axial im Abstand befindlichen Wand­ abschnitten angeordnet und an diesen befestigt sind. Diese Kühlringe sind mit einer Vielzahl relativ großer Öffnungen versehen, die in einer Reihe angeordnet sind oder es sind mehrere Reihen mit relativ kleinen Öffnungen vorgesehen. Diese Öffnungen richten eine Kühlluftströmung auf die innere Ober­ fläche der Wandung, um einen Kühlmittelstrom zu erzeugen, der die Wand gegenüber den hohen Temperaturen schützt, welche in der Brennkammer erzeugt werden. Derartige Kühlringe vergeuden jedoch relativ viel von diesem Kühlmittel.
Ein weiteres Problem, welches mit derartigen Kühlringen verknüpft ist, besteht darin daß die thermischen Gradienten, die über dem Kühlring erzeugt werden, zu Rissen im Kühlring führen und die große Zahl der Kühlöffnungen ein leichtes Fortschreiten der Risse ermöglicht, was schließlich zum Bruch des gesamten Kühlringes führen kann.
Ein weiteres herkömmliches Verfahren zur Abkühlung der Wand von Brennkammern in Gasturbinentriebwerken benutzt Wände, die aus zwei oder mehreren Schichten zusammengefügt sind, welche miteinander verbunden sind, um dazwischen Innenkanäle zu schaffen und um eine Transpirationskühlung der Wand durch ein Kühlmittel zu bewirken. Das Kühlmittel wird dann durch die Öffnungen der Wand ausgeblasen, um einen Kühlfilm auf der inneren Oberfläche der Wand zu erzeugen. Derartige Anordnungen sind wirksamer als die Kühlringe und sie benötigen etwa ein Drittel des Kühlmittels, aber die innere Oberfläche der Wand wird relativ heiß wegen der unwirksamen Filmkühlung infolge der Öffnungen, die normal zur inneren Oberfläche verlaufen und in einem relativ großen Abstand zueinander liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, welche eine verbesserte Filmkühlung der Wände der Brennkammer aufweist.
Gemäß der Erfindung wird eine Brennkammer für ein Gasturbinen­ triebwerk geschaffen, die wenigstens eine Wand besitzt, welche wenigstens teilweise die Brennkammer definiert, wobei die Wand eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist und zusätzlich wenigstens eine Reihe von Öffnungen sich hindurch­ erstreckt, um Kühlmittel auf die innere Oberfläche der Wand zu richten und einen Kühlmittelfilm auf jener Oberfläche zu erzeu­ gen wobei die Achsen der Öffnungen einen Winkel zwischen 20° und 40° gegenüber der inneren Oberfläche der Wand aufweisen und jede Öffnung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt besitzt, wobei der erste Abschnitt Kühlmittel von einem über die äußere Oberfläche der Wand strömenden Kühlmittel enthält und das Kühlmittel auf den zweiten Abschnitt richtet, während der zweite Abschnitt divergent und so angeordnet ist, daß das Kühlmittel über die innere Oberfläche der Wand gerichtet wird und einen Kühlmittelfilm bildet.
Die Achsen der Öffnungen können zweckmäßigerweise in einem Winkel zwischen 25° und 30° gegenüber der inneren Oberfläche der Wand angeordnet werden.
Die divergenten Abschnitte der Öffnungen können mit einem Winkel von etwa 12,5° gegenüber den Achsen der Öffnungen divergieren.
Der erste Abschnitt der Öffnungen kann zylindrisch sein.
Die Achsen der benachbarten Öffnungen in jeder Reihe können in einem Abstand zueinander liegen, der wenigstens dreimal so groß ist wie der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts der Öffnungen.
Die Wand kann wenigstens zwei Reihen von Öffnungen besitzen, und die Öffnungen in jeder Reihe sind gegenüber den Öffnungen in der oder den benachbarten Reihen gestaffelt.
Die benachbarten Reihen der Öffnungen können in einem Abstand zueinander liegen, der wenigstens zweimal so groß ist wie der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts der Öffnungen.
Der zylindrische Abschnitt der Öffnungen kann einen Durchmesser von im wesentlichen 0,762 mm aufweisen.
Die Wand selbst kann eine stromaufwärtige Wand der Brennkammer sein.
Die Wand kann eine rohrförmige Wand einer Rohrbrennkammer sein oder sie kann eine innere Ringwand einer Ringbrennkammer sein, oder sie kann eine äußere Ringwand einer solchen Ringbrennkammer sein.
Ein stromaufwärtiger Abschnitt der Wand kann Öffnungen in axial beabstandeten Gruppen aufweisen, wobei jede Gruppe drei Reihen von Öffnungen besitzt.
Ein stromabwärtiger Abschnitt der Wand kann die Öffnungen in axial beabstandeten Gruppen aufweisen, wobei jede Gruppe zwei Reihen von Öffnungen besitzt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinen­ triebwerks mit einer Brennkammer gemäß der Erfindung;
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Längsschnitt der Brennkammer gemäß Fig. 1.
Fig. 3 in größerem Maßstab einen Längsschnitt einer äußeren Ringwand der Brennkammer gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 3;
Fig. 5 in größerem Maßstab einen Längsschnitt eines Teils der äußeren Ringwand gemäß Fig. 3;
Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B gemäß Fig. 5;
Fig. 7 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles C gemäß Fig. 5;
Fig. 8 eine Schnittansicht geschnitten nach der Linie D-D gemäß Fig. 5;
Fig. 9 in größerem Maßstab eine Schnittansicht durch die stromoberseitige Wand gemäß Fig. 2 in einer Ebene senkrecht zur Blechebene;
Fig. 10 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles E gemäß Fig. 9.
Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk (1) ist in Fig. 1 dargestellt und dieses Triebwerk weist in Axialströmungsrichtung hinter­ einander einen Einlaß (12), einen Fanabschnitt (14), einen Kompressorabschnitt (16), einen Verbrennungsabschnitt (18), einen Turbinenabschnitt (20) und eine Abgasdüse (22) auf. Das Turbofan-Gasturbinentriebwerk (10) arbeitet in herkömmlicher Weise derart, daß Luft in den Einlaß (12) strömt, die einer anfänglichen Verdichtung durch den Fanabschnitt (14) unterworfen wird. Diese Luft wird in zwei Ströme aufgeteilt. Der erste Luft­ strom fließt durch den nicht dargestellten Fankanal nach der nicht dargestellten Fandüse. Der zweite Luftstrom wird dem Kompressorteil (16) zugeführt, wo die Luft weiter komprimiert wird, bevor sie in den Verbrennungsteil (18) abgegeben wird. In der dem Verbrennungsabschnitt (18) zugeführten Luft wird Brenn­ stoff verbrannt, um heiße Gase zu erzeugen, die durch den Turbinenabschnitt (20) strömen und diesen antreiben, bevor sie durch die Abgasdüse (22) nach der Atmosphäre austreten. Der Turbinenteil (20) treibt den Fanabschnitt (14) und den Kompres­ sorabschnitt (16) über nicht dargestellte Wellen an.
Der Verbrennungsabschnitt (18) ist deutlicher aus den Fig. 2 bis 10 erkennbar. Der Verbrennungsabschnitt umfaßt ein äußeres Gehäuse und eine ringförmige Brennkammer (26), die vom Gehäuse (24) umschlossen ist. Die ringförmige Brennkammer (26) wird durch eine stromaufwärtige Ringwand (28), eine äußere Ringwand (30) und eine innere Ringwand (32) definiert. Ein ringförmiger Außenkanal (25) für die Kühlluftströmung wird zwischen dem Gehäuse (24) und der äußeren Ringwand (30) gebildet und ein innerer Kanal (27) für die Kühlmittelströmung ist innerhalb der ringförmigen Innenwand (32) angeordnet.
Die ringförmige stromaufwärtige Wand (28) ist mit mehreren, im gleichen Umfangswinkelabstand angeordneten Öffnungen (36) versehen und ein Brennstoffinjektor (34) liegt koaxial zu jeder Öffnung (36). Die ringförmige stromaufwärtige Wand (28) umfaßt einen stromaufwärtigen Wandteil (37) und einen stromabwärtigen Wandteil (38) mit einer dazwischen ausgebildeten Kammer (39). Der stromaufwärtige Wandteil (37) besitzt mehrere, nicht darge­ stellte Öffnungen, um der Kammer (39) Luft zuzuführen. Der stromabwärtige Wandteil (38), der in Fig. 9 und 10 dargestellt ist, wird von mehreren bogenförmigen Segmenten (54) gebildet, von denen jedes eine zentrale Öffnung (40) im wesentlichen in der Mitte aufweist, um einen Brennstoffinjektor (34) aufzunehmen.
Jedes Segment (54) ist mit dem stromaufwärtigen Wandteil (37) über mehrere Bolzen (64) und nicht dargestellte Muttern ver­ bunden.
Die Segmente (54) des stromabwärtigen Wandteiles (38) besitzen eine innere Oberfläche (56) und eine äußere Oberfläche (58) und die Segmente (54) sind mit mehreren Reihen von Öffnungen (60) versehen, die sich dadurch erstrecken und Kühlluft aus der Kammer (39) auf die innere Oberfläche (56) der Segmente (64) richten, um einen Kühlluftfilm zu erzeugen. Die Reihen von Öffnungen (60) erstrecken sich radial gegenüber der Achse der ringförmigen Brennkammer (26). Die Öffnungen (60) sind so angeordnet, daß ihre Achsen einen Winkel zwischen 20° und 40° gegenüber der inneren Oberfläche (56) der Segmente (54) bilden. Die Öffnungen (60) besitzen erste Abschnitte, welche zylindrisch sind und außerdem zweite Abschnitte, die divergierend verlaufen. Die zylindrischen Abschnitte lassen Kühlluft von der Kammer (39) nach den divergierenden Abschnitten einfließen und die diver­ gierenden Abschnitte richten die Kühlluft über die innere Oberfläche (56) der Segmente (54), um einen Kühlluftfilm zu erzeugen. Die divergierenden Abschnitte der Öffnungen diver­ gieren unter einem Winkel, gemäß dem Ausführungsbeispiel unter einem Winkel von 12,5°, gegenüber der Achse der Löcher. Die Achsen benachbarter Öffnungen (60) in jeder Reihe sind in einem Abstand angeordnet, der dreimal so groß ist wie der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts der Öffnungen.
Die Lochreihen (60) sind in Gruppen zu je 3 Reihen angeordnet und jede Lochreihengruppe ist im Winkelabstand gegenüber der nächsten Gruppe versetzt. Die Öffnungen in jeder Reihe sind gegenüber den Öffnungen in der benachbarten Reihe oder den benachbarten Reihen jener Gruppe gestaffelt angeordnet.
Die benachbarten Öffnungsreihen in jeder Gruppe sind in einem Abstand zueinander angeordnet, der wenigstens zweimal so groß ist wie der Durchmesser des zylindrischen Teils der Öffnungen.
Es gibt zwei Gruppen von drei Lochreihen (60) auf einer Umfangs­ hälfte des Segmentes (54) und weitere zwei Gruppen von drei Lochreihen (60) auf der anderen Umfangshälfte des Segments (54). Diese Gruppen von Öffnungen (60) sind so angeordnet, daß sie Kühlluft in Umfangsrichtung nach der Mittelöffnung (40) richten.
Die Außenwand (30) besitzt wie in Fig. 3 bis 8 dargestellt, eine innere Oberfläche (44) und eine äußere Oberfläche (46) und sie weist mehrere Reihen von Löchern (48) auf. Die Löcher (48) erstrecken sich über die Außenwand (30), um Kühlluft aus dem äußeren Ringkanal (25) auf die innere Oberfläche (44) der äußeren Ringwand (30) zu richten und um einen Kühlluftfilm zu erzeugen. Die Reihen von Löchern (48) erstrecken sich in Umfangsrichtung gegenüber der Achse der ringförmigen Brennkammer (26). Die Öffnungen (48) sind so angeordnet, daß ihre Achsen einen Winkel zwischen 20° und 40° gegenüber der inneren Ober­ fläche der äußeren Ringwand (30) bilden. Die Löcher (48) besitzen erste Abschnitte (50), die zylindrisch ausgebildet sind und zweite Abschnitte (52), die divergierend verlaufen. Die zylindrischen Abschnitte (50) liefern Kühlluft, die über die äußere Oberfläche (46) der äußeren Ringwand (30) im äußeren Ringkanal (25) abfließt, nach den divergierenden Ab­ schnitten (52) und die divergierenden Abschnitte (52) richten die Kühlluft stromab über die innere Oberfläche (44) der äußeren Ringwand (30), um einen Kühlluftfilm zu bilden. Die divergierenden Abschnitte (52) der Löcher (48) divergieren unter einem Winkel α = 12,5° gegenüber den Achsen der Löcher (48). Die Achsen benachbarter Löcher in jeder Reihe sind in einem Abstand S zueinander angeordnet, wobei dieser Abstand S dreimal so groß ist wie der Durchmesser d des zylindrischen Abschnitts (50) der Löcher (48). Die divergierenden Abschnitte (52) der Löcher (48) divergieren in Umfangsrichtung um eine fächerförmig gestaltete Öffnung zu bilden.
Die Lochreihen (48) sind in Gruppen von drei Reihen über einen stromaufwärtigen Abschnitt (31) der äußeren Ringwand (30) an­ geordnet, und sie sind in Gruppen von zwei Reihen über einen stromabwärtigen Abschnitt (33) der äußeren Ringwand (30) angeordnet. Jede Gruppe von drei Lochreihen im stromaufwärtigen Abschnitt (31) oder jede Gruppe von zwei Lochreihen im stromab­ wärtigen Abschnitt (33) ist axial von der nächsten Gruppe beabstandet. Die Löcher (48) in jeder Reihe sind gegenüber den Löchern (48) in der benachbarten Reihe oder in den benachbarten Reihen jener Gruppe gestaffelt angeordnet.
Die benachbarten Lochreihen (48) in jeder Gruppe sind in einem Abstand zueinander angeordnet, der wenigstens doppelt so groß ist wie der Durchmesser d des zylindrischen Teils (50) der Öffnungen (48).
Vorzugsweise sind die Löcher (48) so angeordnet, daß ihre Achsen einen Winkel zwischen 25° und 35° gegenüber der inneren Ober­ fläche (44) der äußeren Ringwand (30) bilden.
Die zylindrischen Abschnitte (50) der Löcher (48) haben bei diesem Ausführungsbeispiel einen Druchmesser d von 0,762 mm, und die Löcher werden durch Laserbohrung oder andere geeignete Verfahren hergestellt.
Der Abstand S oder die Teilung zwischen den Löchern stellt eine äußerst wichtige Dimension dar, und diese ist auf den Divergenz­ winkel der Löcher bezogen. Der Abstand S zwischen den Löchern steigt mit dem Divergenzwinkel der Löcher an. In diesem Beispiel beträgt der Divergenzwinkel α der Löcher 12,5°. Der Abstand S ist dreimal so groß wie der Durchmesser d. Bei Löchern, deren Winkel größer als 12,5° ist, wird der Abstand S größer als dreimal dem Durchmesser d.
Die Löcher sind gegenüber der inneren Oberfläche der stromauf­ wärtigen Wand oder der ringförmigen Außenwand so geneigt, daß die Kühlluft, die durch die Öffnungen strömt, einen Kühlluft­ film auf der inneren Oberfläche der stromaufwärtigen Wand oder der ringförmigen Außenwand bildet. Löcher, die unter einem Winkel von 90° gegenüber der inneren Oberfläche der Wände an­ geordnet sind, bilden keine Kühlluftfilme, weil die Kühlluft nicht über die innere Oberfläche der Wand abfließt.
Die Löcher sind divergierend gestaltet, um die Wirksamkeit des Kühlluftfilms dadurch zu verbessern, daß die Luftgeschwindigkeit verringert wird, wodurch die Kühlluft ausgebreitet wird und sich mit der Kühlluft benachbarter Löcher jeder Reihe vermischt und durch die Divergenz wird auch gewährleistet, daß der Kühl­ film auf der inneren Oberfläche der Wände verbleibt.
Bei einer einzigen Lochreihe wird zwar die Wirksamkeit der Kühlung verbessert, aber es werden bis zu einem gewissen Grade heiße Gase zwischen den Kühlluftfilm und die innere Oberfläche der Wände eingeführt, die durch den Verbrennungsprozeß erzeugt wurden.
Die Benutzung mehrerer dicht benachbarter Lochreihen, die gruppenweise angeordnet sind, ist besonders zweckmäßig, weil der Kühlluftfilm, der über die innere Oberfläche der Wand durch die erste Lochreihe abgegeben wird, als Grenzschicht wirkt, die das Eindringen heißer Gase zwischen den durch die zweite Loch­ reihe erzeugten Kühlfilm und die innere Oberfläche der Wand verhindert, wobei in gleicher Weise die Kühlluftfilme, die über die innere Oberfläche der Wand durch die zweite Lochreihe ab­ strömt, als weitere Barriere wirkt, die das Eindringen von heißen Gasen zwischen den Kühlluftfilm, der durch die dritte Lochreihe erzeugt wird, und die innere Oberfläche der Wand ver­ hindert. Die Benutzung von mehreren dicht benachbarten Lochrei­ hen erzeugt einen dickeren Kühlluftfilm, der verhindert, daß heiße Gase die innere Oberfläche der Wände berühren.
Die Verwendung von Wänden mit Kühlöffnungen wie beschrieben, ist wirksamer als der bekannte Kühlluftring, weil eine geringere Kühlluftmenge zur Kühlung der gleichen Fläche benötigt wird und die Erfindung benötigt etwa zwei Drittel der Kühlluftmenge, die bei bekannten Kühlluftringen benötigt wurden.
Die ringförmige Innenwand kann auch mit Lochreihen versehen sein, die in gleicher Weise wie die Lochreihen in der ringförmi­ gen Außenwand angeordnet sind.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer ring­ förmigen Brennkammer beschrieben. Sie kann aber auch in Verbin­ dung mit rohrförmigen Brennkammern oder anderen Brennkammern benutzt werden.
Die Kühllochreihen sind einfach herzustellen und sie können an jeder axialen und/oder Umfangsstellung angebracht werden, um in Verbindung mit örtlichen heißen Stellen eine Anpassung vorzunehmen, d.h. die örtlichen Anordnungen von Kühllochreihen können so angebracht werden, daß eine Filmkühlung in jenen Bereichen der Brennkammer erfolgt, die normalerweise über­ hitzt werden.
Die divergierenden Abschnitte der benachbarten Löcher in jeder Reihe sind so angeordnet, daß die divergierenden Abschnitte nicht ineinander übergehen, d.h. es besteht ein Raum, der die divergierenden Abschnitte benachbarter Löcher in jeder Reihe trennt.

Claims (14)

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit wenigstens einer Wand, die wenigstens teilweise die Brennkammer begrenzt und eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche und wenigstens eine Lochreihe in der Wand besitzt, um Kühlluft auf die innere Oberfläche der Wand zu leiten und einen Kühlfilm auf der inneren Oberfläche der Wand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Löcher einen Winkel zwischen 20° und 40° gegenüber der inneren Oberfläche (44) der Wand (30) bilden und jedes Loch (48) einen ersten Abschnitt (50) und einen zweiten Abschnitt (52) aufweist, wobei der erste Abschnitt (50) eines jeden Loches (48) die Kühlluft aus der über die äußere Oberfläche (46) der Wand (30) abfließende Kühlluft empfängt und diese einem zweiten Abschnitt (52) zu­ führt, der divergierend ausgebildet und so angeordnet ist, daß ein Kühlmittel über die innere Oberfläche (44) der Wand (30) gerichtet wird, um den Kühlmittelfilm zu bilden.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Löcher (48) unter einem Winkel zwischen 25° und 35° gegenüber der inneren Ober­ fläche (44) der Wand (30) angestellt sind.
3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Abschnitte (52) der Löcher (48) unter einem Winkel von etwa 12,5° gegenüber der Achse der Löcher (48) divergierend ausgebildet sind.
4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Abschnitte (50) der Löcher (48) zylindrisch ausgebildet sind.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen benachbarter Löcher (48) in jeder Reihe in einem Abstand zueinander liegen, der wenig­ stens so groß ist wie der dreifache Durchmesser des zylindri­ schen Abschnitts (50) der Löcher (48).
6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (30) wenigstens zwei Lochreihen (48) aufweist und die Löcher (48) in jeder Reihe gegenüber den Löchern (48) in der benachbarten Reihe oder den Reihen gestaffelt sind.
7. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (30) wenigstens zwei Lochreihen (48) aufweist und die Löcher (48) in jeder Reihe gestaffelt zu den Löchern (48) der benachbarten Reihe sind und benachbarte Lochreihen einen Abstand zueinander aufweisen, der wenigstens zweimal so groß ist wie der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts (50) der Löcher (48).
8. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (50) der Löcher (48) einen Durchmesser von etwa 0,762 mm besitzt.
9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand die stromaufwärtige Wand (38) einer Brennkammer (26) ist.
10. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand eine rohrförmige Wand einer rohrförmigen Brennkammer ist.
11. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand eine innere Ringwand (32) einer ringförmigen Brennkammer (26) ist.
12. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand eine äußere Ringwand (30) einer ringförmigen Brennkammer (26) ist.
13. Brennkammer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (30) einen stromaufwärtigen Abschnitt (31) besitzt, der Löcher (48) in axial beabstandeten Gruppen aufweist, wobei jede Gruppe drei Lochreihen (48) um­ faßt.
14. Brennkammer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (30) einen stromabwärtigen Abschnitt (33) aufweist, der Löcher (48) in axial beabstandeten Gruppen aufweist, wobei jede Gruppe zwei Lochreihen umfaßt.
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