DE4116886C2 - Gelochtes Blech als Hitzeschild - Google Patents

Gelochtes Blech als Hitzeschild

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein gelochtes Blech als Hitze­ schild für thermisch hochbeanspruchte Teile von Gasturbinen­ triebwerken, wobei die Löcher derart ausgebildet und angeord­ net sind, daß die sie im Betrieb durchströmende Kühlluft einen Kühlluftfilm an der hitzebeanspruchten Oberfläche bildet.
Ein derartiges gelochtes Blech, welches die Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk bildet, ist aus der DE 39 24 473 A1 bekannt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bis 8 sind die Kühlluftlöcher gegenüber der Brennkammerwand bzw. der Achse der Brennkammer in Strömungsrichtung schräg ge­ stellt, und sie bestehen aus einem ersten, den Lufteintritt bildenden zylindrischen Teil und einem zweiten, sich konisch erweiternden Austrittsteil, was eine Diffusorwirkung zur Folge hat, so daß die Kühlluft eine geringere Geschwindig­ keit erhält, was die Bildung eines Kühlluftfilmes an der hitzebeanspruchten Oberfläche begünstigt. Insofern weisen die sich im Querschnitt in Strömungsrichtung erweiternden Kühlluftlöcher gegenüber zylindrischen Kühlluftlöchern einen Fortschritt im Hinblick auf die Verbesserung der Kühlwirkung auf, jedoch wird dieser Vorteil erkauft durch die Schwierig­ keit der Herstellung unterschiedlicher Querschnittsformen, wozu beispielsweise Laserbohrverfahren erforderlich sind.
Die DE 26 28 529 A zeigt ein laminiertes Metallblech für hitzebeanspruchte Bauteile von Gasturbinentriebwerken. Das Metallblech besteht aus zwei Schichten und wird von einer Vielzahl von Kühlluftkanälen durchsetzt. Es wird jedoch hier kein Kühlluftfilm auf der hitzebeanspruchten Oberfläche ge­ bildet, sondern es soll ein laminiertes, Poren enthaltendes Metallblech mit guter Festigkeit hergestellt werden, das optimal gekühlt wird. Der von diesem Metallblech gebildete Mantel der Brennkammer soll durch Konvektion gekühlt werden, und an der der Wärmequelle ausgesetzten Seite wird ein ab­ schirmender turbulenter Gasstrom gebildet. Zu diesem Zweck ist der zweischichtig ausgebildete Brennkammermantel mit Eintritts- und Austrittsöffnungen versehen, die an der Grenz­ fläche zwischen den beiden Schichten durch Nuten verbunden sind. Die Länge der von den Löchern und Nuten gebildeten Kanäle soll möglichst groß sein, um durch Konvektion einen Wärmeaustausch zwischen dem Blech und der Kühlmittelströmung zu erreichen. Jedem Eintrittsloch sind dabei zwei Austritts­ löcher zugeordnet. Der Querschnitt der Eintrittslöcher ist größer als der Querschnitt der Austrittslöcher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes gelochtes Blech als Hitzeschild für Gasturbinentrieb­ werke zu schaffen, welches die wirksame Filmkühlung verbes­ sert und dennoch relativ einfach durch Bohren herstellbar ist.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Die Eintrittslöcher und die Austrittslöcher können jeweils auf einfache Weise durchgehend gebohrt werden, bevor die beiden Schichten des Bleches mit guter thermischer Leitfä­ higkeit aneinandergefügt werden. Hierdurch ergeben sich an den Übergängen zwischen den im Querschnitt kleiner bemesse­ nen Eintrittslöchern und den im Querschnitt größer bemesse­ nen Austrittslöchern diffusorartige Übergänge, durch die eine Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck stattfindet, was die Kühlfilmbildung begünstigt, aber darüberhinaus noch den Vorteil hat, daß die zweite Schicht des Bleches einer Prall­ kühlung unterworfen wird, bevor die Kühlluft als Kühlfilm über die hitzebeanspruchte innere Oberfläche abfließt.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines perforierten Bleches, das einen Teil einer Brennkammerwand bildet und gemäß der Erfindung ausgeführt ist;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines per­ forierten Bleches, das einen Teil einer Brennkammerwand bildet und gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines per­ forierten Bleches, welches einen Teil einer Brennkammerwand bildet und gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist.
In Fig. 1 ist ein perforiertes Blech 10 dargestellt, welches einen Teil einer Brennkammerwand bildet und mehrere Löcher aufweist, die durch das Blech hindurchverlaufen. Die Löcher 12 lassen eine Kühlluftströmung von einer äußeren Oberfläche 13 nach einer inneren Oberfläche 15 des perforierten Bleches 10 gelangen. Die Kühlluftströmung tritt aus den Löchern 12 aus, um einen Kühlluftfilm auf der inneren hitzebeanspruch­ ten Oberfläche 15 des perforierten Bleches 10 zu bilden. Die Löcher 12 sind in einem vorbestimmten Muster angeordnet, wel­ ches gewährleistet, daß ein gleichförmiger Kühlluftfilm über der inneren Oberfläche 15 ausgebreitet wird, der als Barriere wirkt, um zu verhindern, daß heiße Verbrennungsgase die innere Oberfläche 15 treffen.
Das perforierte Blech 10 besteht aus zwei Schichten 14 und 16 aus einem Laminatmaterial, und die Schichten sind vollflächig aneinanderstoßend übereinandergefügt. Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen haben die beiden Schichten 14 und 16 aus Laminatmaterial eine gleiche Dicke, jedoch ist es klar, daß die Dicke jeder Schicht gemäß der speziellen Anwendung des Bleches 10 geändert werden kann. Jede der Schichten 14 und 16 besitzt mehrere Löcher 12a und 12b. Die Löcher 12a und 12b in den Schichten 14 bzw. 16 sind relativ zueinander so angeordnet, daß sie in Strömungsver­ bindung miteinander stehen, wenn die beiden Schichten 14 und 16 aneinanderstoßend übereinandergefügt werden. Die beiden Schichten aus Laminatmaterial 14 und 16 werden dann miteinander verbunden, um zu gewährleisten, daß eine gute thermische Verbindung zwischen ihnen besteht. Die Löcher 12a und 12b stehen miteinander in Verbindung, um durch das ge­ lochte Blech 10 durchgehende Kanäle zu schaffen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat die erste Schicht 14 aus Laminatmaterial mehrere Löcher 12a, die normal zur Oberfläche 13 durch das Blech hindurchverlaufen. Die zweite Schicht 16 besitzt ebenfalls mehrere Löcher 12b, die durch die Schicht hindurchgehen und die eine größere Querschnitts­ fläche als die mit ihnen in Verbindung stehenden Löcher 12a in der ersten Schicht 14 haben. Die Löcher 12b in der zweiten Schicht 16 sind gegenüber der Oberfläche 15 so im Winkel angestellt, daß sie die hindurchströmende Luft in Richtung stromab zur Strömung der Verbrennungsprodukte über die Ober­ fläche 15 richten. Diese Ausrichtung der austretenden Luft stromab gewährleistet einen Kühlluftfilm, der an der inneren Oberfläche 15 des gelochten Bleches 10 anhaftet. Es ist klar, daß der Anstellwinkel der Löcher 12b geändert werden kann, um den Winkel einzustellen, unter dem die Luft austritt, da­ mit die Wirksamkeit des Kühlfilms bei einer bestimmten An­ wendung optimiert werden kann.
Im Betrieb strömt die Luft in Richtung des Pfeiles A längs der äußeren Oberfläche 13 des gelochten Bleches 10. Ein Teil der Luft strömt durch die Löcher 12a nach den größeren Löchern 12b, wo eine Diffusion stattfindet. Diese Diffusion der Luft be­ wirkt eine Verringerung der Luftgeschwindigkeit. Durch die Ver­ minderung der Geschwindigkeit wird bewirkt, daß die aus den Löchern 12b austretende Luft zuverlässig an der inneren Ober­ fläche 15 anhaftet, so daß ein wirksamer Kühlluftfilm auf der inneren Oberfläche 15 ausgebildet wird. Hierdurch wird auch die Dicke des Luftfilms, der aus den Löchern 12b austritt, vergrößert, so daß eine verringerte Luftmenge ausreicht, die innere Oberfläche 15 zu kühlen.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht darin, daß die durch die Löcher 12a nach den größeren Löchern 12b strömende Luft auf der Innenwand 12c der Löcher 12b auf­ trifft. Dies führt zu einer Prallkühlung der Wand 12c, wo­ durch weiter die Kühlwirksamkeit der durch das gelochte Blech 10 strömenden Luft verbessert wird.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Löcher 12a in der ersten Laminatschicht 14 im Win­ kel gegenüber der Oberfläche 13 angestellt sind. Der Einlaß der Löcher 12a auf der Oberfläche 13 weist in Richtung strom­ auf, so daß ein größerer Anteil von Luft hindurchströmen kann. Es ist klar, daß der Anstellwinkel der Löcher 12a geändert werden kann, um die Massenströmung der Luft durch diese Lö­ cher auf eine spezielle Anwendung einzustellen.
Der Vorteil dieser Konstruktion des gelochten Bleches 10 be­ steht darin, daß die Löcher 12a und 12b in jeder Schicht 14 bzw. 16 unabhängig voneinander erzeugt werden können, um einen durchgehenden Kanal zu erzeugen. Auf diese Weise kön­ nen die Löcher 12a und 12b in jeder Schicht 14 und 16 auf ein­ fache Weise spanabhebend bearbeitet und auf die gewünschte Größe, Gestalt und mit dem optimalen Anstellwinkel erzeugt werden, um die Kühlfilmwirksamkeit zu optimieren und eine Luftströmungssteuerung für jede spezielle Anwendung zu schaf­ fen.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen stehen einzelne Löcher in jeder Schicht miteinander in Verbindung. Es ist jedoch klar, daß auch jedes der Löcher 12a in der ersten Laminatschicht 14 mit einem entsprechenden Loch 12b in der zweiten Laminatschicht 16 in Verbindung stehen kann, das in eine Mehrzahl von Löchern aufgeteilt ist.

Claims (8)

1. Gelochtes Blech (10) als Hitzeschild für thermisch hochbeanspruchte Teile von Gasturbinentriebwerken, wobei die Löcher derart ausgebildet und angeordnet sind, daß die sie im Betrieb durchströmende Kühlluft einen Kühlluftfilm an der hitzebeanspruchten Oberfläche (15) bildet, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • 1. das Blech besteht aus zwei vollflächenmäßig miteinander verbundenen Schichten (14, 16) aus Laminatmaterial;
  • 2. die den Lufteintritt bildenden Löcher (12a) sind in der ersten Schicht (14) in einem vorbestimmten Muster angeordnet und durch­ dringen diese Schicht (14) mit senkrecht oder geneigter gerader Achse;
  • 3. die den Luftaustritt bildenden Löcher (12b) sind in der zweiten Schicht (16) in einem entsprechenden Muster dazu angeordnet und durchdringen diese Schicht (16) mit schräger gerader Achse;
  • 4. an der Grenzfläche der beiden Schichten (14, 16) gehen die Löcher (12a, 12b) unmittelbar ineinander über;
  • 5. die Austrittslöcher (12b) der zweiten Schicht (16) haben eine größere Querschnittsfläche als die Eintrittslöcher (12a) der ersten Schicht, wodurch ab der Grenzfläche für die Kühlluft eine Diffusorwirkung vorliegt.
2. Gelochtes Blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (12a, 12b) in der ersten Schicht (14) und der zweiten Schicht (16) des Laminat­ materials parallel zur Achse verlaufende Seitenwände aufweisen.
3. Gelochtes Blech nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schicht (14, 16) unterschiedlich dick sind.
4. Gelochtes Blech nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (16) dicker ist als die erste Schicht (14).
5. Gelochtes Blech nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (12a) in der ersten äußeren Schicht (14) senkrecht zur Laminatebene verlaufen und die Löcher (12b) der zweiten Schicht in Strömungsrichtung im Winkel angestellt sind (Fig. 2).
6. Gelochtes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (12a) in der ersten Schicht (14) und die Löcher (12b) in der zweiten Schicht (16) des Laminatmaterials im gleichen Winkel in Strömungs­ richtung angestellt sind (Fig. 3).
7. Gelochtes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (12a, 12b) in den beiden Schichten (14, 16) vor der Laminatbildung spanend bearbeitet sind.
8. Gelochtes Blech nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es die Brennkammerwand eines Gas­ turbinentriebwerks bildet.
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