DE60300423T2

DE60300423T2 - Kühlsystem für eine Nachbrennerdüse in einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE60300423T2
Application number: DE60300423T
Authority: DE
Inventors: Leopold J-M. De Verduzan; Maurice Floreani; Jacques A.M. Roche
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: FR2835288B1; US20030182929A1; RU2301904C2; ES2239300T3; EP1333172B1; EP1333172A1; DE60300423D1; FR2835288A1; US6792748B2

Description

GEBIET DER TECHNIK
Das technische Gebiet der vorliegenden Erfindung ist das des Wärmeschutzes von Nachverbrennungsrohren bzw. Nachbrennerdüsen, die bei Luftfahrzeug-Turbomaschinen wie z.B. Turboreaktoren eingesetzt werden.
STAND DER TECHNIK
Nachbrennerdüsen für Turbomaschinen sind bereits Gegenstand verschiedener Ausführungen im Stand der Technik gewesen (sh. beispielsweise GB 878195 ). Es sind herkömmliche Düsen bekannt, die am Ausgang der Nachverbrennungskammer angeordnet sind. Diese sind für gewöhnlich mit einem Wärmeschutzmantel versehen, welcher einen eine Strömung der heißen Gase ermöglichenden Gaskanal, in dem sich die Verbrennungsgase befinden, und einen eine Sekundärluftströmung ermöglichenden Luftkanal, der relativ kühle Luft enthält, begrenzt. Diese Wärmeschutzmäntel müssen natürlich derart ausgelegt sein, dass sie hohe Wärmebeanspruchungen aushalten, da sie sich in Nähe der Verbrennungsgase befinden, die eine sehr hohe Temperatur aufweisen.
Wie in 1 zu ersehen ist, die einen partiellen Transversalschnitt einer Düse gemäß dem Stand der Technik darstellt, weist diese einen Primärgaskanal 20 auf, der von einem Sekundärluftkanal 21 umgeben ist. Diese beiden Kanäle sind von einem mehrfach durchlöcherten Wärmeschutzmantel 22 begrenzt, welcher den Durchgang von zu seiner Kühlung dienender Luft vom Sekundärluftkanal 21 zum Primärgaskanal 20 ermöglicht.
Diese Düse umfasst auch ein dichtes Teil 23, das den Durchgang von in der Sekundärluftströmung 21 enthaltener Kühlluft in Richtung der Düsenklappen 24 verhindert. Diese Düsenklappen 24 sind direkt mit Steuerelementen 25 verbunden, von denen mindestens ein Teil sich um den Sekundärluftkanal 21 herum auf Höhe eines stromabwärtigen Endes 22a des Wärmeschutzmantels 22 befindet.
Nun ist beim Einsatz von Düsen nach dem Stand der Technik festgestellt worden, dass bei einem vollen Funktionsmodus mit trockenem Gas, d.h. wenn sich die Klappen 24 der Düse in geschlossener Position befinden, die Sekundärluftströmung einen starken Temperaturanstieg auf Höhe des stromabwärtigen Endes 22a des Wärmeschutzmantels 22 ausgesetzt ist.
Die heißen Gase, wie sie sich in der Gasströmung 20 befinden, dringen nämlich in den Sekundärluftstrom ein, ohne dass die sich in dieser Strömung befindenden relativ kühlen Gase eine ausreichend niedrige Temperatur bewahren, um keine lokale Überhitzung zu erzeugen, welche die Steuerelemente 25 der Klappen 24 beschädigen kann. Wiederum mit Bezug auf 1 symbolisieren die Pfeile die Bewegungen der heißen Gase, die in der stromabwärtigen Richtung zurückgehalten werden und in Richtung der Sekundärluftströmung 21 über den mehrfach durchlöcherten Schutzmantel 22 zirkulieren. Die Folgen dieser lokalen Überhitzung in der Sekundärluftströmung 21 bestehen darin, dass die Teile der Düse, insbesondere das Titangehäuse sowie die Steuerelemente der Klappen, die sich an dem stromabwärtigen Ende 22a des Wärmeschutzmantels 22 befinden, eine Lebensdauer aufweisen, die aufgrund des Temperaturanstiegs verändert wird.
Durch diese direkt mit einem starken Einschlagwinkel der Klappen 24 verbundene Überhitzung entstehen sich daraus ergebende Verformungen an den Teilen, die sich um die Sekundärluftströmung 21 herum befinden, sowie an den die Steuerelemente 25 der Klappen 24 bildenden Teilen.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, zumindest teilweise die verschiedenen oben genannten Nachteile zu beseitigen, indem ein Kühlsystem für eine Nachbrennerdüse einer Turbomaschine vorgeschlagen wird, welches die Überhitzungseffekte der Sekundärluftströmung begrenzt, insbesondere wenn sich die Turbomaschine in voller Trockengas-Funktionsweise befindet.
Um dies zu bewerkstelligen, ist Gegenstand der Erfindung ein Kühlsystem für eine Nachbrennerdüse bzw. ein Nachverbrennungsrohr, wobei die Düse einen Primär-Gaskanal, der eine Primär-Gasströmung gestattet und einen Sekundär-Luftkanal, der eine Sekundär-Luftströmung gestattet, umfasst, wobei der Sekundär-Luftkanal den Primär-Gaskanal umgibt und von diesem durch eine Wärmeschutzhülle getrennt ist, der Sekundär-Luftkanal ein stromabwärtiges Ende aufweist, ein Abschnitt des Ausgangs des Primär-Gaskanals von Klappen umgeben ist, und das Kühlsystem einen Wärmeschutzring in dem Sekundär-Luftkanal und dessen stromabwärtigem Ende aufweist. Gemäß der Erfindung trägt der Wärmeschutzring eine Ringmembran, die sich vor den Klappen erstreckt und mit Stützabschnitten sowie mit mit Schlitzen ausgestatteten Zwischenabschnittszonen versehen ist, wobei die Zwischenabschnittszonen Zwischenräume zwischen der Ringmembran und der Wärmeschutzhülle bzw. dem Wärmeschutzmantel festlegen.
Der Hauptvorteil dieser Erfindung besteht darin, die Überhitzungsprobleme der Sekundärluftströmung auf Höhe des stromabwärtigen Endes des Sekundärluftkanals zu beseitigen, womit die Verformungen der sich in diesem Bereich befindlichen Teile vermieden wird. Außer dieser nicht vorhandenen Verformung trägt das Kühlsystem gemäß der Erfindung durch Verwendung eines zusätzlichen Wärmeschutzes in dem Sekundärluftkanal auch dazu bei, die Verringerung der Lebensdauer der sich in diesem kritischen Bereich befindenden Elemente zu verzögern.
Außerdem umfasst die Erfindung vorteilhafterweise Mittel, welche eine Durchlüftung der Düsenklappen mittels der Sekundär-Luftströmung in Richtung auf diese Klappen hin gestattet. Früher wurde der Luftkanal mittels eines dichten Teils blockiert, das die Durchlüftung dieser Klappen gänzlich verhinderte. Das Ersetzen derselben durch diese Membran gestattet es also, den Durchgang von aus der Sekundärluftströmung kommender Luft in Richtung auf die Düsenklappen hin zu ermöglichen, und zwar unabhängig von der Temperatur der verschiedenen, die Düse bildenden Teilen. Die so geförderte Belüftung der Klappen ermöglicht es somit, deren Beschädigung aufgrund von zu hohen auszuhaltenden Temperaturen zu vermeiden, aber auch die Lebensdauer der Gesamtheit dieser Teile zu erhöhen.
Vorzugsweise ist die Membran an dem Wärmeschutzring befestigt und gestattet eine Verschiebung bzw. einen Versatz der Wärmeschutzhülle in bezug auf die Stützabschnitte.
Diese eingearbeiteten Stützabschnitte halten den Mantel bzw. die Hülle und gestatten eine präzise Zentrierung dieser Wärmeschutzhülle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeschutzring mit Befestigungshalterungen versehen, die sich an einem den Sekundär-Luftkanal außen begrenzenden Gehäuse abstützen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nicht einschränkenden, nachstehenden detaillierten Beschreibung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
die bereits beschriebene 1 eine Darstellung des Standes der Technik,
2 einen partiellen Transversalschnitt einer mit einem Kühlsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgestatteten Düse, und
3 eine perspektivische Teilansicht der Wärmeschutzhülle bzw. des Wärmeschutzmantels und der Membran des in 2 dargestellten Kühlsystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 2 ist ein Teil eines Nachverbrennungsrohrs bzw. einer Nachbrennerdüse 1 dargestellt, die mit einem Kühlsystem gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Die Düse weist einen Primär-Gaskanal 2 auf, der eine Strömung heißer Gase ermöglicht, wobei letztere zur Verwendung für die Nachverbrennung bestimmt sind. Um diesen Primär-Gaskanal 2 ist ein Sekundär-Luftkanal 3 zu erkennen, der von eine m Titangehäuse 13 begrenzt ist und eine Strömung von relativ kühler Luft ermöglicht. Es ist anzumerken, dass der Sekundär-Luftkanal 3 im wesentlichen Ringform aufweist.
Diese beiden Kanäle 2, 3 sind mittels einer Wärmeschutzhülle bzw. eines Wärmeschutzmantels 4 getrennt, der mehrfach durchlöchert ist und die Gase von einem Kanal zum anderen passieren lässt. Außerdem umfasst die Düse 1 Klappen bzw. Schieber 5 sowie Steuerelemente 6 dieser Klappen 5. Diese Klappen 5 sind derart angeordnet, dass sie einen Ausgangsabschnitt des Primär-Gaskanals 2 umgeben, während die Steuerelemente 6 der Klappen 5 zumindest teilweise um den Sekundär-Luftkanal 3 herum angeordnet sind. Das Kühlsystem für die Düse 1 umfasst einen Wärmeschutzring 7, der sich in dem Sekundär-Luftkanal 3 auf Höhe eines stromabwärtigen Endes 3a des letzteren befindet. Es ist nämlich auf Höhe dieses stromabwärtigen Endes 3a des Sekundär-Luftkanals 3, an dem das Erhitzungsproblem am gravierendsten ist und an dem es folglich notwendig ist, ein Schutzelement gegen die von den heißen Gasen stammende Hitze hinzuzufügen. Dieser Wärmeschutzring 7 hat hierbei im wesentlichen die Aufgabe, die Elemente der Düse, die sich auf Höhe dieses stromabwärtigen Endes 3a befinden, vor allem die Steuerelemente 6 der Klappen 5 sowie die den Sekundär-Luftkanal 3 bildenden Teile zu schützen.
Gemäß den 2 und 3 trägt dieser Wärmeschutzring 7 eine Ringmembran 8, mit der sie beispielsweise mittels Nieten verbunden ist. Diese Ringmembran 8 wird so ausgeführt, dass sie Stützabschnitte 11 in Kontakt mit der Wärmeschutzhülle 4 aufweist, wobei diese Stützabschnitte 11 regelmäßig beabstandet und von im wesentlichen konischer Form sind. Außerdem sind an der Membran 8 Zwischenabschnittszonen 9 angeordnet, von denen jede direkt zwischen zwei Stützabschnitten 11 gelegen ist und von der Membran 8 nach außen vorsteht, wobei letztere vorzugsweise durch Tiefziehen hergestellt ist.
Diese Membran 8 erstreckt sich vor den Klappen 5 und ist mit Schlitzen 15 versehen, die in die Zwischenabschnittszonen 9 zwischen den Stützabschnitten 11 eingebracht sind, sowie Öffnungen 10, die an jedem Stützabschnitt 11 vorhanden sind. Es ist anzumerken, dass die Schlitze 15 der Membran 8 Geschmeidigkeit verleihen und es ermöglichen, dass diese sich leicht den Verformungen der Hülle bzw. des Mantels 4 infolge von Wärmedehnungen anpasst.
Die Membran 8 ist fest an dem Wärmeschutzring 7 angebracht, während der Kontakt zwischen dieser Membran 8 und der Wärmeschutzhülle 4 durch die Stützabschnitte 11 hergestellt wird. Letztere stehen ins Innere der Membran 8 vor und befinden sich in Kontakt mit der Schutzhülle 4, wobei sie auf diese Weise eine präzise Zentrierung dieser Hülle durch Gleiten an diesen Stützabschnitten 11 sowie durch die Beibehaltung eines im wesentlichen konstanten Belüftungsdurchsatzes gewährleisten.
Natürlich können die an den Stützabschnitten 11 der Membran 8 befindlichen Öffnungen 10 in verschiedenen Formen ausgeführt sein.
Übrigens legen die zwischen zwei Stützabschnitten 11 befindlichen Zwischenabschnittszonen 9 einen Raum 16 zwischen der Ringmembran 8 und dem Wärmeschutzmantel 4 fest. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist jeder Raum 16 auch von zwei direkt aufeinanderfolgenden Stützabschnitten 11 begrenzt. Somit kann die aus dem Sekundärluftkanal 3 kommende Luft durch die Räume 16 strömen, um die Membran 8 zu durchqueren und zu den Klappen 5 zu gelangen, wobei auf diese Weise die Ventilation der letzteren gewährleistet wird.
Die Stützabschnitte 11 umfassen einen trapezoidförmigen Teil, der dazu vorgesehen ist, mit seiner kleinen Basis mit der Wärmeschutzhülle 4 in Kontakt zu stehen, sowie eine Öffnung 10 für die auf einer Seite in den Sekundärluftkanal 3 und auf der anderen Seite in Richtung auf die Klappen 5 ausströmenden Gase. Somit gestattet eine solche Anordnung der Räume 16 und der Öffnungen 10 an dieser Membran 8 einen relativ konstanten Belüftungsdurchsatz der Klappen 5 trotz der starken Verformungen der Hülle bzw. des Mantels 4 infolge von Wärmedehnungen. Als Beispiel können die Verschiebungen bzw. Versetzungen der Hülle 4 axial 14 mm und radial 4 mm betragen.
2 stellt die offenen Klappen 5 dar, was einen aktiven Nachverbrennungszustand darstellt. Es ist zu ersehen, dass die Sekundärluft hierbei an der gesamten Länge der Klappen 5 entlang strömt, ohne wesentlich abgelenkt zu werden, was deren Belüftung noch wirksamer als im Zustand von geschlossenen Klappen macht, die dem vollen Trockengasbetrieb entsprechen.
Wiederum gemäß den 2 und 3 ist der Wärmeschutzring 7 mit Befestigungshalterungen (nicht dargestellt) versehen, die sich am Umfang desselben befinden und an einem Gehäuse 13 abstützen. Diese Halterungen ermöglichen hierbei die Befestigung des Wärmeschutzrings 7 im Innern des Gehäuses 13.
Außerdem kann der Wärmeschutzring 7 mit einem zusätzlichen Schutz ausgestattet sein. Um den Wärmeschutzring 7 herum kann nämlich ein wärmeisolierendes Material 14 angeordnet sein bzw. werden, was die Wirkungen dieses Rings auf die zu schützenden Elemente noch mehr verstärkt.
Selbstverständlich können verschiedene Modifikationen vom Fachmann an dem soeben beschriebenen Kühlsystem vorgenommen werden, das lediglich als nicht-einschränkendes Beispiel dient.

Claims

Kühlsystem für ein Nachverbrennungsrohr (1), wobei das Rohr (1) einen Primär-Gaskanal (2), der eine Primär-Gasströmung gestattet, und einen Sekundär-Gaskanal (3), der eine Sekundär-Gasströmung gestattet, umfasst, wobei der Sekundär-Gaskanal (3) den Primär-Gaskanal (2) umgibt und von diesem durch eine Wärmeschutzhülle (4) getrennt ist, der Sekundär-Gaskanal (3) ein stromabwärtiges Ende (3a) aufweist, ein Abschnitt des Ausgangs des Primär-Gaskanals (2) von Klappen (5) umgeben ist, und das Kühlsystem einen Wärmeschutzring (7) in dem Sekundär-Luftkanal (3) an dessen stromabwärtigem Ende (3a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeschutzring (7) eine Ringmembran (8) trägt, die sich vor den Klappen (5) erstreckt und mit Stützabschnitten (11) sowie mit Schlitzen (15) versehenen Zwischenabschnittszonen (9) versehen ist, wobei die Zwischenabschnittszonen (9) Zwischenräume (16) zwischen der Ringmembran (8) und der Wärmeschutzhülle festlegen.
Kühlsystem für ein Nachverbrennungsrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (8) an dem Wärmeschutzring (7) befestigt ist und eine Verschiebung bzw. Versetzung der Wärmeschutzhülle (4) in bezug auf die Stützabschnitte (11) ermöglicht.
Kühlsystem für ein Nachverbrennungsrohr (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeschutzring (7) mit Befestigungshalterungen versehen ist, die sich an einem den Sekundär-Luftkanal (3) außen begrenzenden Gehäuse (13) abstützen.
Kühlsystem für ein Nachverbrennungsrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeisolierungsmaterial (14) um den Wärmeschutzring (7) herum angeordnet ist.