DE69602804T2

DE69602804T2 - Brennkammer mit einer Vielzahl von Filmkühlungsbohrungen die in verschiedene axiale und tangentiale Richtungen geneigt sind

Info

Publication number: DE69602804T2
Application number: DE69602804T
Authority: DE
Inventors: Denis Roger Henri Ansart; Patrick Samuel Andre Ciccia; Michel Andre Albert Desaulty
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: DE69602804D1; FR2733582B1; EP0743490A1; JPH08312960A; FR2733582A1; US5775108A; EP0743490B1; JP3302559B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Turbomaschinen, die durch mindestens eine axiale Wand begrenzt wird, die mit mehreren durchgehenden Bohrungen versehen ist, die eine "Multiperforation" darstellen, die insbesondere für den Durchgang eines Kühlungsfluids für diese axiale Wand bestimmt ist, sowie mit mehreren Verdünnungslöchern versehen ist, die in einer Ebene, die quer zur allgemeinen Strömungsrichtung der von der Verbrennung kommenden verbrannten Gase liegt, gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Geometrieachse jeder Bohrung um einen Winkel A gegenüber der Normalen der genannten Wand geneigt ist, wobei die genannte Geometrieachse in einer Ebene angeordnet ist, in der die genannte Normale liegt und die einen Winkel B zu der Ebene bildet, die durch die genannte Normale und die allgemeine Strömungsrichtung der verbrannten Gase definiert wird.
Die Art der Kühlung durch Multiperforation ist bekannt. Die Bohrungen werden im allgemeinen in einem gleichmäßigen Maschennetz im Zickzack angeordnet.
Diesen Bohrungen wird Kühlungsluft vom Kompressor zugeführt. Der dabei stattfindende Wärmeaustausch besteht also in der zwangsläufigen Wärmekonvektion im Inneren der Bohrungen, in der Wärmemitführung in der Wand selbst. Durch die Zuführung von Kühlungsluft zu diesen Bohrungen entsteht hinter dem Strom an der Innenseite der Wand eine Schutzschicht zwischen der Kammerwand und den von der Verbrennung kommenden verbrannten Gasen. Um die Verschlechterung der Wirksamkeit dieser Schicht zu begrenzen, wird dafür gesorgt, daß die Kühlungsluft sich nicht zu früh mit den verbrannten Gasen mischt. Dazu sind die Bohrungen um einen Winkel A gegenüber der Normalen der Innenwand geneigt, so daß die Kühlungsluft über diese zu kühlende Wand streicht.
In EP-A-0 486 133 ist eine Wand dieses Typs beschrieben, bei der die Bohrungen in axial liegenden Ebenen geneigt sind.
In EP-A-0 492 864 wird ferner beschrieben, daß die Bohrungen auch um einen tangentialen Winkel B geneigt sind, der sich insgesamt mit dem Winkel des Wirbels der Verbrennungsgase entlang der Innenfläche der Wand deckt.
In EP-A-0-592 161 ist in Fig. 6 eine ringförmige, multiperforierte Wand einer Brennkammer dargestellt, bei der die Bohrungen durch eine axiale Neigung A und einen tangentialen Winkel B dergestalt bestimmt sind, daß der in die Kammer eingeführte Frischluftstrom einen schützenden Luftkranz erzeugt, der einen Wirbel um den Strom der verbrannten Gase bildet.
In allen obengenannten Schriften sind die Neigungen A und die Winkel B, die die Richtung der Achsen jeder Bohrung zur allgemeinen Strömungsrichtung der verbrannten Gase definieren, gleich bestimmten Werten.
Nun zeigen die 3D-Berechnungen, daß der Strom der Gase in der Brennkammer nicht immer in Längsrichtung gerichtet ist, sondern daß er in bestimmten Bereichen leicht geneigt ist, ja sogar gegen den Strom gerichtet ist, insbesondere hinter den Verdünnungslöchern. Es kann in diesen Bereichen zum Ablösen der Kühlungsluft kommen.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, zu verhindern, daß die aus der Multiperforation austretende Luft sich nicht von der Wand ablöst.
In dieser Erfindung wird daher vorgesehen, die Bohrungen lokal je nach der lokalen Strömung der verbrannten Gase auszurichten.
Bei der aus der oben genannten Schrift EP-A-0 492 864 bekannten Brennkammer ist die Wand in mehrere Zonen unterteilt, wobei in jeder von ihnen die Bohrungen durch Neigungen A und Winkel B definiert sind, die jeweils identische Werte haben, die abhängig von den Strömungscharakteristika der verbrannten Gase in jeder der genannten Zonen berechnet werden.
Gemäß der Erfindung wird die genannte Wand insbesondere in erste Zonen, die sich jeweils hinter den Verdünnungslöchern befinden und in denen die Bohrungen gegen die allgemeine Strömungsrichtung der verbrannten Gase ausgerichtet werden, in zweite und dritte Zonen, die, bezogen auf die axialen Ebenen durch die entsprechenden Verdünnungslöcher, beiderseits der genannten ersten Zonen angeordnet werden, und in vierte Zonen, die den Rest der genannten Wand ausmacht, unterteilt.
Die in der vierten Zone ausgeführten Bohrungen haben eine axiale Neigung von mehr als 30º. Ihr Winkel B ist im wesentlichen gleich 0º. Der aus diesen Bohrungen kommende Frischluftstrom streicht in der Richtung der axialen Strömung der verbrannten Gase über die Innenfläche der Wand.
Die Bohrungen in den ersten Zonen, d. h. hinter den Verdünnungslöchern, geben Kühlungsluft gegen den Strom der allgemeinen Strömungsrichtung der verbrannten Gase ab. Ihre Neigung A liegt zwischen 0º und -60º, und ihr Winkel B ist im wesentlichen gleich 0º.
Auf der Umfangslinie beiderseits jeder ersten Zone sind eine zweite und eine dritte Zone vorgesehen, deren Bohrungen Kühlungsluft in Richtung der axialen Ebene durch das entsprechende Verdünnungsloch und in der allgemeinen Strömungsrichtung der verbrannten Gase abgeben.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei Fig. 1 eine ringförmige Brennkammer einer Turbomaschine im Schnitt zeigt,
Fig. 2 eine dreidimensionale Darstellung der Strömung der verbrannten Gase im Bereich von zwei Verdünnungslöchern zeigt,
Fig. 3 die Unterteilung der multiperforierten Wand in mehrere homogene Zonen zeigt,
Fig. 4 einen axialen Schnitt der multiperforierten Wand gemäß einer durch die Achse eines Verdünnungslochs verlaufenden axialen Ebene in großem Maßstab zeigt,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Wandabschnitts zeigt, in dem die Bohrungen der Multiperforation eine axiale und tangentiale Neigung haben.
Die ringförmige Brennkammer 1 weist eine äußere ringförmige, axiale Wand 2 und eine innere ringförmige, axiale Wand 3 auf, die an ihren stromaufwärtigen Enden durch einen Kammerboden 4 miteinander verbunden sind, der mit Einspritzsystemen 5 ausgerüstet ist, und zwischen ihren stromabwärtigen Enden eine ringförmige Öffnung 6 aufweisen, durch die die verbrannten Gase G in Richtung einer Turbine entweichen, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Die verbrannten Gase G zirkulieren in dem Innenraum 7 der Brennkammer 1 in allgemein axialer Richtung, die durch den Pfeil D dargestellt ist.
Die äußere axiale Wand 2 und die innere axiale Wand 3 umgrenzen zusammen mit dem Außengehäuse 8 und dem Innengehäuse 9 ringförmige Durchgänge 10 und 11, in denen Kühlungsluft A zirkuliert, die von einem Kompressor kommt, der in den Zeichnungen nicht dargestellt ist und sich vor der Brennkammer 1 befindet.
Die beiden Wände 2 und 3 sind mit mehreren Verdünnungslöchern 12, die regelmäßig in einer senkrecht zur Achse der Turbomaschine liegenden axialen Ebene 13 verteilt sind, sowie mit mehreren durchgehenden Bohrungen 14, die eine Multiperforation darstellen, versehen.
Ein Teil der Kühlungsluft A dringt axial durch die Verdünnungslöcher 12 in den Innenraum 7 ein und trägt in der Verdünnungszone der Brennkammer 1 zur Verdünnung und zum Kühlen der Verbrennungsgase bei, während die übrige Luft A durch die Bohrungen 14 in den Innenraum 7 eindringt, um auf den Innenseiten 2a und 3a der axialen Wände 2 und 3 eine Kühlungsschicht zu bilden.
Fig. 2 zeigt das Geschwindigkeitsdiagramm der Gase in der Nähe der Innenseite 2a der äußeren Wand 2 im Bereich von zwei Verdünnungslöchern 12a und 12b, wobei dieses Diagramm durch 3D-Berechnungen erzielt wurde.
Dieses Diagramm zeigt, daß die Gase in der Zone 15 zwischen den beiden Verdünnungslöchern 12a und 12b in der Richtung D strömen.
In den Zonen 16, die sich unmittelbar stromabwärts der Verdünnungslöcher 12a und 12b befinden, zirkulieren die Gase hingegen in Richtung der Verdünnungslöcher 12a und 12b, d. h. insgesamt entgegengesetzt zur Richtung D.
Zu beiden Seiten jeder Zone 16 strömen die Gase in einer Richtung, die der axialen Ebene 18 durch das entsprechende Verdünnungsloch zugeneigt ist und insgesamt in der Richtung der allgemeinen Strömung der verbrannten Gase D ausgerichtet ist.
Stromaufwärts der Verdünnungslöcher 12a und 12b und in dem von den Verdünnungslöchern 12a und 12b entfernten Bereich zirkulieren die verbrannten Gase in der Richtung D.
Das 3D-Diagramm der Temperaturen in der Nähe der Verdünnungslöcher zeigt ebenfalls je nach Zonen beträchtliche Unterschiede.
Gemäß dieser Erfindung wird der Bereich der Wand 2 und 3, der die Bohrungen 14 enthält, in mehrere Zonen unterteilt, wobei in jeder von ihnen die Neigungswinkel A der Achsen 30 der Bohrungen 14 zu den Normalen 31 der Wand identisch sind, desgleichen die Winkel B der Ebenen 32, in denen die genannten Achsen 30 und die Normalen 31 liegen, zu den axialen Ebenen 33, in denen die genannten Achsen liegen.
In Fig. 3 wurde ein Abschnitt der axialen Wand 34 mit zwei Verdünnungslöchern 12a und 12b dargestellt. Der Pfeil D gibt die allgemeine Strömungsrichtung der verbrannten Gase in der Brennkammer 1 an.
Die Bezugszahlen 16a und 16b bezeichnen erste Zonen, in denen die verbrannten Gase in Gegenstromrichtung strömen. In den zweiten Zonen 17a und 17b, die links von den axialen Ebenen 18a und 18b liegen, strömen die verbrannten Gase insgesamt in der Richtung der Pfeile 19. In den dritten Zonen 19a und 19b, die rechts von den axialen Ebenen 18a und 18b liegen, strömen die verbrannten Gase in der Richtung der Pfeile 20.
In der vierten Zone 21, die sich außerhalb der Zonen 16a, 16b, 17a, 17b, 19a und 19b befindet, strömen die verbrannten Gase insgesamt in der Richtung des Pfeils D.
Wie in Fig. 4 zu sehen ist, sind die Bohrungen 14 in der vierten Zone 21 durch eine Neigung A&sub4;, die größer ist als 30º, und einen Winkel B, der im wesentlichen gleich 0º ist, definiert. Die durch diese Bohrungen 14 strömende Kühlungsluft dringt in der allgemeinen Strömungsrichtung D der Gase, jedoch mit einer Neigung A&sub4; in die Brennkammer 1 ein.
Die Bohrungen 14 in der ersten Zone 16a sind so geneigt, daß sie eine Abgabe von Kühlungsluft in Gegenrichtung zur allgemeinen Strömungsrichtung D ermöglichen. Die Achsen 30 dieser Bohrungen 14 bilden einen Winkel A&sub1; mit den Normalen 31, der zwischen -60º und 0º liegt. Die Achsen 30 dieser Bohrungen 14 liegen auch parallel zu der axialen Ebene 18a, die durch die Achse 35 des Verdünnungslochs 12a verläuft.
In Fig. 5 ist ein kleiner Abschnitt 36 der äußeren Wand 2 in Höhe einer dritten Zone 19b dargestellt. In dieser dritten Zone 19b sind die Bohrungen in einer Neigung A&sub3; zur Normalen 31 und in einer Ebene, die einen Winkel B&sub3; zur Hauptströmungsrichtung D bildet, ausgeführt. Der Winkel B&sub3; ist in Abhängigkeit von der mittleren Richtung der lokalen Strömung der Gase in der dritten Zone 19b berechnet.

Claims

1. Brennkammer, insbesondere für Turbomaschinen, die durch mindestens eine axiale Wand (2, 3) begrenzt wird, die mit mehreren durchgehenden Bohrungen (14) versehen ist, die eine "Multiperforation" darstellen, die insbesondere für den Durchgang eines Kühlungsfluids (A) für diese axiale Wand (2, 3) bestimmt ist, sowie mit mehreren Verdünnungslöchern (12) versehen ist, die in einer Querebene (13) zur allgemeinen Strömungsrichtung (D) der von der Verbrennung kommenden verbrannten Gase (G) liegt, gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Geometrieachse (30) jeder Bohrung (14) um einen Winkel A zu der Normalen (31) der genannten Wand (2, 3) geneigt ist, wobei die genannte Geometrieachse (30) in einer Ebene (32) angeordnet ist, in der die genannte Normale (31) liegt und die einen Winkel B zu der Ebene (33) bildet, die durch die genannte Normale und die allgemeine Strömungsrichtung (D) der verbrannten Gase definiert wird, wobei die Wand (2, 3) in mehrere Zonen (16a, 16b, 17a, 17b, 19a, 19b, 21) unterteilt wird und in jeder von ihnen die Bohrungen (14) durch Neigungen A und Winkel B definiert sind, die jeweils identische Werte haben, die abhängig von der lokalen Strömung der verbrannten Gase (G) in jeder der genannten Zonen berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wand (2, 3) in erste Zonen (16a, 16b), die sich jeweils hinter den Verdünnungslöchern (12a, 12b) befinden und in denen die Bohrungen (14) gegen die allgemeine Strömungsrichtung (D) der verbrannten Gase (G) gerichtet sind, in zweite und dritte Zonen(17a, 17b, 19a, 19b), die, bezogen auf die axialen Ebenen (18a, 18b) durch die entsprechenden Verdünnungslöcher (12a, 12b), beiderseits der genannten ersten Zonen (16a, 16b) angeordnet werden, und in eine vierte Zone (2 I), die den Rest der genannten Wand (2, 3) ausmacht, unterteilt wird.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der vierten Zone (21) ausgeführten Bohrungen (14) durch eine Neigung A von mehr als 30º definiert sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der vierten Zone (21) ausgeführten Bohrungen (14) durch einen Winkel B von im wesentlichen gleich 0º definiert sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den ersten Zonen (16a, 16b) ausgeführten Bohrungen (14) durch eine Neigung A definiert sind, die zwischen 0º und -60º liegt.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den ersten Zonen (16a, 16b) ausgeführten Bohrungen (14) durch einen Winkel B von im wesentlichen gleich 0º definiert sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den zweiten Zonen (17a, 17b) ausgeführten Bohrungen (14) durch Winkel B definiert sind, die entgegengesetzte Werte zu den Winkeln B haben, die die Bohrungen (14) in den dritten Zonen (19% 19b) definieren.