DE69924657T2

DE69924657T2 - Wandstruktur für eine Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE69924657T2
Application number: DE69924657T
Authority: DE
Inventors: Anthony Chellaston Pidcock; Desmond Spondon Close; Michael Paul Littleover Spooner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2019-02-04
Also published as: DE69924657D1; EP0937946A3; GB9803291D0; EP0937946B1; EP0937946A2; US6170266B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks und insbesondere auf die Wandstruktur einer solchen Gasturbinenbrennkammer.
Um Schub und Brennstoffverbrauch von Gasturbinentriebwerken zu verbessern, d.h. zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades, ist es notwendig, hohe Kompressordrücke und höhere Verbrennungstemperaturen zu benutzen, als sie herkömmlicherweise bisher angewandt wurden. Höhere Kompressordrücke ergeben höhere Kompressorauslasstemperaturen und höhere Drücke in der Brennkammer sind Anlass dafür, dass die Brennkammer sehr viel höheren Temperaturen ausgesetzt wird.
Es ist daher notwendig, eine wirksame Kühlung der Brennkammerwände herbeizuführen. Es sind verschiedene Kühlverfahren vorgeschlagen worden, einschließlich der Anordnung einer doppelwandigen Brennkammer, bei der Kühlluft in den Zwischenraum zwischen die Kammerwände gerichtet wird, wodurch die Innenwand abgekühlt wird. Diese Luft wird dann in die Brennkammer über Löcher in der Innenwand abgegeben. Die Innenwand kann auch aus einer Anzahl von hitzebeständigen Keramikplatten bestehen. Die Ausbildung der Innenwand aus Keramikplatten hat den Vorteil einer einfachen kostengünstigen Konstruktion. Brennkammerwände, die aus zwei oder mehreren Schichten bestehen, sind insofern vorteilhaft, als sie nur eine relativ kleine Luftströmung erfordern, um eine ausreichende Kühlwirkung zu erzielen. Sie sind jedoch mit gewissen Problemen behaftet. Diese umfassen die Erzeugung heißer Stellen in gewissen Bereichen der Brennkammerwand und der Brennkammer. Bekannte Vorschläge zur Lösung dieses Problems umfassen die Erzeugung vorstehender Stege oder Postamente an der kalten Seite der Wandkeramikplatten. In diesem Zusammenhang wird auf das GB-Patent Nr. 2 087 065 verwiesen. Diese Stege oder Postamente dienen zur Erhöhung des Oberflächenbereichs des Wandelementes, wodurch die Kühlwirkung der Luftströmung zwischen den Brennkammerwänden vergrößert wird. Die Kompressorförderluft wird über die Postamente auf der "kalten Seite" der Keramikplatten übertragen und tritt als Film aus, der über die "heiße" Oberfläche der folgenden stromabwärtigen Keramikplatte abfließt.
Die US 4,695,247 beschreibt eine Brennkammer mit einer Anordnung von Stegen. Diese Stege sind als quadratische Matrix in Axialrichtung ausgebildet.
Die Anordnung derartiger Stege ergibt weitere Probleme. Beispielsweise kann eine örtliche Überhitzung hinter den Hindernissen, beispielsweise den Mischöffnungen oder benachbart zu Bereichen auftreten, wo eine nahezu stoichoimetrische Verbrennung Ursache für hohe Gastemperaturen (hot streaks) sein kann. Es gibt keine Möglichkeit, diese Hitze abzuführen, und zwar weder örtlich, um die heißen Stellen zu beseitigen, noch durch Vermeidung einer allgemeinen Überhitzung nach dem stromabwärtigen Ende der Keramikplatte hin. Eine Überhitzung kann stromab der Mischöffnungen erfolgen, da der Schutzwandkühlfilm durch die quer verlaufenden Mischstrahlen abgezogen wird. Wenn Konstruktionserfordernisse eine relativ lange Keramikplatte erfordern, dann wird die Kühlfilmqualität nach dem stromabwärtigen Ende der Keramikplatte schlecht und führt zu einer Überhitzung.
Die US 4,315,406 beschreibt eine Laminatwand für eine Brennkammer. Die Wand besteht aus zwei Platten mit regulären Nuten in einer quadratischen Anordnung und Öffnungen innerhalb der Nuten, wobei die Nuten der ersten Platte um 45° gegenüber den Nuten der zweiten Platte angestellt sind. Die Platten sind derart laminiert, dass die Nuten der ersten Platte sich mit den Nuten der zweiten Platte an ihren jeweiligen Ecken schneiden. Die Öffnungen erstrecken sich in Vertikalrichtung durch die Platte und können so angeordnet sein, dass sie ein Feld bilden, bei dem die Reihen unter einem Winkel von etwa 30° zur Brennkammerachse angestellt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wandausbildung für eine Brennkammer zu schaffen und/oder allgemein Verbesserungen herbeizuführen.
Die Erfindung geht aus von einer Verbrennungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, die wenigstens teilweise eine Brennkammer mit einer zentralen Achse definiert, wobei die Wandstruktur wenigstens eine Außenwand und eine Innenwand aufweist und die Außenwand Mittel aufweist, um Luft in den Raum zwischen den Wänden einzuleiten und die Innenwand eine Zahl von Wandelementen besitzt und jedes Wandelement eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die gegenüber der Oberfläche der Innenwand geneigt sind, um das Ausströmen von Luft in die Brennkammer zu ermöglichen, und wobei jedes Wandelement mehrere vorstehende Stege aufweist, und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorstehenden Stege in gestaffelten Reihen derart angeordnet sind, dass die Stege der Reihen, die in Axialrichtung benachbart sind, gegeneinander versetzt sind und die geneigten Öffnungen zwischen den vorstehenden Stegen angeordnet und so orientiert sind, dass eine verlängerte Achse jeder geneigten Öffnung unter einem Winkel zwischen 0° und 90° gegenüber der Brennkammerachse angeordnet ist und längs eines freien Pfades zwischen den vorstehenden Stegen liegt.
Der freie Pfad kann ein hindernisfreier Kanal sein. Jede der geneigten Öffnungen hat vorzugsweise eine Achse, die derart orientiert ist, dass der Winkel der Achse gegenüber der Brennkammerachse einer Winkelversetzung der vorstehenden Stege der benachbarten Reihen entspricht.
Die Brennkammer ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und die Innenwand und die Außenwand erstrecken sich radial um die Brennkammer, und die Stege der Reihen, die in Axialrichtung benachbart zueinander liegen, sind in Umfangsrichtung der Kammer versetzt.
Vorzugsweise sind die Stege in einem Feld angeordnet und die Versetzung der Stege benachbarter Reihen verläuft unter einem Winkel gegenüber der Mittelachse der Brennkammer.
Vorzugsweise ist die Brennkammer so angeordnet, dass sie eine allgemeine Fluiddurchströmungsrichtung aufweist und die Öffnungen sind unter einem Winkel von 30° gegenüber der allgemeinen Fluiddurchströmungsrichtung innerhalb der Brennkammer angeordnet.
Vorzugsweise bestehen die Wandelemente aus einzelnen Keramikplatten. Die vorstehenden Stege können als Postamente ausgebildet sein.
Es können Mischöffnungen in den Brennkammerwänden vorgesehen sein, um Luft in die Brennkammer einzuleiten.
Die stromabwärtigen Ränder eines jeden Wandelementes können mit einem thermischen Schutzüberzug versehen sein.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks mit einer ringförmigen Brennkammer, deren Wandstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
2 ist eine Einzelansicht eines Teils der Brennkammerwand des Triebwerks gemäß 1;
3 ist eine Teilansicht von 2 in Richtung des Pfeiles A betrachtet;
4 ist eine Einzelansicht eines Teils der Brennkammerwand, die schachtartige Mischöffnungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist;
5 ist eine Einzelansicht eines Teils der Brennkammerwand gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt ein Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und in axialer Strömungsrichtung hintereinander die folgenden Teile aufweist: einen Lufteinlass 11, einen Vortriebsfan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 18 und eine Schubdüse 19.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in herkömmlicher Weise, indem Luft, die in den Einlass 11 eintritt, durch den Fan 12 beschleunigt wird, um zwei Luftströmungen zu erzeugen. Eine erste Luftströmung gelangt in den Zwischendruckkompressor 13 und eine zweite Luftströmung liefert einen Vortriebsschub. Der Zwischendruckkompressor 13 komprimiert die einströmende Luft, bevor die Luft nach dem Hochdruckkompressor 14 abgegeben wird, wo eine weitere Komprimierung stattfindet.
Die vom Hochdruckkompressor 14 ausgeblasene Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 15 eingeleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und die gebildete Mischung verbrannt wird. Die resultierenden Heißgasprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 und treiben diese an, bevor die Gase durch die Schubdüse 19 ausgestoßen werden, um einen zusätzlichen Vortriebsschub zu erzeugen. Die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 treiben über geeignete Verbindungswellen den Hochdruckkompressor 14 und den Zwischendruckkompressor 13 sowie den Fan 12 an.
Die Verbrennungseinrichtung 15 besteht aus einer ringförmigen Brennkammer 20, die radial innere und äußere Wandstrukturen 21 bzw. 22 aufweist. Der Brennstoff wird in die Brennkammer 20 über mehrere Brennstoffdüsen (nicht dargestellt) eingespritzt, die am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 20 liegen. Die Brennstoffdüsen sind in Umfangsrichtung im Abstand um das Triebwerk 10 angeordnet und dienen dazu, Brennstoff in die Luft einzuspritzen, die vom Hochdruckkompressor 14 zugeführt wird. Das resultierende Brennstoff/Luftgemisch wird dann innerhalb der Brennkammer 20 verbrannt.
Der Verbrennungsprozess, der innerhalb der Brennkammer 20 stattfindet, erzeugt natürlich eine erhebliche Hitzemenge. Es ist daher notwendig, den Aufbau derart zu treffen, dass die Innenwand 21 und die Außenwand 22 in der Lage sind, dieser Hitzeströmung zu widerstehen und dabei in normaler Weise zu arbeiten. Die radial äußere Wandstruktur 22 ist deutlicher aus 2 ersichtlich.
Gemäß 2 besteht die innere Wandstruktur 21 aus mehreren einzelnen Keramikplatten 24, die alle im Wesentlichen die gleiche rechteckige Gestalt haben und benachbart zueinander angeordnet sind. Die Mehrzahl der Keramikplatten 24 ist so angeordnet, dass sie im gleichen Abstand von der Außenwand 22 verlaufen. Jede Keramikplatte 24 ist durch Gießen hergestellt und mit inneren nicht dargestellten Ansätzen versehen, die eine Festlegung an der Außenwand 22 ermöglichen.
In der äußeren Brennkammerwand 22 sind Zuführungslöcher 23 derart angeordnet, dass Kühlluft in den Spalt zwischen den Keramikplatten 24 und der Außenwand 22 einströmen kann.
Jede Keramikplatte 24 trägt mehrere vorstehende Stege oder Postamente 25, die die Kühlung verbessern, indem sie einen zusätzlichen Oberflächenbereich für die Kühlluft bilden, die darüberströmt.
Das aus den Postamenten 25 bestehende Feld ist derart gestaffelt, dass benachbarte Reihen von Postamenten 25 gegeneinander versetzt sind, wie dies aus 3 ersichtlich ist. Vorzugsweise sind die vorstehenden Stege oder Postamente mit einer gleichen Teilung gestaffelt. Die Staffelung des Feldes der Postamente 25 ermöglicht eine dichtere Packung der Postamente 25 auf den Keramikplatten 24, wobei immer noch ein genügender Zwischenraum um jedes Postament 25 herum verbleibt, damit die Kühlluft darüberströmen kann. Diese erhöhte Packungsdichte vergrößert den Oberflächenbereich für die darüberströmende Kühlluft, wodurch die Kühlung der Keramikplatte 24 verbessert wird. Eine gestaffelte Anordnung ergibt auch eine gleichmäßigere Verteilung der Postamente 25 über die Keramikplatte 24, wodurch eine gleichmäßigere Kühlung der Keramikplatte 24 erfolgt.
Jede Keramikplatte 24 weist außerdem eine Zahl von Ausflusslöchern 26 auf, die zwischen den Postamenten 25 verlaufen. Da die Postamente 25 gewöhnlich mit einer gleichförmigen Teilung angeordnet sind, ergibt sich ein freier durchgehender Pfad zwischen den Postamenten 25, wo die Kühllöcher 26 angeordnet sind, und dieser freie Pfad verläuft unter einem Winkel von 30° gegenüber dem Pfad C für die Verbrennungsgase, der parallel zur Triebwerksachse verläuft. Die Kühllöcher 26 sind wiederum gegenüber der Wandoberfläche in einem Winkel geneigt und so orientiert, dass eine verlängerte Achse der Kühllöcher 26 entlang des freien Pfades zwischen den Postamenten 25 verläuft. Wie aus 3 ersichtlich, sind demgemäß die Achsen der Kühllöcher 26 unter 30° gegenüber dem Strömungspfad C der Verbrennungsgase und gegenüber der Brennkammerachse angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Postamente 25 nicht in einer gleichförmigen Teilung anzuordnen, wodurch auch jeweils ein durchgehender freier Pfad erzeugt werden kann. Im typischen Fall kann der Winkel θ zwischen 90° (hierdurch werden in Umfangsrichtung gerichtete Kühllöcher 26 gebildet) und 0° liegen (hierdurch werden axial gerichtete Kühllöcher 26 gebildet). Durch Ausrichtung der Achsen der Kühllöcher 26 auf den durchgehenden Pfad zwischen den Postamenten 25 können die Kühllöcher 26 auf einfache Weise durch Laser bearbeitet werden, wobei eine geringere Gefahr besteht, dass der Laserstrahl auf die Postamente 25 auftrifft und die Postamente 25 beschädigt oder bearbeitet. Um eine Herstellung der Kühllöcher 26 zu ermöglichen, müssen einige der Postamente 25 im Pfad der Kühllochachsen bei herkömmlichen Anordnungen entfernt oder modifiziert werden. Dies führt bei herkömmlichen Anordnungen zu einer verminderten Kühlwirkung und einer weniger gleichförmigen Verteilung der Postamente 25, wodurch die Keramikplatten 24 weniger gleichmäßig gekühlt werden. Die Ausrichtung und Orientierung der Kühllöcher 26 sowie die einfachere Herstellung und verbesserte Anordnung der Postamente 25 ermöglicht auch die Benutzung von Kühllöchern 26 mit einer flacheren Neigung gegenüber der Wand. Kühllöcher 26 mit flacheren Neigungswinkeln bewirken eine bessere Richtwirkung auf die Kühlluft entlang der Wandoberfläche und über diese, was eine verbesserte Kühlung ergibt. Dies führt vorteilhafterweise auch zu einer geringeren Störung der Verbrennungsluftströmung durch die Kühlluftströmung.
Diese im Winkel angestellten Kühllöcher 26 sind jeweils nach hinten bei jeder Keramikplatte 24 angeordnet, um den Kühlluftfilm zu verstärken, der von der stromaufwärtigen Keramikplatte 24 austritt. Während der Arbeitsweise des Triebwerks kann ein Teil der vom Hochdruckkompressor 14 gelieferten Luft über die äußere Oberfläche der Brennkammer 20 fließen. Diese Luft bewirkt eine Kühlung der Brennkammer 20 und ein Teil der Luft wird in die Brennkammer durch die Kühllöcher 26 eingeleitet, um einen Kühlfilm unter jeder Keramikplatte 24 zu erzeugen. Diese Luft wird auch in die Brennkammer durch die Mischöffnungen 28 eingeleitet. Die Mischöffnungen 28 haben die einzige Funktion, die Luft in die Brennkammer in einer Weise einzuführen, dass eine optimale Vermischung mit dem Brennstoff erfolgt, wodurch die Einstellung der gesamten Verbrennungsemissionen unterstützt wird.
Die Mischöffnungen 28 können eine schachtartige Ausbildung aufweisen, wie dies in 4 dargestellt ist, oder sie können eine herkömmliche Ausbildung aufweisen, wie dies 2 zeigt.
Diese spezielle Ausbildung von schachtartigen Mischöffnungen 28 bewirkt eine Abschirmung des Luftstrahls gegenüber dem stromaufwärtigen Wandkühlfilm. Die Tiefe des Schachtes 28 beträgt etwa 10 bis 15 mm. Die Schachtausbildung ermöglicht vorteilhafterweise auch eine Steuerung des darauffolgenden Trajektors des Luftstrahles hierfür.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel liegen die Zuführungslöcher 23 radial außerhalb der im Winkel angestellten Kühllöcher 26. Hierzu wird auf 5 verwiesen. Eine Kühlluftfüllkammer 30 wird zwischen den Keramikplatten ausgebildet. Die Richtung der Luftströmung ist durch die Pfeile angedeutet. Daher geht ein Teil der Einlassgeschwindigkeit der Kühlluft verloren, bevor diese die Ausflusslöcher erreicht, und dadurch wird die Kühlluftströmungsrate vermindert. So werden größere Zuführungslöcher 23 benutzt, da die Wirkung der Postamente oder Stege im Hinblick auf eine Hindernisbildung nicht in Betracht gezogen werden muss. Diese Anordnung ermöglicht die Anordnung einer einzigen Reihe von Zuführungslöchern 23 (anstelle von zwei Reihen), wenn der Raum begrenzt ist.
Die Wände 21 der Keramikplatten 24 sind außerdem mit einem thermischen Schutzüberzug versehen, um einen zusätzlichen thermischen Schutz der Wände 21 zu erreichen. Insbesondere haben die stromabwärtigen Ränder einen thermischen Schutzüberzug, wo die höchste Erhitzung der Keramikplatten 24 stattfindet.

Claims

Wandstruktur (21, 22) für die Verbrennungseinrichtung (20) eines Gasturbinentriebwerks (11), die wenigstens teilweise eine Brennkammer mit einer zentralen Achse definiert, wobei die Wandstruktur (21, 22) wenigstens eine Außenwand (21) und eine Innenwand (22) aufweist und die Außenwand Mittel (23) zum Einleiten von Luft in den Zwischenraum zwischen die Wände (21, 22) aufweist und die Innenwand (22) eine Anzahl von Wandelementen (24) aufweist, von denen jedes Element (24) mehrere Öffnungen besitzt, die gegenüber einer Oberfläche der Innenwand (26) geneigt sind, um das Ausblasen von Luft in die Brennkammer zu verbessern und wobei jedes Wandelement (24) außerdem mehrere vorstehende Stege (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die vorstehenden Stege (25) in gestaffelten Reihen derart angeordnet sind, dass die Stege (25) benachbarter Reihen in Axialrichtung gegeneinander versetzt sind und die einzelnen geneigten Öffnungen (26) zwischen den vorstehenden Stegen (25) liegen und derart ausgerichtet sind, dass eine verlängerte Achse einer jeden geneigten Öffnung unter einem Winkel zwischen 0° und 90° gegenüber der Brennkammerachse (26) angeordnet ist und längs eines freien Pfades zwischen den vorstehenden Stegen (25) verläuft.
Wandstruktur nach Anspruch 1, bei welcher der freie Pfad ein hindernisfreier Kanal ist.
Wandstruktur nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher die verlängerte Achse jeder geneigten Öffnung (26) eine Achse besitzt, die derart orientiert ist, dass der Winkel der verlängerten Achse (26) gegenüber der Brennkammerachse einer Winkelversetzung der vorstehenden Stege (25) benachbarter Reihen entspricht.
Wandstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Brennkammer ringförmig ausgebildet ist und die Innenwand und die Außenwand sich radial um die Brennkammer herum erstrecken, wobei die Stege von in Achsrichtung benachbarten Reihen in Umfangsrichtung versetzt sind.
Wandstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brennkammer (20) eine allgemeine Fluiddurchströmungsrichtung (C) besitzt und die Öffnungen (26) in einem Winkel von 30° gegenüber der allgemeinen Fluiddurchströmungsrichtung (C) innerhalb der Brennkammer (20) angestellt sind.
Wandstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wandelemente aus einzelnen Keramikplatten (24) bestehen.
Wandstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die vorstehenden Stege (25) als Postamente ausgebildet sind.
Wandstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher Mischöffnungen (28) innerhalb der Brennkammerwände (21, 22) vorgesehen sind, um Luft in die Brennkammer einzuleiten.
Wandstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die stromabwärtigen Ränder eines jeden Wandelementes (24) mit einem thermischen Schutzüberzug versehen sind.