DE69934653T2

DE69934653T2 - Brennkammerhemd mit Filmkühlung

Info

Publication number: DE69934653T2
Application number: DE69934653T
Authority: DE
Inventors: David B. Mason Patterson; Beverly Stephenson West Chester Duncan; Mark Gerard Cincinnati Rettig; James Edward Middletown Thompson; Glenn Edward Mt. Healthy Wiehe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: EP1001222B1; EP1001222A2; EP1001222A3; DE69934653D1; JP2000274686A; JP4433529B2; US6205789B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf filmgekühlte Brennkammerflammrohre zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken und konkreter auf solche Brennkammerflammrohre, die Bereiche mit nahe beabstandeten Kühllöchern aufweisen.
Ein Gasturbinentriebwerk enthält einen Verdichter, der verdichtete Luft an eine Brennkammer liefert, in der die Luft mit Brennstoff gemischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Diese Gase strömen stromabwärts zu einer oder mehreren Turbinen, die den Gasen Energie entziehen, um den Verdichter anzutreiben und nutzbare Energie zu liefern, wie z.B. ein Flugzeug beim Flug anzutreiben. In Flugzeugtriebwerken verwendete Brennkammern enthalten typischerweise ein inneres und ein äußeres Brennkammerflammrohr, um die Brennkammer und die umliegenden Triebwerkskomponenten vor der intensiven Hitze zu schützen, die durch den Verbrennungsvorgang erzeugt wird. Zum Kühlen von Brennkammerflammrohren ist eine Vielzahl von Ansätzen vorgeschlagen worden, um es zu ermöglichen, dass die Flammrohre größeren Verbrennungstemperaturen standhalten. Ein derartiger Ansatz ist eine Mehrloch-Filmkühlung, bei der entlang der Verbrennungsseite der Flammrohre durch ein Feld sehr kleiner Kühllöcher, die durch die Flammrohre hindurch gebildet worden sind, eine dünne Schicht von Kühlluft erzeugt wird. Die Mehrloch-Filmkühlung verringert die gesamte thermische Beanspruchung der Flammrohre, weil der Massenstrom durch die Kühllöcher das heiße Verbrennungsgas neben den Flammrohroberflächen verdünnt und die Strömung durch die Löcher eine Konvektionskühlung der Flammrohrwände bewirkt.
Verschiedene Phänomene, die in Gasturbinenbrennkammern gewöhnlich auftreten, können die Wirksamkeit des Kühlfilms verringern und heiße Gase in die Nähe der Flammrohroberflächen bringen. Ein solcher Zustand ist ein Auftreffen von Wirbeln, das durch Verwirbler hervorgerufen wird, die in den Brennstoffdüsen angeordnet sind, um eine bessere Verbrennung zu bewirken. Der durch die Verwirbler induzierte Wirbel der Verbrennungsströmung bewirkt, dass heiße Gase auf die Flammrohre auftreffen. Das Wirbelauftreffen ist typischerweise auf bestimmte Bereiche, die eine Funktion der Brennkammergestaltung sind, auf den Flammrohroberflächen begrenzt. Diese Bereiche erfahren einen Verlust an Wirksamkeit des Kühlfilms und sind dadurch empfänglicher für eine thermisch bedingte Verschlechterung. Ein weiterer Grund für eine Verringerung der Wirksamkeit des Kühlfilms ist das Vorhandensein von Verdünnungslöchern, Endoskopöffnungen oder Zünderöffnungen und dergleichen in den Brennkammerflammrohren. Weil solche Löcher wesentlich größer als die Kühllöcher sind, stört der durch das Einströmen von Luft durch diese größeren Löcher erzeugte Nachlauf den Kühlfilm hinter ihnen. Folglich sind Bereiche der Flammrohre unmittelbar stromabwärts von Verdünnungs- und anderen Flammrohrlöchern auch durch einen Wirksamkeitsverlust des Kühlfilms gefährdet.
Dementsprechend besteht Bedarf an einem Brennkammerflammrohr, in dem die Wirksamkeit des Kühlfilms an den Flächen des Flammrohres erhöht wird, die anderenfalls für einen Wirksamkeitsverlust des Kühlfilms empfänglich sind.
Eine solche Anordnung ist in EP 0 512 670 gezeigt, die ein Metallflammrohr mit einem Muster von Kühllöchern zeigt, die so gestaltet sind, dass sie unterschiedliche Mengen von Kühlluft zu unterschiedlichen Bereichen des Flammrohres leiten. Dies wird durch die Verwendung eines Grundmusters von Kühllöchern erreicht, wobei bestimmte Lochmuster aus dem Grundmuster entfernt werden. Dies führt zu einem komplizierten Lochmuster und ist schwierig herzustellen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine vereinfachte Lösung und ist durch Anspruch 1 gegeben.
Die Erfindung wird nun im Wege eines Beispiels unter Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben:
1 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerflammrohren gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Brennkammerflammrohres, die angewinkelte Mehrloch-Kühllöcher darstellt.
3 ist eine Draufsicht auf einen Bereich eines Brennkammerflammrohres, die die Beabstandung der Mehrloch-Kühllöcher gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten die gleichen Elemente bezeichnen: 1 zeigt eine Brennkammer 10 des zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten Typs. Die Brennkammer 10 weist ein äußeres Flammrohr 12 und ein inneres Flammrohr 14 auf, die zwischen einem äußeren Brennkammergehäuse 16 und einem inneren Brennkammergehäuse 18 angeordnet sind. Das äußere und das innere Flammrohr 12 und 14 sind radial voneinander beabstandet, um einen Brennraum 20 zu bilden. Das äußere Flammrohr 12 und das äußere Gehäuse 16 bilden dazwischen einen äußeren Kanal 22, und das innere Flammrohr 14 und das innere Gehäuse 18 bilden dazwischen einen inneren Kanal 24. An dem stromaufwärtigen Enden des äußeren und inneren Flammrohrs 12 und 14 ist eine Haubenanordnung 26 angebracht. In der Haubenanordnung 26 ist eine ringförmige Öffnung 28 zum Einleiten verdichteter Luft in die Brennkammer 10 ausgebildet. Die verdichtete Luft wird von einem (nicht gezeigten) Verdichter in einer Richtung zugeführt, die im Wesentlichen durch den Pfeil A in 1 bezeichnet ist. Die verdichtete Luft tritt hauptsächlich durch die ringförmige Öffnung 28 hindurch, um die Verbrennung zu unterstützen, und teilweise in den äußeren und inneren Kanal 22 und 24 ein, wo sie zum Kühlen der Flammrohre 12 und 14 verwendet wird.
Eine ringförmige Domplatte 30 ist zwischen dem äußeren und inneren Flammrohr 12 und 14 nahe bei ihren strömaufwärtigen Enden angeordnet und verbindet die Flammrohre. Mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Verwirbleranordnungen 32 sind in der Domplatte 30 angebracht. Jede Verwirbleranordnung 32 nimmt verdichtete Luft aus der ringförmigen Öffnung 28 und Brennstoff aus einem zugehörigen Brennstoffrohr 34 auf. Der Brennstoff und die Luft werden durch die Verwirbleranordnungen 32 verwirbelt und gemischt, und das sich ergebende Brennstoff/Luft-Gemisch wird in den Brennraum 20 abgegeben. Während 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer einzelnen Ringbrennkammer darstellt, wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf beliebige Typen von Brennkammern einschließlich doppelter Ringbrennkammern anwendbar ist, die eine Mehrloch-Filmkühlung verwenden.
Das äußere und innere Flammrohr 12 und 14 enthalten jeweils eine Einzelwand-Metallummantelung, die einen im Wesentlichen ringförmigen und sich axial erstreckenden Aufbau aufweist. Das äußere Flammrohr weist eine heiße Seite 36, die den heißen Verbrennungsgasen in dem Brennraum 20 zugewandt ist, und eine kalte Seite 38 in Kontakt mit der relativ kühlen Luft in dem äußeren Kanal 22 auf. In ähnlicher Weise weist das innere Flammrohr 14 eine heiße Seite 40, die den heißen Verbrennungsgasen in dem Brennraum 20 zugewandt ist, und eine kalte Seite 42 in Kontakt mit der relativ kühlen Luft in dem inneren Kanal 24 auf. Beide Flammrohre 12 und 14 weisen eine große Anzahl von nahe beabstandeten Kühllöchern 44 auf, die in den Flammrohren ausgebildet sind.
Nun den 2 und 3 zugewandt: Es sind durch einen Bereich des äußeren Flammrohrs 12 hindurch angeordnete Kühllöcher 44 genauer gezeigt. Während die 2 und 3 Kühllöcher in dem äußeren Flammrohr 12 darstellen, sollte erkannt werden, dass die Anordnung der Kühllöcher des inneren Flammrohrs 14 mit derjenigen des äußeren Flammrohrs 12 im Wesentlichen identisch ist. Demnach gilt die folgende Beschreibung auch für das innere Flammrohr 14. 2 enthält ein Bezugssystem mit den mit X, Y und Z bezeichneten Achsen, wobei X die (durch den Pfeil B gekennzeichnete) stromabwärtige axiale Strömungsrichtung durch die Brennkammer 10, Y die Umfangsrichtung und Z eine Radialrichtung ist. Die Kühllöcher 44 sind von der kalten Seite 38 zu der heißen Seite 36 unter einem stromabwärtigen Winkel A axial geneigt, der vorzugsweise in dem Bereich von etwa 15° bis 20° liegt, und sind in Um fangsrichtung um einen Uhrzeigerwinkel B geneigt oder gedreht. Der Uhrzeigerwinkel B entspricht vorzugsweise dem Wirbel der Strömung durch den Brennraum 20, der allgemein in dem Bereich von etwa 30° bis 65° liegt. Die Kühllöcher 44 sind in einer Serie von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Reihen 46 angeordnet. Benachbarte Löcher 44 in jeder Reihe weisen zwischen ihren jeweiligen Zentrallinien einen Umfangsrichtungslochabstand S auf, und die benachbarten Reihen 46 weisen einen axialen Reihenabstand P auf.
Verdünnungsluft wird hauptsächlich durch mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Verdünnungslöcher 48 (1), die in jedem des äußeren und inneren Flammrohrs 12 und 14 angeordnet sind, in den Brennraum 20 eingeleitet. Die Verdünnungslöcher 48 sind allgemein weit weniger zahlreich als die Kühllöcher 44, und jedes einzelne Verdünnungsloch 48 weist eine Querschnittsfläche auf, die wesentlich größer als die Querschnittsfläche eines der Kühllöcher 44 ist. Die Verdünnungslöcher 48 und zu einem geringeren Ausmaß die Kühllöcher 44 dienen zum Einlassen von Verdünnungsluft, die eine zusätzliche Verbrennung fördert, in den Brennraum 20.
Konventionell weisen Kühllöcher in typischen Brennkammerflammrohren sehr kleine Durchmesser in der Größenordnung von etwa 0,02 Zoll (0,51 mm) und einen Umfangsrichtungslochabstand von etwa 0,13 Zoll (3,30 mm) oder etwa 6,5 Lochdurchmesser auf. Der axiale Reihenabstand ist im Wesentlichen gleich dem Umfangsrichtungslochabstand. Wie oben erörtert funktioniert eine solche konventionelle Lochbeabstandung in den meisten Flammrohrbereichen gut, aber die Flammrohrbereiche, die einem Wirbelauftreffen ausgesetzt sind und/oder unmittelbar stromabwärts von großen Flammrohröffnungen, wie z.B. Verdünnungslöchern, Endoskopöffnungen und Zünderöffnungen angeordnet sind, können einen Verlust an Wirksamkeit des Kühlfilms erfahren. Nun unter Bezug auf 3: Dargestellt ist die Kühllochbeabstandung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in allen Flammrohrbereichen, wo die Wirksamkeit des Kühlfilms nicht verschlechtert ist, eine konventionelle Kühllochbeabstandung verwendet wird und in den Bereichen, wo die Wirksamkeit des Kühlfilms verschlechtert ist, eine engere Kühllochbeabstandung verwendet wird. Die engere Kühllochbeabstandung führt in dem Bereich zu mehr Kühllöchern pro Flächeneinheit, wodurch zusätzliche Kühlluft zugeführt wird, was die Wirksamkeit des Kühlfilms steigert. Zusätzlich zum Hinzufügen weiterer Kühlluft in bestimmte Bereiche, wo die Kühlfilmwirksamkeit verschlechtert ist, bewirkt die engere Kühllochbeabstandung gemäß der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Konvektionskühlung in dem Bereich, wodurch die Temperatur der Metallmasse verringert wird. Durch die Verwendung einer engeren Kühllochbeabstandung nur in bestimmten Bereichen, wo die Wirksamkeit des Kühlfilms verschlechtert ist, wird die Mehrloch-Filmkühlung, wo es nötig ist, verstärkt, ohne durch ein Überkühlen unproblematischer Flächen Luft zu verschwenden.
Speziell zeigt 3 einen Bereich eines Brennkammerflammrohrs mit einer ersten Gruppe 50 von Kühllöchern 44, die eine konventionelle Beabstandung (d.h. der Umfangsrichtungslochabstand S und der axiale Reihenabstand P betragen beide etwa 6,5 Lochdurchmesser oder 0,13 Zoll (3,30 mm)) aufweisen, und einer zweiten Gruppe 52 von Kühllöchern 44 (, die durch gestrichelte Linien in 3 eingegrenzt ist,) mit einem engeren Umfangsrichtungslochabstand S'. Die Kühllöcher 44 der zweiten Gruppe 52 weisen vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,02 Zoll (0,51 mm) und einen Umfangsrichtungslochabstand S' von etwa vier Lochdurchmessern oder 0,08 Zoll (2,03 mm) auf. Der axiale Reihenabstand P in der zweiten Gruppe 52 ist der gleiche wie derjenige der ersten Gruppe 50. Durch Verwendung des gleichen Lochdurchmessers und des gleichen axialen Reihenabstands P sowohl für die erste Gruppe 50 als auch für die zweite Gruppe 52 können Bearbeitungsvorgänge kontinuierliche durchgeführt werden, ohne dass ein zusätzlicher Einstellvorgang erforderlich ist.
Wie oben erwähnt kann die engere Kühllochbeabstandung überall verwendet werden, wo die Kühlfilmwirksamkeit verschlechtert ist. Die zweite Gruppe 52 aus 3 ist unmittelbar stromabwärts einer großen Öffnung oder eines großen Loches 54 in dem äußeren Flammrohr 12 angeordnet, um den störenden Wirkungen entgegen zuwirken, die der Nachlauf des Loches 54 auf den Kühlfilm dort hat. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung kann das Loch 54 eine beliebige Art von in einem Brennkammerflammrohr gebildetem Loch sein, wie z.B. ein Verdünnungsloch, eine Endoskopöffnung oder eine Zünderöffnung. Die zweite Gruppe 52 könnte auch irgendwo auf dem Flammrohr 12 angeordnet sein, das einem durch Verwirbeler hervorgerufenem Auftreffen ausgesetzt ist. Es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine einzige Gruppe von Kühllöchern mit einem engerem Umfangsrichtungslochabstand beschränkt ist. Wenn es erforderlich ist, können an unterschiedlichen Stellen auf einem einzigen Brennkammerflammrohr mehrere Gruppen von Kühllöchern mit engerem Umfangsrichtungsabstand gebildet werden.
Das Vorangegangene hat ein durch Mehrloch-Filmkühlung gekühltes Brennkammerflammrohr beschrieben, das dicht gepack te Gruppen von Kühllöchern in Bereichen aufweist, die eine erhöhte Wirksamkeit der Kühlung benötigen.

Claims

Gasturbinenbrennkammerflammrohr, das aufweist: Eine ringförmig ausgebildete Ummantelung (12 oder 14), die eine darin gebildete große Öffnung (54) aufweist, wobei die große Öffnung ein Verdünnungsloch, eine Endoskopöffnung oder eine Zünderöffnung ist, eine erste Gruppe (50) von Kühllöchern (44), die in der Ummantelung (12 oder 14) ausgebildet sind, und eine zweite Gruppe (52) von Kühllöchern (44), die in der Ummantelung (12 oder 14) unmittelbar stromabwärts von der großen Öffnung (54) ausgebildet sind, wobei die Kühllöcher (44) der zweiten Gruppe (52) näher beabstandet sind, als die Kühllöcher (44) der ersten Gruppe (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühllöcher (44) der ersten und zweiten Gruppe (50, 52) alle in Serien von denselben sich in Umfangsrichtung erstreckenden Reihen (46) angeordnet sind, wobei benachbarte Kühllöcher (44) in jeder Reihe (46) einen Umfangsrichtungslochabstand (S, S') aufweisen, der zwischen den Gruppen verschieden ist, und benachbarte Reihen (46) einen axialen Reihenabstand (P) aufweisen, der für alle Gruppen der gleiche ist.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 1, bei dem die große Öffnung (54) ein Verdünnungsloch ist.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 1, bei dem die große Öffnung (54) eine Endoskopöffnung ist.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 1, bei dem die große Öffnung (54) eine Zünderöffnung ist.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 1, bei dem der Umfangsrichtungslochabstand (S) der ersten Gruppe (50) der Kühllöcher (44) gleich dem axialen Reihenabstand (P) der ersten und zweiten Gruppe (50, 52) der Kühllöcher (44) ist.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 1, bei dem die Kühllöcher (44) der ersten und zweiten Gruppe (50, 52) alle einen einheitlichen Durchmesser aufweisen.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 6, bei dem der Umfangsrichtungslochabstand (S) der ersten Gruppe (50) der Kühllöcher (44) gleich etwa 6,5 Lochdurchmessern ist.
Brennkammerflammrohr nach Anspruch 7, bei dem der Umfangsrichtungslochabstand (S) der zweiten Gruppe (52) der Kühllöcher (44) gleich etwa 4 Lochdurchmessern ist.