NO162887B - Stoetstraalekjoelt overgangskanal. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en støtstrålekjøleinnretning for kjøling av en overflate på en overgangskanal anbrakt mellom en forbrenner og et turbintrinn i en gassturbinmotor for stor belastning, hvor overgangskanalen er anbrakt i et komprimert luftplenum.

En gassturbinmotor for stor belastning inneholder vanligvis flere sylindriske brennkammertrinn drevet parallelt for å produsere varme energigasser for innføring inn i det første turbintrinn i motoren. Det første turbintrinn mottar fortrinnsvis den varme gassen i en ringform. En overgangskanal anbringes mellom hvert forbrenningstrinn og det første turbintrinn, for å forandre gasstrømmen etter hver forbrenning fra en generelt sylindrisk form til en ringform. Gass-strømmen fra alle overgangskanaler frembringer således den ønskete ringformete strpm.

Som kjent er den termodynamiske virkningsgrad av en varme-motor avhengig av maksimumtemperaturen på driftsfluidet som i tilfelle av en gassturbin, er den varme gassen som kommer fra forbrenningstrinnene. Den varme gassens maksimumtempera-tur er begrenset av driftstemperaturgrensen for metalldelene i kontakt med denne varme gass, og av evnen til å kjøle disse deler under den varme gasstemperatur. Oppgaven med å kjøle overgangskanalen i en avansert gassturbinmotor for stor belastning, som er den type tiltenkt av oppfinnelsen,

er vanskelig fordi kjente kjølemetoder enten er utilstrekke-lige, eller har uakseptable ulemper.

I en konvensjonell gassturbinmotor for stor belastning, er hele den ytre overflate av overgangskanalen utsatt for relativt kjølig luft fra kompressoren som forsyner hele luftstrømmen for gassturbinen. Strømmen av luft over det ytre av overgangskanalen til forbrenningskammeret gir passiv kjøling. Noen deler av overgangskanalens ytre blir relativt godt kjølt ved passiv kjøling, mens andre deler blir dårlig kjølt. Dessuten er delene av overgangskanalens ytre som blir dårligst kjølt, generelt i de strukturmessige svakere områder som også er områder som er varmet mest opp av den varme gassen. For å unngå feil som resultat av for høye metalltemperaturer, må den maksimale utgangstemperatur fra forbrenningskammeret begrenses av den maksimale tillatte metalltemperatur på de dårligst kjølte områder på overgangskanalen. Siden utgangstemperaturer fra tyngre gasstur-binforbrenninger, har blitt øket for å forbedre den termiske effektivitet, har forskjellige anordninger for aktiv kjøling av de relativt varme områder på overgangskanalen blitt anvendt. I en avansert gassturbin for stor belastning hvor forbrenningskammerets utgangstemperatur er vesentlig høyere enn de omtrent 2000 grader som er vanlig for gassturbiner for stor belastning, må hele overflaten av overgangskanalen bli aktivt kjølt slik at metalltemperaturene holdes innenfor et akseptabelt nivå.

Kjente metoder for å kjøle sidene på forbrenningskammeret, tillater luft ut fra kompressoren å passere gjennom forbrenningskammerets side for deretter å føre den langs innsiden som en film for å beskytte den fra direkte kontakt med den varme gass. Dette arrangement får brennkam-merets side til å fungere vesentlig under temperaturen på den varme gassen. Denne filmkjølemetode er blitt anvendt i begrensete områder på overgangskanalen spesielt de dårligst kjølte områder som beskrevet ovenfor. Imidlertid er bruken av slik filmkjøling begrenset av luft som er tilgjengelig bare for å kjøle forbrenningskammeret og overgangskanalens sider. Denne mengde er typisk mindre enn tredve prosent av den totale luftstrøm som er tilgjengelig fra forbrenningskammeret . I en avansert gasturbinmotor for stor belastning, er praktisk talt all tilgjengelig luft som er tilgjengelig for filmkjø-ling, nødvendig for å kjøle forbrenningskammerets sider og svært lite er tilgjengelig for å kjøle overgangskanalens sider. Denne begrensete tilgjengelighet av kjølende luftstrøm kommer av at omkring halvparten av den totale luftstrøm fra forbrenningskammeret kreves for fullstendig forbrenning av brenselet og en annen fjerdedel av luft-strømmen er nødvendig for oppløsning og forming av den varme gassprofil fra forbrenningskammeret som kreves av det første turbintrinn for akseptabel effektivitet og kompo-nent levetid. Disse forhold kan endres litt avhengig av spesielle konstruksjonsvalg for gassturbinmotoren, men et stort antall praktiske hindringer blokkerer store avvik fra

disse forhold.

En annen kjøleteknikk som er blitt funnet brukbar for å kjøle yttersiden av overgangskanalen, anvender en støtplate, avbøynirigsplate eller skive anbrakt et lite stykke vekk fra overgangskanalens ytterflate. Støtplaten omfatter en rekke huller hvor kompressorens uttømmende luft passerer gjennom og frembringer en rekke luftstråler som støter mot og kjøler ytterflaten av overgangskanalen.

U.S. patent nr. 3,652,181 viser en slik støtvis kjøleteknikk for en overgangskanal hvor støtplaten omgir bare en del av overgangskanalen. Etter støt mot overflaten som skal kjøles, strømmer den brukte luft videre inn i rommet mellom overgangskanalens ytterflate og støtplaten mot huller i overgangskanalen. Luften som passerer gjennom disse huller blandes med og reduserer den høye gasstemperatur like foran innerområdet av turbinbladene og hjelper således til å redusere metalltemperaturen i denne del av turbinbladene. Avhengig av varmeoverføringstakten fra den varme gass og den maksimalt tillatte metalltemperatur, kan denne fremgangsmåte bruke mindre kjøleluft enn filmkjøling for å opprettholde akseptable metalltemperaturer, og kan derfor brukes i kombinasjon med filmkjøling for ytterligere senking av metalltemperaturen. Selv kombinasjonen med støtvis kjøling og filmkjøling for en overgangskanal ville imidlertid kreve mer kjøleluft enn hva som er tilgjengelig i en avansert gassturbin for stor belastning.

En ytterligere forklaring på støtvis kjøling av en gassturbin forbrenningskomponent er funnet i U.S. patent nr. 4,339,925. Selv om den er rettet mot kjøling av en type gassturbin forbrenningskomponent som er helt forskjellig fra det som oppfinnelsen er rettet mot, viser denne patent typiske elementer fra et støtvis kjølesystem. Det er der vist et deksel som har en rekke huller hvor kjøleluft passerer gjennom for deretter å støte mot en varm gasskasse mot forbrenneren. En utførelse er vist og beskrevet hvor den støtvise luft strømmer langs den varme gasskasse, for til slutt å gå inn i forbrenningsprosessen. En begrenseran-ordning er vist for å hjelpe på utstrømming av luft fra rommet mellom varmegasskasse og det perforerte deksel. Denne patent erkjenner at antallet innstrømmingsåpninger såvel som avstanden mellom dekselet og den varme gasskasse, representerer variabler som kan brukes for å få frem de kjølevirkninger som situasjonen krever.

Det fremgår fra kjent teknikk som vist i U.S. patent nr. 3,652,181 og 4, 339,925, at støtvis kjøling av en forbrennerkomponent enten kan forbruke en del av luftstrømmen som er tildelt forbrenningsprosessen, eller utføres i serie med forbrenneren slik at luften som brukes til å kjøle en forbrennerkomponent etterpå kan brukes i forbrenningsprosessen. Det er denne seriekopling for å kjøle en overgangskanal som denne oppfinnelse er rettet mot.

Av grunner som er velkjent for fagmannen i gasstur-binkonstruksjoner, vil det oppstå et trykkfall eller tap i forbindelse med det å tvinge kompressorutløpsluft gjennom åpninger i forbrennerveggen og å blande og brenne denne sammen med brenselet. Dette samme trykkfall hjelper på filmkjølingen av forbrenneren og spredning av luftstrålen som i sin tur former temperaturmønstret av luft som kommer fra de tidligere deler av forbrenneren. Typisk faller dette trykk mellom to og fire prosent av kompressorens utløps-trykk og på grunn av termisk effektivitet er dette holdt så lavt som mulig. Hvis trykkfallet blir for lavt, vil dårlig blanding av brenselet og luft, og medfølgende dårlig forbrenning, oppstå. Hvis trykkfallet er for høyt, vil gassturbinens termodynamiske virkningsgrad reduseres.

For å oppnå støtvis kjøling, er et trykkfall nødvendig over støtplaten, for derved å tvinge kjøleluften gjennom hullene i tilstrekkelig høy hastighet for å oppnå den nødvendige varmeoverføringstakt. Generelt er høyere kjølehastigheter oppnådd ved et høyere trykkfall. Således vil det fremgå at ved å anvende støtvis kjøling av overgangskanalen i et seriearrangement med luftstrøm, vil dette frembringe et ekstra trykkfall i forbrenningssystemet som, hvis det ikke holdes på lavest mulig nivå, vil forårsake en reduksjon i den termiske virkningsgrad som er større enn økningen som kan oppnåes ved å heve forbrennerens utløps-temperatur.

Trykkfallet i et støtvis kjølesystem er vesentlig generert av to komponenter. Først vil det være nødvendig med et trykkfall for å akselerere luften gjennom støtplate-hullene for å danne strålene som støter mot overflaten som skal kjøles. Det andre er mer skjult, og er for en stor del oversett i andre kjente støtvise kjøleanvendelser.

Hvis den forbrukte støtluft skal brukes i forbrenneren, må den oppsamles og bringes til forbrenneren. Oppsamlingen finner naturlig sted mellom støtplaten og ytterflaten av overgangskanalene, og det vil fremgå at dersom man beveger seg mot forbrenneren, må luftstrømshast-igheten stadig øke ettersom mer luft blir oppsamlet. Den andre trykkfallskomponent oppstår på grunn av nødvendig-heten av å reakselerere hvert ekstra kvantum av brukt støtluft til den hastigheten som luften har som allerede beveger seg mot forbrenneren.

Varmeoverføringens lokale størrelse i et støtvis kjølesystem er bestemt av et antall variabler. Især omfatter disse variabler kjøleluftegenskaper, den lokale avstanden mellom støtplaten og overgangskanalens overflate, hullstørrelsen, mellomrom og utforming, støtluftens strålehastighet, og hastigheten av luftstrømmen loddrett på luftstrålen slik som for eksempel luft som kommer fra oppsamling av brukt støtluft.

Det vil fremgå at antall variabler som påvirker både varmeoverføringsstørrelsen og trykkfallet i hele det støtvise kjølesystem, er store. Oppfinnelsen retter seg mot samspillet av disse variabler for en vellykket konstruksjon av en fullstendig kjølt overgangskanal for en avansert gassturbinmotor for stor belastning.

En luftstråle som kommer fra en åpning i støtplaten må krysse mellomrommet som separerer støtplaten fra overflaten som skal kjøles, og må støte mot overflaten som skal kjøles med tilstrekkelig hastighet og tilstrekkelig mengde for å få til den ønskete kjøling. Analysen av en slik strålestøt er relativt enkel når bare én enkelt stråle er aktuell. Når en rekke stråler blir brukt vil imidlertid støtluften som strømmer vekk etter støtet fra en stråle, fanget mellom overflaten som blir kjølt og støtplaten, ha en tilbøylighet til å produsere en tverrstrøm av luft som blander seg med kjølevirkningen fra andre stråler, især de nedadgående i retning langs med den som støtluften må strømme for å komme ut av det innelukkete rom. Det vil si at en tverrstrøm av luft som passerer gjennom mellomrommet mellom en åpning og overflaten som skal kjøles kan hindre den åpningsproduserte luftstrøm fra å nå overflaten som skal kjøles, eller kan redusere effektiviteten på endel av luftstrålen som skal nå overflaten som skal kjøles. De aktuelle kjølevirkninger av en rekke stråler er vanskelig å forutsi, og kan bare beregnes empirisk.

Jo større tverr strømshastigheten er dess mer vil tverrstrømmen forstyrre effektiviteten av luftstrålene. I tilfellet med en støtvis kjølt overgangskanal hvor all støtluft må strømme utover fra mellom overgangskanalen og støtplaten, øker mengden av tverretrømmende luft og dens hastighet systematisk ettersom den beveges mot utløpet. Den økte hastighet kan delvis eller helt ødelegge effektiviteten av støtstrålene rettet nedover. Det kan være av denne grunn at et antall tidligere innretninger som anvender støtvis kjøling av en overgangskanal (eller en varm gasskasse), sørger for injeksjon av den anvendte støtluft inn i det innvendige av overgangskanalen. Som beskrevet er denne ueffektive bruk av tilgjengelig kjøleluft uakseptabel for en avansert gassturbinkonstruksjon for stor belastning.

Følgelig er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et støtvis kjølesystem for en overgangskanal som overvinner ulempene med tidligere kjent teknikk.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved hjelp

av de karakteristiske trekk angitt i den kjennetegnende del av krav 1.

Forskjellige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav. Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et forenklet riss delvis i tverrsnitt, av en forbrenner og en overgangskanal som anvender kjøling ifølge kjent teknikk, figur 2 er et tverrsnitt av en plate som skal kjøles og en støtplate som det refereres til for å beskrive virkningen av luftkrysstrøm på ytelsen av støtstråler, figur 3A er et forenklet riss delvis i tverrsnitt av en forbrenner og en overgangskanal som anvender støtkjøling ifølge en utførelse av oppfinnelsen, figur 3B er et forenklet riss delvis i tverrsnitt av en forbrenner og en overgangskanal som anvender støtkjøling ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen, figur 4 er et forstørret riss av en utløpsdel av strømomfanget i figur 3, figur 5 er et tverrsnitt etter linjen v-V i figur 3, figur 6 er et tverrsnitt etter linjen, VI-VI i figur 5, figur 7 er et tverrsnitt etter linjen VII-VII i figur 6.

Idet det henvises først til figur 1 er det vist generelt ved 10 en del av en gassturbinmotor ifølge kjent teknikk. Gassturbinmotoren 10 omfatter flere forbrennere 12 hvorav bare en er vist som er fordelt jevnt i forhold til en langsgående akse på denne. I en type gassturbinmotor anvendes ti forbrennere 12. Brennstoff og primær forbren-ningsluft blir innført inn i forbrenneren 12 gjennom en brennstoffdyse 14. Brennstoffet og luft som blir antent av en tennplugg 16, brenner inne i forbrenneren 12. Varmepro-duktene fra forbrenning og oppvarmet overskuddsluft passerer gjennom en overgangskanal 18 til innløpsenden av turbintrinnet 20.

Forbrenner 12 og overgangskanalen 18 er innelukket i et overtrykksrom 22 hvor det tilføres komprimert luft fra et kompressorutløp 24 på gassturbinmotoren 10. Komprimert luft fra kompressorutløpet 24 strømmer langs overflaten av forbrenneren 12 hvor det trenger inn i det innvendige av forbrenneren 12 gjennom vanlige hull (ikke vist) i overflaten. Luften som således kommer inn i forbrenneren 12 slutter seg til forbrennerreaksjonen nedstrøms av brennstoff dysen 14, eller kan bli rettet som en kjølefilm langs innerflaten av forbrenneren 12. Noe komprimert luft kan også brukes for å fordele den varme gassen, for å kontrollere og profilere temperaturen på avløpet fra forbrenneren 12. En strømningskappe 26 kan anbringes rundt forbrenneren 12 for å få bedre luftstrømmer langs sidene på denne.

Ytterflaten på overgangskanalen 18 er konvektivt kjølt ved hjelp av komprimert luft som strømmer fra kompressorens uttak 24 mot forbrenneren 12. En radial innerflate 28 på overgangskanalen 18 er anbragt i den direkte strøm av komprimert luft ettersom den forandrer retning etter utstrømning fra kompressorutløpet 24.Særlig er en del 30 av den radiale innerflate 28 nærmere en forbrennerende 32

på overgangskanalen 18, mer enn tilstrekkelig kjølt. En del 34 på den radiale innerflate 28 nærmere en turbinende 36 blir kjølt mindre sterkt. På den annen side blir en radial ytterflate 38 på overgangskanalen 18 beskyttet fra den direkte strøm av komprimert luft fra kompressorutløpet 24.

En del 40 av den 'radiale ytterflate 38 nærmere forbrennerenden 32 blir kjølt med komprimert luft som strømmer rundt omkretsen av overgangskanalen 18 på veien mot forbrenneren 12. Slik kjøling er vesentlig mindre effektiv enn ved den radiale innerflate 28. En del 42 av den radiale ytterflate 38 nærmere turbinenenden 36 blir dårligst kjølt siden meget lite komprimert luft sirkulerer forbi denne. Således har kjøleeffektiviteten på overkanalen 18 en tilbøylighet til å minske fra forbrennerenden 32 til turbinenden 36. Kjøleproblemet på delen 42 er dessuten komplisert ved at den varme gass som strømmer inn i overgangskanalen 18 brått vendes om i dette området. Således vil konvektiv varmeoverføring av meget høy effektivitet fra den varme gassen, virke på del 42. Følgelig vil del 42 bli den varmeste del på overgangskanalen 18 og vil effektivt begrense temperaturen av den varme gassen som kan komme dit fra forbrenneren 12. For dessuten å begrense maksimum gasstemperatur, kan den resulterende ujevne temperatur på overgangskanalen 18 frembringe brysomme termiske ekspansjonsmønstre og muligens forårsake tidlige feil på overgangskanalen 18.

Hvis en temperaturvariasjon er akseptabel på overgangskanalen 18, er ovennevnte temperaturmønster nøyaktig motsatt det ønskete mønster. Det vil si at delene 34 og 42 nær turbinenden 36 på overgangskanalen 18 er mindre robust enn delene 30 og 40 nær forbrennerenden 32 og er således mindre i stand til å motstå høyere temperaturer. Minste del av denne reduksjon av robusthet kommer fra forbindelsen av en bakre støtte 44 til delen 42. Ideelt burde temperaturene på delene 30 og 40 være omtrent like og kan tillates å øke vesentlig høyere temperaturene på delene 34 og 42. Temperaturene på delene 34 og 42 bør være omtrent like.

Før den støtvise kjøleteknikk ifølge oppfinnelsen blir omtalt, vil det først bli en kort diskusjon for å hjelpe til å forstå fremleggelsen.

Med henvisning nå til figur 2 er det vist en plate 46 hvor overflaten skal kjøles ved hjelp av støtvis kjøling. En støtplate 48 anordnet i avstand fra overflaten av platen 46 er gjennomhullet av flere huller 50, 52 og 54. En lukket ende 56 som overbygger platen 46 og støtplaten 48 danner et kammer 58. Et utløp 60 i kammeret 58 er den eneste åpning hvor all luft som føres inn gjennom hullene 50, 52 og 54 må strømme ut av.

Det vil fremgå at et trykkfall over støtplaten 48 er effektivt for å frembringe luftstråler som strømmer gjennom hullene 50, 52 og 54. Hull 50 som er nærmest til den lukkete ende 56 danner en støtstråle som støter mot platen 46. Etter støt på platen 46 må luften fra hullet 50 strømme mot utgangen 60 som vist ved en luftstrøms pil 62. Luft i støtstrålen dannet ved hullet 52, hvis strøm er vist ved en luftstrømspil 64, må gjennomtrenge tverrstrømmen som dannes av luft innblåst av hull 50. Hvis man forutsetter at luftmengden innblåst i kammer 58 av huller 50 og 52 er like, vil mengde luft dannet i den kombinerte luftstrøm fra hullene 50 og 52 være dobbelt så stor som mengden fra bare hullet 50. Følgelig er den kombinerte luftstrøm nedstrøms fra hullet 52 dobbelt så stort som mengdene, og dobbelt så stor som hastigheten av tverr strømningsluften ved luft-strømspil 62 ved hullet 52. Denne kombinerte mengde danner krysstrøm gjennom hvilket hullet 54 må rette sin stråle mot platen 46. All luften som passerer nedstrøms fra hullet 54 har tre ganger hastigheten til den som passerer oppstrøms fra hullet 52. Ettersom tverr strømshastigheten øker med økende nedstrøms avstand, vil støtstrålenes evne til å nå, og effektivt å kjøle overflaten av platen46 minske.

Utførelsen av oppfinnelsen vist i figur 3A som det nå vil bli referert til, muliggjør tilpasning av kjølingen for å få frem ønsket temperaturmønster på overgangskanalen 18. En støtplate 66 som omgir og er i avstand fra overgangskanalen 18 danner et strømningsrom. 68 som er i det vesentlige tett ved turbinenden 36 og er åpen ved forbrennerenden 32. Støtplaten 66 er gjennomhullet av et stort.antall åpninger 70 for å føre flere støtstråler som støter mot overgangskanalen 18. Siden all støtluft må strømme mot utløpet 72 ved forbrennerenden 32, som forklart tidligere, må dens massestrøm øke systematisk mot utløpet 72.

Det er viktig å begrense det totale trykkfall over støtplaten, eller forskjellen mellom trykket i plenum 22 (kompressorens tømmetrykk) og ved utløpet 32 fra strømrom-met 68. For eksempel kan det være ønskelig å begrense dette trykkfallet til mindre enn to prosent av kompressorens tømmetrykk. Som forklart tidligere kommer det totale trykkfall gjennom støtplaten 66 fra oppsamling av trykkfall over åpningene 70 og trykket som kreves for å akselerere den forbrukte støtluft opp mot tverrstrømningshastigheten i strømningsrommet 68.

Som kjent varierer hastigheten av en gass som strømmer inn i en lukket kanal omvendt med tverrsnittsare-alet av kanalen. Det vil fremgå at høyden på strømningsrom-met 68 øker fra turbinenden 36 til forbrennerenden 32. Dette kan føre til reduksjon av luftstrømshastigheten nær utløpet 72 sammenliknet med hastigheten av luften som ville oppnåes hvis en mindre høyde av strømningsrommet 68 fortsatte gjennom hele lengden. Således kan man dra fordel av en liten høyde på strømningsrommet 68 nær turbinenden 36 hvor tverr strømningsmassens strømningshastighet er liten, mens hastigheten av tverrstrømmen nær utløpet 72 fremdeles begrenses.

Når avstanden mellom støtplaten 66 og overgangskanalen 18 er større, vil en større massestrømshastighet kreves fra en støtstråle for at den kan støte mot overgangskanalen 18 med den tilstrekkelige hastighet for å oppnå tilstrekkelig kjøling. En øket massestrømshastighet kan oppnåes uten å øke trykkfallet over støtplaten 66 ved å gjøre åpningene 70 større nær utløpet 72 enn nær turbinenden 36. Den totale luftstrømstetthet frembrakt av rekken med større åpninger 70 kan gjøres større enn, likt med eller mindre enn den totale luf tstrømstetthet i den rekken av området som har mindre åpninger 70, ved å variere mellomrommet mellom båndene av åpningene 70, og ved å variere mellommrommet mellom åpningene 70 i ett bånd. Alle disse variabler er vist i figur 3. Det vil si at åpningene 70 i det første bånd med åpninger rundt støtplaten 66 nærliggende turbinenden 36, er vist tettere anordnet enn de i det siste bånd av åpningen 70 nærliggende utløpet 72. Også mellamrommet mellom de første to bånd med åpninger ved turbinenden 36 er mye mindre enn mellomrommet mellom de siste to bånd med åpninger nærliggende utløpet 72.

Systematisk variasjon av hull mot hull og bånd mot bånd mellomrom kan sees i mellomliggende punkter.

Fleksibiliteten av den overflatekjøling som tilbys av en av de ovenfornevnte variabler, tillater tilpasning av kjølingen til behovet i hvert enkelt tilfelle. Når variab-lene blir kontrollert i par, eller sammen, blir vesentlig fullstendig kontroll av støtvis kjøling av overgangskanal 18 oppnådd ved et akseptabelt lavt trykkfall over støtpla-ten 66.

Med videre referanse til figur 3A, tillater åpninger 70' i strømrøret 26 at del av forbrennings luf tstrøm-men som ikke passerer gjennom støtplaten 66 kombineres med støtluftstrømmen som tidligere er brukt for å sette igang forbrenning. Antallet, størrelsen og fordeling av åpninger 70' er utvalgt for å få frem den ønskete luftstrøm og det totale trykkfall for støtplaten. En pakning 73 mellom strømrøret 26 og støtplaten 66 tillater betydelig forskyvninger mellom dem, men hindrer samtidig luftstrøm fra å komme inn ved deres sammenkoplingssted. En slik inntreden ville forrykke balansen av luftstrømsfordelingen mellom dem. Det vil fremgå at på grunn av at luftstrømmen gjennom åpningene 70' er loddrett på den støtvise luft-strøm, vil det være nødvendig med et ekstra trykkfall for å akselerere denne luftstrøm opp mot den nye tverrstrømnings-hastighet basert på summen av den støtvise luftstrøm, luft-strømmen gjennom hver rad av åpninger 70<*>og det runde strømningsområdet mellom strømrøret 26 og forbrenner 12.

En alternativ utførelse av oppfinnelsen vist i figur 3B er helt lik den som er vist i figur 3A. Hovedfor-skjellen er ved utformingen av strømrøret 26 og forbindelsen mellom utløpsenden 32 av støtplaten 66 og den utvidete inngangsdel 74 av strømrøret 26. Et forstørret riss av denne forbindelse er vist i figur 4 hvor utløpet 72 er omgitt av en utvidet inngangsdel 74 av strømrørets 26, som danner en ringformet strømpassasje 78. Den ringformete strømpassasje 78 er istedenfor åpninger 70' (figur 3A) og

.har et område som er beregnet til å tillate den nødvendige luftstrøm å passere mens den skaper det nødven-dige totale trykkfall for støtplaten 66. På grunn av at trykkfallet fra overtrykksrommet 22 til utløpet av den ringformete

strømpassasje 78 er lik det totale trykkfall over støtpla-ten 66, blir luftstrømshastigheten ut fra den ringformete strømpassasje 78 betydelig høyere enn hastigheten ved utløpet 72. Ettersom disse to strømmer løper sammen inn i strømrøret 26, oppstår det en gunstig hastighetsoverføring for støtplatens strøm som derved skaper et lavtrykksområde i nærheten av utløpet 72 som således tjener til å rense brukt støtvis kjøleluft fra strømningsrommet 68. Nettovirk^

ningen av denne renseoperasjonen er å redusere det totale trykkfall mellom overtrykksrommet 2 2 og det innvendige av strømrøret 26, sammenliknet med det som oppnåes i utførelsen vist i figur 3A for det samme totale trykkfall gjennom støtplaten 66. Denne utførelse krever nøyaktig kontroll av størrelsen på den ringformete strømpassasje 78 for å oppnå jevn strømfordeling og trykkfall mellom ti eller flere forbrennere som virker i parallell, slik som tilfelle er ved

konvensjonelle eller avanserte gassturbinmotorer for stor belastning.

Med referanse nå til figur 5, omfatter den bakre støtte 44 en generell sirkulær vegg 80 sveiset vesentlig rundt hele kanten til overgangskanalen 18 og som strekker seg gjennom en sirkulær åpning 82 i støtplaten 66, og således danner et blindt skålformet rom: 84 som er åpen

■not overtrykksrommet 22 ved den øvre ende, men som er i det. vesentlige lukket ved dens nedre ende. En fullstendig redegjørelse av strukturen og funksjonen av den bakre støtte 44 finnes i U.S. patent nr. 4,422,288 hvis redegjørelse er tatt med her av referansehensyn. Det vil fremgå at overgangskanalen 18 er bøyet utover mot det skålformete rom 84 i dette tverrsnitt. Den følgende forklarte teknikk for å frembringe kjøling til den del av overgangskanalen 18 som er omsluttet i den sirkulære vegg 80, gir et utmerket eksempel på

kraften og fleksibiliteten for å tilpasse den støtvise kjøling av en overflate, hvor forskjeller i varmebelastning, avstand og lufttverrstrømninger er tatt hensyn til.

Et støtinnlegg 86 med en oppadrettet vegg 90 og en plan bunn 92 er tett festet inn i det skålformete hulrom 84 med den plane bunn 92 i avstand fra overflaten av overgangskanalen 18. Den oppadrettete vegg 90 omfatter fortrinnsvis en flens 94 på toppen, for feste til den indre overflate av den sirkulære vegg 80. Flensen 94 er fortrinnsvis festet til den sikulære vegg 80 ved for eksempel sveising. Et ringformet rom 96 mellom den oppadrettete vegg 90 og den sirkulære vegg 80 tillater innlegget 86 og veggen 90 å nå samme temperatur før de er skjøtet ved flensen 94 og således minimere den termiske belastning ved dette punkt. Flere åpninger 98 i den plane bunn 92 tillater trykkluften i overtrykksrommet 22 å danne støtvise stråler for å kjøle en omsluttende overflate 100 på overgangskanalen 18 innenfor den sirkulære vegg 80.

Siden den omsluttende overflate 100 er omgitt av den sirkulære vegg 80, må den brukte støtvise luft utløses fra området mellom støtinnlegget 86 og den omsluttende overflate 100 på en annen måte enn den som ble brukt i den støtvise kjøleteknikk som er beskrevet tidligere. Mengden av kjøleluft som behøves for å kjøle den omsluttende overflate 100 er en ubetydelig del av den totale luftfor-skyning. Det er derfor mulig å ventilere den brukte støtvise luft inn i det innvendige av overgangskanalen 18 ved hjelp av sjiktkjølingsåpninger 102 uten å få noen betydelige ulemper ved redusert effektivitet av luftstrøm-mens bruk.

Med referanse nå også til figurene 6 og 7 (filmkjø-lingsåpninger 102 nedenfor den plane bunn 92 i figur 7 er vist som stiplet linje) er sjiktkjølingsåpninger anbrakt i to forskjøvete rekker 104 og 106 nær oppstrømskanten av den plane bunn 92 i forhold til gasstrømmen innenfor overgangskanalen 18. Som best vist i figur 6 skråner sjikbkjølings-åpningene 102 i retning mot gasstrømmen og fremmer derved sjiktkjøling av innerflaten av overgangskanalen 18 ved at luft passerer gjennom denne. Slik sjiktkjøling endrer meget den lokale varmebelastning nedstrøms av sjiktkjølings-åpningene 102. Dessuten krever plassering av sjik .kjølings-åpningene 102 nær gasstrømmens oppstrømskant på den plane bunn 92 at all støtvis kjøleluft som kommer inn gjennom åpningene 98 må strømme mot rekkene 104 og 106 og derved frembringe en sterk tverrstrøm som kan blande seg med den støtvise kjøling ved hjelp av luftstråler, nær rekkene 104 og 106 som beskrevet tidligere. En ytterligere komplikasjon for å frembringe støtvis kjøling av den omsluttende overflate 100, sees ved en sammenlikning av formen på overgangskanalen 18 inn i den omsluttende overflate 100 i de ortogonale tverrsnitt av figurene 5 og 6. Det vil si at mens den omsluttende overflate 100 i tverrsnittet i figur 5 er nærmere den plane bunn 92 ved dens sentrum enn den er ved dens ytterkant, er det omvendte tilfelle i det langsgående tverrsnitt i figur 6. Således er alle tre variabler som kompliserer tilpasning av kjøling av den omsluttende overflate 100 tilstede. Det vil si at den lokale varmebelastning på den omsluttende overflate 100 er endret ved sjiktkjøling og effektiviteten av de støtvise stråler blir påvirket av lufttverrstrømning, og er videre påvirket ved de endrete avstander hvor strålene må trenge gjennom før de støter mot overflaten av den omsluttende overflate 100.

Henvisning er nå gjort spesielt til figur 7. Åpninger 98 er arrangert i ni rekker 108-124 som hver er på tvers av gasstrømbanen. De tre åpninger 98 nærmest sentrum av hver rekke 114, 116 og 118 er av relativt liten diameter. Denne størrelse er av hensyn til to faktorer, 1) området av den omsluttende overflate 100 er sterkt sjiktkjølt ved sjiktkjølingsåpningene 102, og 2) den plane bunn 92 og den omsluttende overflate 100 er anbrakt relativt nær hverandre som det fremgår ved tverrsnittet gjennom rekken 116 i figur 5. De ytre tre åpninger 98 i rekkene 114, 116 og 118 blir gradvis større som svar på den økende avstand som. de støtvise stråler må rettes over (se figur 5).

Rekkene 108 og 124 inneholder åpninger 98 av mellomstørrelse og er tettere sammen. Dette som svar på kombinasjonen av den kortere avstand mellom den plane bunn 92 og den omsluttende overflate 100 ved disse plasseringer (se figur 6), og at det ikke er noen oppstrømsstøtvise stråler som frembringer en tverrstrøm som kan forstyrre retningen av kjøleluft på den omsluttende overflate 100. Rekke 110 og 122 inneholder åpninger 98 av større størrelse og i større avstand fra hverandre for å kompensere for nærværet av tverrstrøm fra de oppstrømmende støtstråler såvel som den økete avstand (se figur 6).

Fra det foregående er det klart at oppfinnelsen er i stand til å tilpasse kjøling ved støtstråler over et område hvor de tre variabler med varmebelastning, avstand og luftkrysstrøm er tilstede i uavhengige felter over de aktuelle områder. I utførelsen av oppfinnelsen hvor overflateområdet av overgangskanalen 18 er kjølt ved å bruke støtplate 66, er lufttverrstrømshastigheten

styrt ved hensiktmessig økning av avstanden mellom overgangskanalen 18 og støtplaten 66 og å kompensere for øket avstand ved å øke diametrene av åpningene 70.

Avstanden mellom åpningene 70 av større diameter økes for å kontrollere luftmassens strømningstetthet. I utførelsen av oppfinnelsen hvor den omsluttende overflate 100 inn i den bakre støtte 44 blir kjølt, er avstanden generelt fastsatt ved utformingen av overgangskanalen 18.

De varierende avstander er tilpasset ved passende regulering av diameter og avstand av åpningene 98. Dessuten er problemet med disponering av den tilbrakte støtluft løst ved å bruke den tilbrakte støtluft for sjiktkjøling og ved videre å modifisere diameteren og avstanden av åpningene 9 8 for å kompensere for den resulterende variasjon i varmebelastning over den omsluttende overflate 100.

Claims (5)

1. Støtstrålekjøleinnretning for kjøling av en overflate på en overgangskanal (18) anbrakt mellom en forbrenner (12) og et turbintrinn (20) i en gassturbinmotor (10), hvor overgangskanalen (18) er anbrakt i et komprimert luftplenum (22), KARAKTERISERT VED at den omfatter: - en støtstrålehylse (66) som omgir hver overgangskanal (18) omtrent sammenfallende dermed og med en ende (32) nærliggende forbrenneren (12) og den andre ende nærliggende turbintrinnet (20); en lukket ende (36) mellom støtstråle-hylsen (66) og overgangskanalen (18) ved turbinenden; støt-strølehylsen (66) er anbrakt med mellomrom med en radiell avstand fra overgangskanalen (18) langs overgangskanalens (18) aksielle lengde, idet den radielle avstand er større ved forbrennerenden enn ved turbinenden; og - et stort entall åpninger (70) dannet i støtstråle-hylsen (66), hvor åpningene er større og anbrakt med mellomrom lenger fra hverandre ved forbrennerenden enn ved turbinenden.

2. Støtstrålekjøleinnretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den videre omfatter - et utløp (72) i en forbrennerende (32) av strømnings-volumet (68), - en strømningshylse (26) innenfor det komprimerte luftplenum (22) som omgir forbrenneren (12), - en utvidet inngangsdel (74) i en ende av strømnings-hylsen (26) som overlapper utløpet (72) og danner en aero-dynamisk konvergerende form derimellom, og - en strøm av luft gjennom den aerodynamiske konvergerende form som strømmer mot forbrenneren (12) er virksom for å redusere et trykk i utløpet (72) under et trykk i det komprimerte luftplenum (22) hvorved et trykkfall over støt-strålehylsen (66) danner en støtstråle av luft fra hver av åpningene (70) rettet mot overgangskanalen (18).

3. Støtstrålekjøleinnretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den videre omfatter: - en strømningshylse (26) som omgir forbrenneren (12) og omtrent sammenfallende dermed, - en ringformet pakning (73) mellom strømningshylsen (26) og støtstrålehylsen (66), og - et stort antall åpninger (70') dannet i strømningshylsen (26) hvorved en del av forsyningen av komprimert luft som ikke passerer gjennom støtstrålehylsen (66) føres sammen med den brukte støtstråleluftstrøm.

4. Støtstrålekjøleinnretning.ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at overgangskanalen (18) har en bakre støtte (44) med en kontinuerlig vegg (80) festet til overgangskanalen (18), og videre omfattende: - en støtstråleinnsats (86) omfattende et veggparti (90) og en plan bunn (92) tett tilpasset innenfor den bakre støttende kontinuerlige vegg (80), og med den plane bunn (92) anbrakt i en avstand fra overgangskanaloverflaten (100), - et stort antall åpninger (98) dannet i den plane bunn for å rette støtstråleluft mot overgangskanalens (18) overflate, og - et stort antall f ilmkjøleåpninger (102) i overgangskanalen (18), hvorved støtstrålekjøleluft utblåses inn i den varme gasstrøm.

5. Støtstrålekjøleinnretning ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at arealet av og mellomrommet mellom åpningene i den plane bunn (92) er variert i samsvar med avstanden mellom den plane bunn og overgangskanalens (18) overflate.