SE461749B - Anordning vid gasturbinmotor - Google Patents

Description

461 749 rens omgivning, innefattande heta gaser och kylluft, samt nâgra få anordningar för att reducera flödesstrypning i kylslitsarna, vilken orsakas av olika värme- utvidgning, som kan förekomma. I alla dessa'brännkammaranordningar alstrar emel- lertid fortfarande olika värmeutvidgning avsevärd värmespänning.

Sålunda är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett nytt och förbättrat brännkammarfoder.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkoma ett nytt och förbätt- rat brännkammarfoder, som är effektivt för att reducera värmespänning på grund av olika värmeutvidgning.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett nytt och förbättrat brännkammarfoder, som är effektivt för att reducera värmedeformation på grund av olika värmeutvidgning.

Uppfinningen i sammandrag Ett brännkammarfoder för användning mellan en kylfluid och heta förbrän- ningsgaser anges. Brännkammarfodret innehåller närbelägna partier med olika värmeutvidgningskoefficienter, som är effektiva för att reducera spänningar på grund av olika tendens för värmeutvidgning hos de angränsande partierna. I en utföringsform har partier, som utsätts för relativt höga temperaturer, relativt låga värmeutvidgningskoefficienter och partier, som utsätts för relativt låga temperaturer, har relativt höga utvidgningskoefficienter. På detta sätt reduce- ras olika värmeutvidgning, så att därigenom inducerad spänning och deformation reduceras. Närmare bestämt har anordningen enligt uppfinningen erhållit de i krav 1 angivna kännetecknen.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen tillsamans med ytterligare ändamål och fördelar hos denna beskrivs närmare i följande detaljbeskrivning i förbindelse med bifogade ritnin- gar, på vilka fig. 1 är en sektion av en brännkammare hos en gasturbinmotor enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, fig. 2 är en bild i större skala av brännkammarfodret i fig. 1, fig. 3 är en serie bilder, åskådliggörande ett sätt att tillverka ett brännkammarfoder enligt en annan utföringsform av uppfinningen, fig. 4 är en sektion av brännkammarfodret i fig. 2, innefattande material med tre olika värmeutvidgningskoefficienter, samt fig. 5 är en sektion, åskâdliggörande tillverkningen av ett brännkamarfoder med användning av plasma- utfällningsteknik med lågt tryck.

Detaljerad beskrivning I fig. 1 visas en ringformig brännkammare 10 hos en gasturbinmotor enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. Brännkammaren 10 innefattar ett ringformigt, radiellt yttre brännkammarfoder 12 och ett ringformigt, radiellt inre brännkammarfoder 14 på avstånd från detta. Fodren 12 och 14 är anbragta 461 749 koaxiellt kring en centrumlinje 16 i motorn och bildar gränser för brännkamma- ren 18. En yttre kåpa 20 och en inre kåpa 22 är åtskilda från fodren 12 respek- tive 14 och begränsar en ringformig yttre kylluftkanal 24 och en inre ringfor- mig kylluftkanal 26.

Relativt sval trycksatt kompressorutloppsluft 28 tillförs från en kompres- sor (ej visad) till en uppströms dom 30 hos brännkammaren 10. Anbragt i domen 30 finns ett bränslemunstycke 32, som tillför bränsle till brännkammaren 18, där det blandas och antände med tryckluften 28, som på lämpligt sätt leds genom domen 30, för att alstra relativt heta förbränningsgaser 34. Ytterligare kom- pressorutloppsluft 28 leds till brännkammaren 18 genom utspädningshål (ej visa- de), ingående i fodren 12 och 14, för att utspäda förbränningsgaserna 34.

För att skydda de yttre och inre fodren 12 och 14 från de relativt heta förbränningsgaserna 34 är ett flertal ringformiga kylluftkroppar 36 anbragta i fodren 12 och 14. Kropparna 36 mottar kylluft 38, som är en andel av kompressor- utloppsluften 28, genom kanalerna 24 och 26. Kropparna 36 leder kylluften 38 i en kontinuerlig, ringformig lylluftfilm 40 längs inre ytor 42 av brännkammar- fodren 12 och 14. Kylluftfilmen 40 är verksam för att reducera den mängd värme som överförs från förbränningsgaserna 34 till brännkammarfodren 12 och 14 och reducerar sålunda de temperaturer hos dessa som annars skulle förekomma.

I fig. 2 visas mer detaljerat ett parti av brännkammarfodret 12 enligt en utföringsform av uppfinningen. Brännkammarfodret 12 innefattar ett flertal ring- formiga fodersegment 44, vilka är verksamma för att åstadkomma en gräns för de heta förbränningsgaserna 34. Fodersegmenten 44 är anbragta invid och förbundna med kropparna 36. Närmare bestämt är ett bakre ändområde 44b av fodersegmentet 44 på lämpligt sätt fäst, exempelvis genom svetsning vid 44c, vid en främre ände 36a av kroppen 36. En bakände 36b av kroppen 36 är lämpligen fäst, exempelvis genom svetsning vid 36c, vid en framände 44a av ett avgränsande fodersegment 44.

Kroppen 36 samverkar med en bakersta läppande 46 av fodersegmentet 44 för att bilda en ringformig kylluftkammare 48, vilken har en allmänt bågformig profil, och en filmkylslits eller utloppsöppning 50. Kroppen 36 innefattar ett flertal inloppsöppningar S2, vilka är verksamma för att motta kylluften 38 och åstadkom- ma den kontinuerliga, ringformiga kylfilmen 40 genom filmslitsen 50.

Det inses att, emedan kropparna 36 mottar och leder kylluft 38 utan någon direkt exponering för förbränningsgaserna 34, de arbetar vid relativt lägre tem- peraturer än fodersegmenten 44, vilka direkt möter och omsluter förbränningsga- serna 34. Sålunda tenderar fodersegmenten 44, vilka utsätts för temperaturer, som är relativt högre än de som påverkar kropparna 36, att termiskt växa utåt mer än kropparna 36, om de är gjorda av samma material. 461 749 Såsom exempel visas i fig. 2 ett fodersegment med en nominell radie R1 och en kropp 36 med en nominell radie R2, båda med avseende på motorns centrum- linje 16. Emedan fodersegmentet 44 under motorns drift är i medeltal hetare än kroppen 36, kommer det att tendera att expandera mer än kroppen 36. Sålunda kommer R1 att tendera att ökas i värde mer än R2 men hindras delvis från att göra detta av den ringformiga kroppen 36. Denna olika värmeutvidgningstendens mellan fodersegmenten 44 och kropparna 36 inducerar värmespänning i brännkammar- fodret 12. Dessutom tenderar läppen 46, som även utsätts för relativt höga temperaturer, att växa radiellt utåt, med eventuell permanent formförändring, och kan reducera tjockleken av filmslitsen 50.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning har det emellertid visat sig att dessa termiskt inducerade spänningar och olika förskjutningar kan redu- ceras genom tillverkning av det relativt heta fodersegmentet 44 av en legering med en första linjär värmeutvidgningskoefficient C1, som är mindre än hos den relativt svala kroppen 36. Omvänt är kroppen 36 tillverkad av en legering, som har en andra, linjär värmeutvidgningskoefficient C2, som är större än koeffici- enten C1. Den linjära värmeutvidgningskoefficienten, exempelvis C1 och CZ, definieras såsom ökningen i längd av en längdenhet för en temperaturstegring av en grad.

Genom att utföra angränsande första och andra partier, exempelvis foder- segmenten 44 och kroppen 36 respektive av brännkammarfodret 12 med förutbestäm- da olika värmeutvidgningskoefficienter C, respektive C2, kan den radiella värmeutvidgningskoefficienten av dessa partier göras närmare anpassade eller lika. Detta gäller, emedan ohindrad radiell värmeutvidgning är direkt propor- tionell mot temperaturändring och utvidgningskoefficienten.

Om exempelvis TIXC1 = T2xC2, där T1 och T2 betecknar medeltemperaturhöj- ningar över kall vilotemperatur hos närbelägna partier med utvidgningskoeffi- cienter C1 respektive C2, skulle ingen skillnad i värmeutvidgning och därigenom spänning och formförändring utvecklas. Genom att sålunda förse relativt heta och kalla angränsande partier av brännkammarfodret 12 med relativt små respek- tive stora utvidgningskoefficienter för närmare anpassad värmeutvidgning, kan den olika radiella värmeutvidgningen av fodersegmentet 44 och kroppen 36 redu- ceras, så att därigenom termiskt inducerade spänningar och formförändringar reduceras, vilka annars skulle förekomma. Även om fodersegmentet 44 arbetar vid relativt högre medeltemperaturer än de som gäller för kroppen 36, varierar de verkliga temperaturerna av foderseg- mentet 44 och kroppen 36 kontinuerligt genom dessa från ett maximum vid den inre 461 74-9 ytan 42 av fodersegmentet 44 till ett minimum nära inloppsöppningarna 52 i krop- pen 36. För att reducera det värde av spänning för vilket de olika svetsställena 36c och 44c är utsatta, är dessa ställen med fördel anbragta i de partier av fodret 12 som utsätts för en temperatur omkring halvvägs mellan dess maximi- och minimitermperatur.

Det inses givetvis att koefficienterna C, och C2 icke har konstant värde utan beror på temperaturen. För det enkla exemplet ovan representerar koeffi- cienterna C, och C2 medelvärden av dessa för det förväntade området av arbets- temperaturer.

Ett exempel på en lämplig legering för kroppen 36 innefattar en i USA kommersiellt tillgänglig legering benämnd A 286, som har en värmeutvidgnings- koefficient CZ medsvärden av omkring 5,0 x 10'6 per °C vid rumstemperatur och omkring 5,56 x 10' per °C vid 649°C. En lämplig legering för fodersegmentet 44 innefattar en i USA kommersiellt tillgänglig legering benämnd Hastelloy X, med en utvidgningskoefficient med värden mellan omkring 4,3 x 10'6 per °C vid rums- temperatur och omkring 4,8 x 10'6 per °C vid 64900.

Olika alternativa material kan även väljas för att dra fördel av andra materialegenskaper, som är lämpliga, förutom de önskade utvidgningskoefficien- terna. Exempelvis medför möjligheten att tillverka ett brännkammarfoder av flera material den ytterligare flexibiliteten, som härrör från användning av material med förbättrad funktion i brännkamarpartier med låg temperatur, som annars icke skulle användas i en brännkammare av ett enda material, emedan det icke skulle vara lämpligt även för brännkammarpartier med hög temperatur.

En metod att tillverka ett brännkammarfoder, såsom fodret 12 i fig. 2, enligt en utföringsform av uppfinningen, innefattar användning av ett ringform- migt fodersegment 44 med en utvidgningskoefficient C1. En ringformig kropp 36 med en andra utvidgningskoefficient CZ används även och förbinds lämpligen genom svetsning vid 440, exempelvis med ändområdet 44b av fodersegmentet 44, såsom visas i fig. 2. Ett flertal av kropparna 36 och fodersegmenten 44 kan lämpligen förbindas, exempelvis genom svetsning vid 36c och 44d till bildande av ett komplett brännkammarfoder 12.

Ett annat sätt att tillverka brännkammarfodren 12 eller 14 enligt en annan utföringsform av uppfinningen visas i fig. 3. I fig. 3A används ett flertal plat- ta första legeringsband 54 med en första utvidgningskoefficient C, och ett andra platt legeringsband 56 med en andra utvidgningskoefficient c2. Det andra legeringsbandet 56 förbinds med motställda sidor 54b och 54a av angränsande 461 749 första legeringsband S4, såsom exempelvis genom svetsning. Ett flertal av i lïngdriktningen åtskilda och inriktade inloppsöppningar 58 kan lämpligen anbrin- gas i det andra legeringsbandet 56, såsom visas i fig. 3A- De förbundna första och andra legeringsbanden 54 och S6 formas därefter till en ring 60, såsom visas 1 fig. 3B.

I tig. 3C visas en tvärsektion av den ring 60 som formats i fig. 35 och åskådliggör ett ytterligare steg att forma det andra legeringsbandet 56 till bildande av en kammare 62 med en väsentligen bågformig profil.

Slutligen visas i fig- 3D ett flertal formade ringar 60, som lämpligen är förbundna med varandra, exempelvis genom hårdlödning, för att bilda ett parti av ett komplett brïnnkammarfoder.

I fig. A visas en annan utföringsform av uppfinningen, innefattande tre olika vörmeutvidgningskoefficienter C1, C2 och C3- Denna figur ïr avsedd att ange att fördelningen av temperaturer under drift av fodersegmenten 44 och kropparna 36 kan vara mycket komplicerad och innehåller många fler olika tempe- raturer ïn de tvâ medeltemperaturer som anges för fodret 12 i fig. 2. Såsom ovan beskrivits, bildar emellertid ett foder 12 med endast två olika vïrmeut- vidgningßkoefficienter G1 och G2 för fodersegmenten 44 och kropparna 36 en förbättrad konstruktion.

I fig. 4 är koefficienten Cl mindre än C2, som i sin tur ïr mindre än C3. Detta är avsett att ange att medeltemperaturen hos brïnnkammarfodret 12 är högre i de med Cl betecknade områdena än i de med C2 betecknade och i sin tur de med C3 betecknade. I många tillämpningar kan det vara önskvärt att åstadkomma ett brïnnkammarfoder med åtminstone tre och möjligen flera angränsan- de partier med olika vïrmeutvidgningskoefficienter, som är anpassade till de olika temperaturer som förväntas för dessa partier, för att reducera termiskt inducerade spänningar och deformation på sïtt, som beskrivits ovan. Användningen av många olika utvidgningskoefficienter genom fodret 12 medger även kompensation av olika vïrmeucvidgning genom dess väggar, såsom genom vïggen av fodersegmentet 4A innefattande koefficienterna Cl och G2, såsom visas i fig. 4. Optimalt kan ett brännkammarfoder med värmeutvidgningskoefficienter, som varierar konti- nuerligt genom fodret, istadkommas för att effektivt minimera termiskt induce- rade spänningar på grund av olika utvidgning.

Det inses givetvis att tanken att väsentligen anpassa utvidgningskoeffici- enterna till förväntade temperaturer hos lokala partier är avsedd att illustre- ra föreliggande uppfinning i dess enklaste form. I själva verket är brïnnkammar- fodren 12 och 14 komplicerade konstruktioner, i vilka olika termiskt inducerade f» 461 749 utvidgningar alstrar relativt komplicerade spänningsmönster. Emellertid, efter att ha fullgjort en detaljerad spänningsanalys och med hänsyn till det ovan an- förda, kan en fackman på området välja lämpliga utvidgningskoefficienter och noggrannare definiera de olika områdena av brännkammarfodren 12 och 14, för att erhålla maximala reduktioner i termiskt inducerad spänning.

Emedan brännkammarfodret 12 i fig. 4 är mer komplicerat än det i fig. 2 visade, erfordras lämpliga fabrikationsmetoder. Exempelvis kan brännkammarfodret 12 i fig. 4 tillverkas med användning av plasmautfällning vid lågt tryck eller pulvermetallurgi, med metoder som är kända av en fackman på området. Dessa meto- der medger kontinuerliga variationer i materialegenskaper genom fodren 12 och lá. Vidare medger dessa metoder val av material, som annars icke skulle vara an- vändbara, emedan de icke är tillgängliga i plåtform eller såsom smidesstycken, eller material, som icke har tillräcklig töjbarhet eller svetsbarhet.

I fig. 5 visas såsom exempel ett sätt att tillverka ett brännkammarfoder 12, som visas med streckade linjer, med en plasmautfällningsmetod med lågt tryck. Enkelt beskrivet, anbringas en lämpligt ringformig dorn 64. En första legering 66 med en utvidgningskoefficient Cl sprutas därefter lämpligen över dornen 64. En andra legering 68 med en utvidgningskoefficient C2 Sprutas där- efter över den första legeringen 66. Dornen 64 och de första och andra legerin- garna 66 och 68 formas pa förhand och appliceras för att erhålla ett resulter- ande brännkammarfoder 12, vilket efter bearbetning kommer att ha en kropp 36 och ett fodersegment 44, såsom visas i fig. 2. Givetvis kan ett mer komplicerat foder, såsom det i fig. 4 visade, eller ett med kontinuerligt varierande utvidg- ningskoefficienter även tillverkas med användning av denna metod, med eller utan ytterligare dornar eller dornpartier efter behov. Även om uppfinningen har beskrivits för ringformiga brännkammarfoder, kan uppfinningen även tillämpas för bågformiga eller platta foderpartier till bild- ande av en valfri typ av brännkammare. Vidare kan uppfinningen tillämpas för ett valfritt brännkammarfoder med olika utformade fodersegment och/eller kroppar, som är utsatta för olika värmeutvidgning.

Medan ovan beskrivits vad som anses vara föredragna utföringsformer av upp- finningen, kan andra utföringsformer inses av en fackman på området genom det som angetts ovan. Uppfinningen definieras av följande krav.

Claims (10)

46) 749 8 Patentkrav

1. Anordning vid gasturbinmotor innefattande ett ringformigt brännkammar- foder för användning mellan en kylfluid och förbränningsgaser i gasturbinmotorn, vilket foder innefattar ett flertal koaxiella ringformiga fodersegment anordnade att bilda en gräns mot de heta förbränningsgaserna, k ä n n e t e c k n a d av att ett segment (44) har i direkt ytkontakt stående partier (36,44) med olika värmeutvidgningskoefficienter (C1,C2), som är avsedda att reducera spänning på grund av olika temperatur hos partierna.

2. Brännkammarfoder enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ut- vidgningskoefficienterna varierar kontinuerligt genom fodret.

3. Brännkammarfoder enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att partierna innefattar första och andra partier (44,36), varvid det första partiet (44) är utsatt för högre temperaturer än det andra partiet och har en värmeutvidgningskoefficient (Cl), som är lägre än hos det andra partiet (36).

4. Brännkammarfoder enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att det första partiet är avsett att bilda en gräns för de heta förbränningsgaserna, och det andra partiet innefattar en kropp (36), som sträcker sig från ett ändområde av fodersegmentet, vilken kropp innefattar ett flertal inloppsöppningar (52) för att motta kylfluiden.

5. Brännkammarfoder enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda ändområde av fodersegmentet (44) innefattar en bakersta läppände (46), som sam- verkar med kroppen (36), för att avgränsa en kylluftkammare med en utloppsöpp- ning (50) i ändamål att leda kylluft för filmkylning (40) av ett andra foderseg- ment, som sträcker sig från kroppen.

6. Brännkammarfoder enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda partier utgörs dels av ett flertal, koaxiella, ringformiga foderseg- ment (44), som är avsedda att bilda en gräns för de heta förbränningsgaserna, och dels ett flertal ringformiga kroppar (36), som förbinder angränsande foder- segment, vilka kroppar innehåller ett flertal inloppsöppningar (52) och begrän- sar ringformiga utloppsöppningar (40), varvid fodersegmenten har en lägre värme- utvidgningskoefficient än kropparna.

7. Brännkammarfoder enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att partier, som utsätts för relativt höga temperaturer, har relativt låga utvidg- ningskoefficienter och partier, som utsätts för relativt låga temperaturer, har relativt höga utvidgningskoefficienter. 46"! 749

8. Sätt att tillverka ett brännkammarfoder i enlighet med patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att med ett ändområde av minst ett ringformigt fodersegment (44), vilket har en första värmeutvidgningskoefficient (Cl), förbinds i direkt ytkontakt en ringformig kropp (36), vilken har en andra värmeutvidgningskoefficient (C2), som är högre än den första värmeutvidgníngs- koefficienten.

9. Sätt enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att ett flertal första legeringsband (54) används, vilka har en första värmeutvidgningskoefficient och, att ett andra legeringsband (56), vilket har en andra värmeutvidgningskoeffici- ent, som är högre än hos de första legeringsbanden, förbinds med motstående ändar av angränsande första band, samt att de förbundna första och andra banden formas till en ring (60).

10. Sätt enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att ett flertal inloppsöppningar (58) anbringas i det andra bandet och att det andra bandet formas till en kropp, som avgränsar en kammare med en väsentligen bågformig profil.