DE1152576B - Verkleidungsanordnung fuer eine Strahltriebwerkbrennkammer - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G30058Ia/46g

ANMELDETAG: 14. JULI 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 8. A U G U S T 1963

Die Erfindung betrifft eine Verkleidungsanordnimg für eine Strahltriebwerkbrennkammer mit einem Außenmantel sowie einer unter Ausbildung eines ersten Kühlmittelkanals in Abstand von dem Außenmantel angebrachten Verkleidung und mit einem unter Ausbildung eines zweiten Kühlmittelkanals im Abstand konzentrisch zu dieser Verkleidung angebrachten Schirm.

Es ist bekannt, im Nachverbrennungsabschnitt eines Strahltriebwerks eine Kühlverkleidung vorzusehen, um die Temperatur des tragenden Mantels des Nachverbrennungsabschnittes auf einer zuträglichen Höhe zu halten. Eine derartige Kühlverkleidung kann die Form eines etwa zylindrischen Teiles haben, der im Nachverbrennungsabschnitt konzentrisch zum tragenden Mantel in geringem Abstand von diesem angebracht ist. Die Verkleidung begrenzt die Temperatur des tragenden Mantels dadurch, daß diese die Strahlung von den Verbrennungsgasen abfängt und verhindert, daß die Verbrennungsgase in direkte Berührung mit dem Mantel gelangen. Es fanden bisher ganz allgemein konvektionsgekühlte und filmgekühlte Verkleidungen Anwendung. In beiden Fällen strömt ein Teil der Turbinenabgase als Kühlmittel zwischen dem tragenden Mantel und der Kühlverkleidung. Bei einer Konvektionskühlung ergibt die Strömung des kühlenden Gases über die einander zugewandten Flächen der Verkleidung und des Mantels die einzige Kühlwirkung. Bei filmgekühlten Verkleidungen sind zusätzliche Öffnungen, beispielsweise Lufthauben oder zusammenhängende Schlitze, in Abständen über die Länge der Verkleidung verteilt, vorgesehen. Bei den filmgekühlten Verkleidungen wird der Druckabfall an der Verkleidung dazu ausgenutzt, daß ein Teil der Kühlmittelströmung durch die Lufthauben oder Schlitze in das Innere der Verkleidung geleitet wird. Dadurch wird ein mehr oder weniger zusammenhängender Kühlmittelfilm längs der Innenfläche der Verkleidung zwischen dieser und den Verbrennungsgasen gebildet. Bisher konnten die für die Kühlverkleidung zur Verfügung stehenden Werkstoffe den Druckabfall an der Verkleidung bei den in den Nachverbrennungsabschnitten auftretenden Temperaturen aufnehmen. Bei den heutigen hochgezüchteten Nachverbrennungabschnitten sind aber die Temperaturen bei bestimmten Betriebsbedingungen so weit angestiegen, daß die üblichen Verkleidungen aus den bekannten, zur Verfügung stehenden Werkstoffen der gemeinsamen Wirkung der erzeugten Temperaturen und der Drücke nicht mehr widerstehen können. Dies hat zur Folge, daß die Leistung von hochgezüchteten Nachverbrennungsabschnitten durch die zur Verfü-

Verkleidungsanordnung
für eine Strahltxiebwerkbrennkammer

Anmelder:

General Electric Company,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E.Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. Juli 1959 (Nr. 828 478)

Everett Wilber Waters,

Cincinnati, Ohio (V. St. A.),

ist als Erfinder genannt worden

gung stehenden Kühlverkleidungskonstruktionen erheblich eingeschränkt wird.

Es sind auch bereits Brennkammern mit einer Verkleidung und einem Schirm bekannt, bei denen das Kühlmittel zunächst in den äußeren Kanal eintritt und dessen gesamte Länge durchströmt, ehe der Kühlmittelstrom umgelenkt wird und durch den zweiten Kanal in entgegengesetzter Richtung zurückströmt. Erst dann vermag das Kühlmittel zwischen den schräg übereinander angeordneten Bauelementen hindurch zur Innenfläche der Brennkammerverkleidung zu gelangen. Mit einer derartigen Anordnung können aber die im vorstehenden dargelegten, bei Nachverbrennungseinrichtungen auftretenden Probleme nicht gelöst werden.

Erfindungsgemäß bestehen die Verkleidung und der Schirm je aus einer Anzahl von einander überlappenden, axial etwa gleich großen ringförmigen Teilen, die an ihren stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Enden miteinander verbunden sind, so daß an den Überlappungsstellen Schlitze für den Kühlmittelstrom entstehen und ein Teil des den ersten Kanal durchströmenden Kühlmittels durch die Schlitze in den zweiten Kanal und von dort durch die stromabwärts liegenden Schlitze über die Innenfläche des Schirms strömt. In vorteilhafter Weise verläuft

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die erzielte Kühlmittelströmung in ein und derselben Richtung zur Brennkammerachse, wobei lediglich ein Teil des ursprünglichen Kühlmittelstromes zunächst von dem ersten Kühlmittelkanal und dann wiederum ein Teil von dessen Kühlmittelstrom abgezweigt werden. Hierdurch kann ein wesentlich besserer Kühleffekt erzielt werden, als dies bei den bekannten Kühlsystemen der Fall ist.

Zweckmäßigerweise kann die Verkleidung aus einem zusammenhängenden Streifen bestehen, und der Schirm kann aus einer Anzahl von an der Verkleidung befestigten bogenförmigen Segmenten gebildet werden. Dabei kann der Strahlungsschirm aus verhältnismäßig dünnen, leichten Blechen bestehen.

Der Strahlungsschirm fängt die Strahlung aus den Verbrennungsgasen ab. Die Verkleidung ist von Kühlmittel umgeben, und ein Kühlmittelstrom fließt zwischen der Verkleidung und dem Außenmantel. Dies ergibt die Wirkung, daß die Temperatur des Außenmantels praktisch unabhängig von der Temperatur der Verbrennungsgase ist. Nach der Anbringung des Strahlenschirms arbeiten der Außenmantel und die spannungsfeste Verkleidung auf einer Temperatur, die sehr nahe bei der Temperatur des Kühlmittels liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten Abgasrohres eines Strahltriebwerks,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der gemäß der Erfindung ausgeführten abgeschirmten Kühlverkleidung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der abgeschirmten Kühlverkleidung und

Fig. 4 und 5 perspektivische Ansichten der Schirmsegmente der Anordnung von Fig. 3.

In Fig. 1 ist das Abgasrohr eines Strahltriebwerks bei 11 dargestellt. Im Inneren des Abgasrohres ist eine gemäß der Erfindung ausgeführte abgeschirmte Kühlverkleidung 12 angeordnet. Die Kühlverkleidung besteht aus einem abgeschirmten Abschnitt 13, der den eigentlichen Verbrennungsraum umgibt, und aus einem nicht abgeschirmten Abschnitt 14, der sich aus dem Verbrennungsraum stromaufwärts erstreckt, um Kühlmittel aufzufangen.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Verkleidung im Inneren des Abgasrohres an Stegen 15 aufgehängt. Die Verkleidung ist mit zusammenhängenden Schlitzen ausgeführt, und sie besteht aus einer Anzahl von etwa zylindrischen Streifen 16, die in Achsrichtung hintereinander so angeordnet sind, daß das hintere Ende jedes Streifens von dem vorderen Ende des stromabwärts sich anschließenden Streifens überlappt wird. Die einander überlappenden Kanten von aufeinanderfolgenden Streifen sind an einigen Stellen rings um den Umfang der Verkleidung miteinander verbunden. Zwischen diesen Stellen liegen die Kanten im Abstand voneinander, wodurch Kühlmittelschlitze 17 gebildet werden. Ein dünner leichter Strahlungsschirm 18 ist an jedem der Streifen 16 nahe dessen Vorderkante und dessen Hinterkante befestigt und erstreckt sich über die ganze frei liegende Länge des Streifens. Jeder Strahlungsschirm liegt über seine gesamte axiale Länge im Abstand von dem zugehörigen Streifen, so daß dazwischen ein Kanal 19 für den Durchgang einer Kühlmittelströmung gebildet wird. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können die einander überlappenden Kanten von aufeinanderfolgenden Streifen und die überlappenden Kanten der zugehörigen Strahlungsschirme durch einen einzigen Niet 21 miteinander verbunden werden. Eine aerodynamische Belastung der Strahlungsschirme wird praktisch dadurch vermieden, daß jeder Schirm im wesentlichen parallel zu dem Kühlmittelstrom und dem Strom der Verbrennungsgase gehalten wird. Der Druckabfall an dem Schirm wird praktisch auf Null herabgesetzt, so

ίο daß der Schirm als Trennwand und nicht als Druckkammer wirkt.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Verkleidungssteifen 16 zusammenhängend, während die Schirme 18 aus einer Anzahl von bogenförmigen Segmenten gebildet sind, die einzeln an den Verkleidungsstreifen befestigt sind. Es sind zwei Arten von Schirmsegmenten 22 und 23 vorgesehen, die abwechselnd so zusammengefügt sind, daß sie zusammen den Schirm bilden. Die Segmente 22 sind im wesentlichen quadratisch und weisen ein Paar von entgegengesetzt gerichteten Vorsprüngen 24 und 25 auf, die jeweils von einer Seitenkante, etwa in deren Mitte hervorstehen. Die freien Enden der Vorsprünge 24 und 25 sind gegen die Segmentebene versetzt und hegen etwa parallel zu dieser. Die Segmente 22 sind ferner mit Ausschnitten 26 und 27 an den stromabwärts liegenden Ecken versehen. Die Vorderkante jedes Segments 22 liegt an der Außenfläche eines Verkleidungsstreifens 16 nahe dessen Hinterkante an, während die Vor-Sprünge 24 und 25 an der Innenfläche des sich stromabwärts anschließenden Streifens anliegen. Die Segmente 23 sind etwa rechteckig, und sie weisen zwei Füße 28 und 29 auf, die nahe der Hinterkante seitlich in entgegengesetzten Richtungen abstehen.

Die Füße 28 und 29 sind gegen die Segmentebene versetzt und so ausgeführt, daß sie an einem Verkleidungsstreifen befestigt werden können. Zum Aufbau des Schirms werden die Segmente 23 zwischen benachbarten Segmenten 22 so angeordnet, daß ihre Seitenkanten über den Seitenkanten der Segmente 22 liegen. Die Füße 28 und 29 werden dann an der Hinterkante des Verkleidungsstreifens in den Ausschnitten 26 und 27 befestigt. Nach dem Zusammenbau liegen die Vorderachsen der Segmente 22 und 23 an der Außenfläche des gleichen Verkleidungsstreifens an, und die Vorsprünge 24, 25 sowie die Füße 28, 29 liegen an der Innenfläche des sich stromabwärts anschließenden Streifens an. Bei dieser Anordnung kann zur Verbindung der Verkleidungsstreifen und der Schirmsegmente eine Mindestzahl von Nieten verwendet werden. Jeder Niet geht durch einen Fuß eines Segments 23, die überlappte Hinterkante ernes Verkleidungsstreifens, die Vorderkante eines Segments 22 und die überlappende Kante des sich stromabwärts anschließenden Verkleidungsstreifens. Bei dieser Konstruktion ist jedes Schirmsegment an einem Verkleidungsstreifen nur nahe einer Kante befestigt, und es kann einfach durch Entfernen von zwei nebeneinanderliegenden Nieten leicht ersetzt werden, ohne daß benachbarte Segmente gestört werden. Wärmespannungen in dem Schirm werden durch die Verwendung der kleinen Segmente beseitigt. Da die Schirme klein sind, wird die Wärme leicht durch das Segment abgeführt und nicht in einem Abschnitt konzentriert, wie es der Fall wäre, wenn der Schirm aus einem Stück bestünde.

Im Betrieb fließt Kühlmittel in axialer Richtung in dem Zwischenraum zwischen der Verkleidung und

dem Mantel des Abgasrohres. Ein Teil des Kühlmittels strömt in die Öffnungen 17 und von da in die Zwischenräume 19 zwischen den Strahlungsschirmen und den Verkleidungsstreifen. Dieses Kühlmittel tritt dann durch den an der Hinterkante zwischen dem Schirm und dem Streifen liegenden Schlitz aus und strömt unter Bildung eines Kühlrnittelfilms nach hinten über die Innenseite des sich stromabwärts anschließenden Schirms. Die von den Verbrennungsgasen abgestrahlte Wärme wird von dem Strahlungsschirm α ο absorbiert, so daß sie nicht in Berührung mit den Verkleidungsstreifen oder dem tragenden Mantel kommt. Die von dem Strahlungsschirm aufgenommene Wärme wird durch das in den Zwischenräumen 19 strömende Kühlmittel abgeführt, und nur eine kleine Menge wird von den Verkleidungsstreifen aufgenommen. Da die Außenfläche der Verkleidung durch das zwischen der Verkleidung und dem Mantel fließende Kühlmittel konvektionsgekühlt wird, wird, falls überhaupt, nur ein sehr kleiner Teil der von der Verkleidung aufgenommenen Wärme auf den tragenden Mantel übertragen. Daher ist der Mantel im wesentlichen nur der Wärme des Kühlmittels ausgesetzt. Das bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsschirm angewendete Material kann ohne Schwierigkeit bis zu etwa 1150° C betrieben werden, vorausgesetzt, daß die Segmente so festgehalten werden, daß im wesentlichen alle thermischen und durch aerodynamische Belastungen hervorgerufenen Spannungen vermieden werden. Da die Schirme nichttragend sind, können sie aus sehr leichtem Blech hergestellt werden, beispielsweise mit einer Dicke von 0,25 mm oder weniger. Bei dieser Konstruktion ist die Verkleidung nur den verhältnismäßig niedrigen Temperaturen der Schirme und nicht den beträchtlich höheren Temperaturen der Verbrennungsgase ausgesetzt. Diese Konstruktion erlaubt eine beträchtliche Erhöhung der Nachverbrennungstemperaturen sowie der Abgastemperatur der Turbine, unter wesentlicher Herabsetzung der Betriebstemperatur der Verkleidung selbst. Bei durchgeführten Tests und praktischen Erprobungen hatten die tragenden Streifen der Verkleidung eine Temperatur, die um 10 bis 15° C über den Abgastemperaturen der Turbine lag. Unter diesen Bedingungen wird mehr Wärme über den tragenden Mantel abgegeben, als von der Verkleidung aufgenommen wird. Da die Verkleidung und der tragende Mantel bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, können sie aus leichterem und billigerem Material hergestellt werden. Dadurch ergibt sich eine Einsparung an Gewicht und Kosten des Nachverbrennungsabschnitts.

Die gemäß der Erfindung ausgeführte abgeschirmte Verkleidung ist zwar in Verbindung mit einer Nachverbrennungseinrichtung dargestellt, doch ist zu bemerken, daß sie für jedes Gebiet geeignet ist, in dem eine intensive Verbrennung stattfindet, beispielsweise in der Ringbrennkammer eines Strahltriebwerks.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verkleidungsanordnung für eine Strahltriebwerk-Brennkammer mit einem Außenmantel sowie einer unter Ausbildung eines ersten Kühlmittelkanals in Abstand von dem Außenmantel angebrachten Verkleidunig und mit einem unter Ausbildung eines zweiten Kühhnittelkanals in Abstand konzentrisch zu dieser Verkleidung angebrachten Schirm, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (16) und der Schirm (18) je aus einer Anzahl von einander überlappenden, axial etwa gleichgroßen ringförmigen Teilen (16, 22, 23) bestehen, die an ihren stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Enden miteinander verbunden sind, so daß an den Überlappungsstellen Schlitze (17) für den KüHmittelstrom entstehen und ein Teil des den ersten Kanal durchströmenden Kühlmittels durch die Schlitze (17) in den zweiten Kanal (19) und von dort durch die stromabwärts liegenden Schlitze (17) über die Innenfläche des Schirms (18) strömt.

2. Verkleidungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (16) aus einem zusammenhängenden Streifen besteht und daß der Schirm (18) aus einer Anzahl von an der Verkleidung befestigten bogenförmigen Segmenten (22, 23) gebildet ist.

3. Verkleidungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsschirm (18) aus verhältnismäßig dünnem leichtem Blech besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 830 267;
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1045 180;
schweizerische Patentschriften Nr. 271741,
626, 262 073, 226 308.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 309 650/80 7.63