DE2354504A1

DE2354504A1 - Versteifung fuer brennerauskleidung

Info

Publication number: DE2354504A1
Application number: DE19732354504
Authority: DE
Inventors: Edward Ernst Ekstedt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1973-10-31
Publication date: 1974-05-16
Also published as: US3793827A; CA986734A; JPS4995012A; IT998848B; DE2354504C2; BE806783A; FR2205628A1

Description

Versteifung für Brennerauskleidung.

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erhöhung der Festigkeit von Brennerauskleidungen und Gasturbinentriebwerken und insbesondere solche Versteifungsteile, welche die Kühlung der Auskleidung vergrössern.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Beschränkungen des Standes der Technik, indem ein Versteifungsteil für den Brenner vorgesehen wird, welches die Steifigkeit oder Starrheit des Brenners * erhöht, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Brenners zu vergrössern und welches gleichzeitig eine wertvolle Kühlfunktion ausübt mit Hilfe der Umleitung eines Teils des

409820/0303

235450A

Kühlmittels im Innern des Sammelraums, und der Beschleunigung dieses Teils des Mediums, während es in Eingriff mit der Brennerauskleidung gebracht wird. Die Gesamtauswirkung dieses letzteren Kennzeichens besteht in einem erhöhten Wirkungsgrad der Konvektionskühlung des Kühlmediums bezüglich der Brenneräuskleidung ohne Notwendigkeit einer Erhöhung der Geschwindigkeit des gesamten Kühlmittels im Innern des Sammelraums.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Versteifungsteil für Brennerauskleidungen in Gasturbinentriebwerken zu schaffen, das keine unerwünscht grosse Gewichtssteigerungen für die Auskleidung beinhaltet und ein solches Versteifungsteil für eine Brennerauskleidung zu schaffen, welches auch dazu dient, den Wirkungsgrad der Kühlung bezüglich der Auskleidung effektiv zu erhöhen.

Diese und andere Aufgaben werden in einer Form der vorliegenden -Erfindung dadurch erreicht, dass ein Auskleidungsversteifungsteil vorgesehen ist, welches im wesentlichen die Brennerauskleidung umschliesst und ein Mittel zur Verstärkung der Auskleidung ergibt, welches die Form einer im wesentlichen kreisförmigen Verbindungsstelle um die Auskleidung herum annehmen kann, an der die Dicke der Auskleidung im wesentlichen verdoppelt wird. Die Verstärkungseinrichtung wirkt mit einem wesentlichen umfangsmässigen Teil der Auskleidung zusammen, um diesem eine grössere radiale und umkreisförmige Steifigkeit zu verleihen. Weiterhin enthält das Versteifungsteil einen Einlass für das Kühlmittel, welcher sich in den Sammelraum hinein öffnet zur Abzweigung eines Teils des Kühlmittels von dem Sammelraum, und ein Teil zur Verminderung des Strömungsquerschnittes zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Kühlmittels in der Nachbarschaft der Auskleidung zur Steigerung des Konvektionswärmeübergangs. Weiterhin enthält die Auskleidung eine Umhüllung, die im wesentlichen die Auskleidung umschliesst und über einer Öffnung in der Auskleidung angeordnet ist (durch welche der Kühlmittelfilm in die Verbrennungszone eintritt), um das Kühlmittel, das durch das Teil zur Verminderung des Strömungsquerschnittes austritt, zur"

40982 0 /0303

Ausbildung eines Kiihlmitt elf Uras auf der erhitzten Seite der Auskleidung durch die Öffnung zu richten.

Ein besseres Verständnis für die Konzeption der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der -nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines üblichen Brenners einschliesslich einer Brennerauskleidung.

Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht eines Teils eines Brenners ähnlich dem Brenner in Fig. 1, wobei hier ein Versteifungsteil für die Auskleidung gemäss der vorliegenden Erfindung zugefügt worden ist.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Brennerauskleidung und des Versteifungsteils längs der Linie 3-3 der Fig. 2 .

Fig. 4 zeigt eine Schnittansieht entlang der Linie 4-4 der Fig. 2 .

Fig. 5 zeigt eine Schnittänsicht.entlang der Linie 5-5 der Fig. 2 .

Fig. 1 zeigt eine übliche Brennerauskleidung der Ausführungsform, welche einen Teil der gegenwärtig vorhandenen Gasturbinentriebwerke bildet. Der Brenner ist im allgemeinen mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet und ist stromabwärts von einer Hochdruckverdichterstufe 12 angeordnet, die verdichtete Luft an die KühlluftsammeIräume 14 und 16 und an einen primären Lufteinlass 18 liefert. Die Verbrennungszone 20 ist definiert durch Brennerauskleidungen 22 und 24« Der Sammelraum 14 ist definiert durch die Auskleidung oder Verkleidung 22 in Kombination mit einer äusseren Verkleidung 26. Der Sammelraum 16 ist definiert durch die Auskleidung 24 zusammen mit einer äusseren Verkleidung An dem stromaufwärts gelegenen Ende der Verbre.nnungszone 20 ist eine Brennstoffvergaserexnrichtung 30 angeordnet, welche den von einer Brennstoffleitung 32 gelieferten Brennstoff mit der durch den Einlass 18 eintretenden Primärluft mischt. Der Brenner

4.0982070303

10 arbeitet in der konventionellen Betriebsweise, bei der ein Gemisch von Brennstoff und Primärluft, das aus dem Vergaser 30 austritt, im Innern der Verbrennungszone 20 gezündet und oxydiert oder verbrannt wird und die Verbrennungsprodukte sich schnell ausdehnen und in Fig. 1 nach rechts austreten und einen Schub nach links ergeben.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind die Brennerauskleidungen 22 und 24 ineinandergeschobene überlappende kreisförmige Ringe 22a und 24a, wobei jeder Ring jeweils mit dem benachbart stromaufwärts oder links liegenden Ring in kreisförmigen Verbindungsstellen 22b und 24b in Eingriff steht. Dieser Brenneraufbau hat sich bei den gegenwärtigen Anwendungen als recht zufriedenstellend erwiesen, da er den grossen aerodynamischen Kräften widerstehen kann, welche auf die Auskleidung durch verbrennende Gase im Innern des Brennerraumes 20 und auch durch die beträchtliche Druckdifferenz zwischen dem Sammelraum 14 und 16 und der Brennerzone 20 ausgeübt werden. Zur Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Brennerauskleidungen sieht jedoch die vorliegende Erfindung zusätzliche Versteifungsteile mit leichtem Gewicht vor, welche auch noch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Kühlung dienen.

Die Kühlung wird in der Anordnung nach Fig. 1 teilweise dadurch erreicht, dass Kühlluft von jedem Sammelraum in einem Film über die erhitzte Seite der zugeordneten Brennerauskleidung geführt wird. Beispielsweise ist die Brennerauskleidung 22 mit Öffnungen 34 ausgestattet, welche jeweils in der Nähe jeder kreisförmigen Verbindungsstelle zwischen benachbarten Ringen 22a angeordnet sind. Diese Öffnungen fördern das Strömen der Kühlluft in einem Film auf die erhitzte Seite der Brennerauskleidung 22. Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird eine zusätzliche Kühlung der Auskleidungen durch konvektiven Wärmeübergang zwischen der Kühlluft im Innern der Sammelräume und den äusseren Oberflächen der Auskleidungen bewerkstelligt.

409820/0303

Die vorliegende Erfindung sieht Einrichtungen mit leichtem Gewicht zur Versteifung der Brennerauskleidungen vor neben der Förderung des Wirkungsgrades der Kühlung der Gesamtbrenneranordnung. Die Figuren 2 bis 5 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf die Brennerauskleidung 22 der Figur 1. In Figur 2 sind die allgemein mit der Bezugsziffer 40 bezeichneten Versteifungsteile der Auskleidung 22 an Punkten in der Nähe der Verbindungsstelle zwischen benachbarten Kreisringen 22a zugefügt. Die Figuren 3 bis 5 zeigen axiale Schnittänsichten der Versteifungsteile für die Auskleidung gemäss der Erfindung im Zusammenwirken mit der Auskleidung 22 in Form verschiedener axialer Schnitte. Diese Abbildungen werden noch nachstehend erörtert.

Zusammengefasst enthält der Versteifungsteil 40 für die Brennerauskleidung eine Einlasseinrichtung zum Abzweigen eines Teiles des Kühlmittels von dem Sammelraum 14, eine Auslasseinrichtung zur Abführung des gleichen Teils des Kühlmittels von dem Versteifungsteil, eine Einrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnittes, welche in anmittelbarer Nachbarschaft der Auskleidung 22 angeordnet ist und die Einlass- und Auslasseinrichtung miteinander verbindet zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Mittels in einer noch zu beschreibenden Weise, um hierdurch den konvektiven Wärmeübergang zwischen dem Mittel und der Auskleidung zu erhöhen und weiterhin eine Verstärkungseinrichtung, die mit einem wesentlichen Umfangsteil der Auskleidung zusammenwirkt zur zusätzlichen radialen und umkreismässigen Versteifung.

In der Ausführungsform der Figuren 2 bis 5 besitzt der Einlass die Form eines Kreisringes 42, welcher von der Auskleidung 22 beabstandet ist und eine Mündung 44 bildet, in die ein Teil des Kühlmittels vom Sammelraum 14 gerichtet wird. Die Einrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnittes enthält eine von der Auskleidung beabstandete Wand 46, welche einen Durchlass in dem Sammelraum definiert, der sich stromabwärts von der Mündung 44 erstreckt. Weiterhin ist ein Teil des Durchlasses 48 für den Strom des Mittels verschlossen, so dass die gesamte

Strömung auf den offenen Durchlassteil gerichtet ist und als Ergebnis die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Insbesondere ist die Wand 46 in dieser Ausführungsform eine gewellte Wand, deren Wellen axial bezüglich der Brennerauskleidung 22 ausgerichtet sind. Dabei öffnet sich eine erste Vielzahl von Wellungen 50 in Richtung der gegenüberstehenden Auskleidung 22 und eine zweite Zahl von Wellungen 52 öffnet sich gegenüberstehend dem zugeordneten Sammelraum 14. Die Wellungen 50, welche der Auskleidung gegenüberstehen, definieren eine Vielzahl von einzelnen Leitungen 54 benachbart zur Auskleidung 22. Die Wellungen 52, welche dem Sammelraum gegenüberstehen, wirken in umkreisraässigen Intervallen mit der Auskleidung 22 zusammen zur Bildung eines Teils der Versteifungseinrichtung (dies wird noch nachstehend erörtert). Die Wellungen 52, welche dem Sammelraum gegenüberstehen, sind dadurch bezüglich des Strömungsmittelstroms verschlossen, dass ein diagonaler Teil 56 der Wand 46 zwischen dem Kreisring 42 und der Auskleidung 22 verläuft. Als Ergebnis hiervon wird die gesamte in die Mündung 44 eintretende Strömungsmittelströmung gezwungen, die Einrichtung zur Strömungsverringerung über die einzelnen Leitungen 54 zu durchlaufen, welche durch die Auskleidung und die der Auskleidung gegenüberstehenden Wellungen 50 gebildet werden, so dass der gesamte Strömungsquerschnitt etwa halbiert wird (die Gesamtfläche der Leitungen 54 ist etwa halb so gross wiejder gesamte Strömungsquerschnitt der Mündung 44). Die der Auskleidung gegenüberstehenden Wellungen und ihre Leitungen 54 werden begrenzt durch die Brennerauskleidung 22 und das in die Leitung 54 gerichtete Mittel wird in innigen Konvektionswärmeaustausch mit der Auskleidung 22 gebracht. Da infolge der Verminderung des Strömungsquerschnittes die Geschwindigkeit des Mittels erhöht wird, wird ein solcher konvektiver Wärmeaustausch zwischen dem Mittel und der Auskleidung 22 im Innern der Leitungen 54 wesentlich vergrössert im Vergleich zu einer nicht beschleunigten Strömung.

Wie bereits zuvor ausgeführt, enthält das Versteifungsteil 4O für die Brennerauskleidung eine umkreisförmige Vielzahl von Punkten, an denen die dem Sammelraum gegenüberstehenden Wellungen

4098 2 0/0 303

und die Auskleidung zusammenwirken. Zusätzlich hierzu besitzt das Versteifungsteil einen axial verlaufenden Rand 58, welcher mit der Auskleidung 22 hartverlötet ist oder in anderer Weise mit ihr zusammenwirkt. Der Rand 58 ergibt eine im wesentlichen umkreisförmig verlaufende Verbindungsstelle, an der die Dicke der Auskleidung effektiv verdoppelt ist mit einer wesentlichen zusätzlichen umfangsmässigen und radialen Versteifung,

Gemäss den Figuren 2 bis 5 besitzt die Auskleidung 22 eine Vielzahl von Öffnungen 34, welche die Strömungsmittelverbindung zwischen dem Sammelraum 14 und der Verbrennungszone 20 ergeben zur Bildung eines Schutzfilms des Kühlmittels auf der radial innen gelegenen und erhitzten Seite der Auskleidung 22. Die Öffnungen 34 sind umkreismässig in Reihe im Abstand angebracht und werden in axialer Richtung gemäss einer optimalen Dispersion des Kühlmittels angeordnet. Bei Verwendung mit einer Auskleidung dieser Art enthalten die Auslasseinrichtungen des Versteifungsteils gemäss der Erfindung Einrichtungen, um das Kühlmittel durch diese Öffnungen 34 zu richten. In der vorliegenden Ausführungsform bildet das Versteifungsteil eine Umhüllung 60, welche in unmittelbarer Nachbarschaft zur Sammelraumseite einer Reihe von Öffnungen 34 liegt und diese im wesentlichen um— schliesst. Die Umhüllung 60 ist im wesentlichen kreisringförmig und im wesentlichen so angeordnet, dass sie die Auskleidung umschliesst und sich nach rückwärts in die Öffnung 34 und nach vorn in die Leitungen 54 öffnet, welche von den der Auskleidung gegenüberstehenden Wellungen gebildet werden. Die Umhüllung ist definiert durch einen gestalteten Teil"62 und der Wand 56 im Zusammenwirken mit der Auskleidung 22. Versteifungsteile entsprechend der vorliegenden Erfindung, welche in Kombination mit anderen Formen von Auskleidungen verwendet werden, können mit Auslasseinrichtungen ausgestattet werden, welche das Kühlmittel zum Sammelraum 14 zurückführen anstelle einer Richtung dieses Mittels durch Öffnungen in die Verbrennungszone. Solche Versteifungsteile ergeben eine verbesserte Konvektionskühlung der zugeordneten Auskleidung und versteifen die Auskleidung in der gleichen Weise wie das vorstehend beschriebene Verstei,fungsteil.

409820/0303

Claims

Ansprüche

\1. ) Brennerverstexfungsteile zur Anordnung in einem Kühlmittelsammelraum und zum Zusammenwirken mit einer erhitzten Brennerauskleidung in einem Gasturbinentriebwerk, in dem die Auskleidung eine Verbrennungszone definiert, gekennzeichnet durch:

Einlasseinrichtungen (42) zur Abzweigung eines Teil des Kühlmittels von dem Sammelraum (14), Auslasseinrichtungen (34) zum Ablassen des Teils des Kühlmittels von dem Versteifungsteil (40), eine Einrichtung (46,48) zur Verminderung des Strömungsquerschnittes, welche in der Nachbarschaft der Auskleidung (22) angeordnet ist und die Einlasseinrichtung (42) und die Auslasseinrichtungen (34) zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit desjenigen Teils des Kühlmittels verbindet, welches zwischen der Einlasseinrichtung und der Auslasseinrichtung durchgeführt ist,zwecks Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs zwischen dem Mittel und der Auskleidung und eine Verstärkungseinrichtung (58) zusammenwirkend mit einem wesentlich umfangsmässigen Teil der Auskleidung (22) zur zusätzlichen strukturmässigen Versteifung derselben.
2. Brennerversteifung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnittes eine Wand (46) umfasst, welche von der Auskleidung (22,24) beabstandet ist und einen Durchlass (48) in dem Sammelraum definiert, wobei die Wand (46) stromabwärts von der Einlasseinrichtung (42) verläuft und vorgewählte Teile des Durchlassweges gegenüber der Strö-

• mung des Mittels VeTSChIoSSe]I₁ sind, wodurch die gesamte Strömung des Mittels auf die übrigen offenen Durchlassteile (48) gerichtet und der Strömungsquerschnitt des Durchlasses vermindert ist mit entsprechender Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit .

40982 0/0303
3. Brennerversteifung nach Anspruch 2 , d a d u r c h gekennzeichnet , dass die Wand (46) zur Bildung des Durchlasses eine im wesentlichen gewellte Wand ist mit vorgewählten gegenüber der Strömung des Mittels verschlossenen Wellungen (52).
4. Brennerversteifung nach Anspruch 3', dadurch gekennzeichnet , dass die gewellte Wand (46) axial gegenüber der Auskleidung (22) ausgerichtet ist und benachbarte Wellungen (50, 52) jeweils der Auskleidung (22) und dem Sammelraum (14) gegenüberstehen und vorgewählte dem Sammelraüm gegenüberstehende Wellungen (50) geschlossen sind.
5. Brennerversteifung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass vorgewählte dem Sammelraum gegenüberstehende Wellungen (52) mit der Auskleidung (22) zusammenwirken und vorgewählte der Auskleidung gegenüberstehende Wellungen (50) zusammen mit der Auskleidung (22) einzelne Leitungen (54) für die Strömung des Mittels bilden und das Mittel zu inniger Wärmeaustauschwechselwirkung mit der Auskleidung (22) gerichtet ist.
6. Brennerversteifung nach Anspruch 5 , da du r c h gekennzeichnet , dass die Verstärkungseinrichtung (58) die vorgewählten dem Samraelraum gegenüberstehenden und mit der Auskleidung (22) zusammenwirkenden Wellungen (52) umfasst.
7. Brennerversteifung nach Anspruch 6 ,dadurch gekennzeichnet , dass die Einlasseinrichtung einen im wesentlichen kreisringförmigen Ring (42) umfasst, welcher radial von der Auskleidung (22> beabstandet ist und '

" zusammen mit der Auskleidung (22) eine Mündung (44) in dem Sammelraum (14) bildet.

409820/0303
8. Brennerversteifung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , dass die Verstärkungseinrichtung (58) weiterhin eine umkreisförmige Verbindung enthält, welche im wesentlichen die Auskleidung (22) umschliesst.
9. Brennerversteifung zur Anordnung im Innern eines Sammelraumes für Kühlmittel, welcher mit einer Brennerauskleidung in einem Gasturbinentriebwerk zusammenwirkt, wobei die Auskleidung eine Öffnung zur Schaffung einer Strömungsmittelverbindung zwischen dem Sammelraum und einer durch die Auskleidung definierten Verbrennungszone aufweist und die Versteifung durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

in der Nachbarschaft der Öffnung (34) ist eine Leiteinrichtung (44) angeordnet zur Leitung eines Teil des Kühlmittels durch die Öffnung,

eine Einlasseinrichtung (42) öffnet sich in den Sammelraum (14) zur Ableitung eines Teils des Kühlmittels zusammen mit der Leitungseinrichtung (44),

eine Einrichtung (46,48) zur Verminderung des Strömungsquerschnittes ist in der Nachbarschaft der Auskleidung (22) zusammenwirkend mit der Einlasseinrichtung (42) und der Leiteinrichtung (44) angeordnet zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Teils des Kühlmittels, welcher von der Einlasseinrichtung (42) zur Leiteinrichtung (44) verläuft und zur Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs zwischen der Auskleidung und dem Mittel und weiterhin Eingriffmittel (58) vorgesehen sind, welche im Eingriff mit der Auskleidung (22) zur Erhöhung der Steifigkeit derselben stehen.
10. Brennerversteifung nach Anspruch 9 ,dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnittes eine Wand (46) umfasst, welche von der Auskleidung (22) beabstandet ist und einen Durchlass (48) im Innern des Sammelraumes definiert, wobei die Wand (46) sich stromabwärts von der Einlasseinrichtung (42) erstreckt und vorgewählte Teile der Durchlässe desselben für die Strömung des Mittels verschlossen sind, so dass die gesamte Strömung, des Mittels durch die übrigen offenen

409020/0303

Durchlassteile (48) gerichtet ist mit Verminderung des
. Strömungsquerschnittes des Durchlasses und einer entsprechenden Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit.
11. Brennerversteifung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Wand (46) zur Definierung des Durchlasses eine im wesentlichen gewellte Viand
ist, bei der vorgewählte Wellungen (52) für die Strömung
des Mittels verschlossen sind.
12. Brennerversteifung nach Anspruch 11 , dadurch g e kennzeichnet;, dass die gewellte Wand (46) axial bezüglich der Auskleidung (22) ausgerichtet ist und benachbarte Wellungen (50,52) abwechselnd der Auskleidung (22)
und dem Sammelraum (14) gegenüberstehen und vorgewählte dem Sammelraum gegenüberstehende Wellungen (50) verschlossen
sind.
13. Brennerauskleidung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , dass vorgewählte dem Sammelraum
gegenüberstehende Wellungen (52) mit der Auskleidung (22)
kombiniert sind und vorgewählte der Auskleidung gegenüberstehende Wellungen (50) mit der Auskleidung kombiniert sind zur Bildung von einzelnen Durchlässen (54) für die Strömung des Mittels, und das Mittel in innigen Wärmeaustausch mit
der Auskleidung (22) gerichtet ist.
14. Brennerversteifung nach Anspruch 13,da durch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinrichtung
(58) die vorgewählten dem Sammelraum gegenüberstehenden
Wellungen (52) zusammenwirkend mit der Auskleidung (22)
umfasst.
15. Brennerversteifung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet , dass die Einlasseinrichtung einen

409320/G303

im wesentlichen kreisringförmigen Ring (42) umfasst, der radial von der Auskleidung beabstandet und mit derselben zur Bildung einer Mündung (44) im Sammelraum kombiniert ist.
16. Brennerversteifung nach Anspruch 15,dadurch gekennzeichnet , dass die Leiteinrichtung eine im wesentlichen kreisringförmige Umhüllung (6O) umfasst, welche im wesentlichen kreisförmig die Auskleidung (22) umschliesst und sich in die Öffnungen (34) öffnet und weiterhin in die Leitungen (54) hinein öffnet.

0/0303