DE2438845C3

DE2438845C3 - Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2438845C3
Application number: DE2438845A
Authority: DE
Inventors: Robert David Etwall Derby Wood (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1974-08-13
Publication date: 1981-01-29
Also published as: GB1438379A; JPS5088417A; IT1018959B; FR2241055A1; US3898797A; DE2438845A1; DE2438845B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ringbrennkammer der im Oberbegriff des Anspruchs I angegebenen Gattung. Eine solche Ringbrennkammer ist aus der GB-PS 8 77 251 bekannt. Hierbei sind Leitvorrichtun gen vorgesehen, die von einer axial mittleren Stellung aus die Kühlluftströme in eine Richtung stromauf und stromab umlenken, wobei die Ausströmöffnungen in axialer Richtung in einem Abstand zueinander liegen, der der Länge der Leitflächen entspricht. Der Nachteil dieser bekannten Kühlluftzuführungsvorrichtung besteht darin, daß eine relativ große Fläche zwischen den stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Ausströmöffnungen unmittelbar den heißen Brennkammergasen ausgesetzt ist, so daß sich hier heiße Stellen bilden, da die auf der Innenseite der Wand der Leiteinrichtungen strömende Kühlluft eine ausreichende Kühlung dieser an Heißgasen direkt ausgesetzten Oberfläche nicht bewirken kann. Diese überhitzten Stellen können zu einer Oxydation und zu einem baldigen Ausfall führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kühlluftzuführung stromab und stromauf so auszubilden, daß im wesentlichen über den Gesamtbereich der beiden Verbrennungszonen eine Filmkühlung, d. h. eine Bedeckung der den Heißgasen ausgesetzten Oberflächen durch einen Luftkühlfilm gewährleistet wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs I angegebenen Merkmale. Dadurch, daß die Kühlluft in der gleichen Querschnittsebene stromauf und stromab austritt, erfolgt eine Filmkühlung der Luftleitflächen, d. h. der Taschenwandungen auf der am Heißgasstrom ausgesetzten Innenseite. Eine besonders günstige und gleichmäßige Kühlung der Taschen kann dann erreicht

werden, wenn gemäß Anspruch 4 die Taschen in Umfangsrichtung aneinanderschließend angeordnet sind und jeweils benachbarte Taschen die Luft in entgegengesetzten Richtungen ausströmen Iarsen, so daß die austretende Luft jeweils die Oberfläche der

ι" benachbarten Tasche trifft

Weitere zweckmäßige konstruktive Ausgestaltungen

der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, deren Flammrohr mit einer Wandkonstruktion nach der Erfindung versehen ist;

F i g. 2 eine verkleinerte perspektivische Darstellung der Außenseite des Flammrohrkopfes des Flammrohrs nach F i g. 1;

F i g. 3 einen Teil einer vergrößerten perspektivischen Darstellung der Innenseite der Wandkonstruktion des

Flammrohrs nach F i g. 1; und

Fig.4 einen Schnitt durch die Wündkonstruktion nach F i g. 3, der im gfeichen Maßstab gezeichnet ist wie Fig. 3.
In F i g. 1 ist ein Teil eines Flammrohrs 10 der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks dargestellt bei dem mehrere ähnliche Flammrohre vorhanden sind, die zwischen einer radial weiter innen liegenden ringförmigen Wand und einer radial weiter außen liegenden ringförmigen Wand 12 eines Luftführungsge-

J5 häuses eines Gasturbinentriebwerks angeordnet sind. Die übrigen Teile des Gasturbinentriebwerks sind nicht dargestellt; es sei jedoch bemerkt daß zu dem Triebwerk ein Verdichter gehört, der verdichtete Luft gemäß F i g. 1 in Richtung des Pfeilts A der Brennkam·

•w mer zuführt, und daß die Verbrennungsprodukte gemäß F i g. 1 von links nach rechts strömen und dazu dienen, eine nicht dargestellte Turbine anzutreiben.

Das Flammrohr 10 ist mit einem Brenner 13 versehen, der über eine Leitung 14 mit Kraftstoff gespeist wird, den Kraftstoff mit verdichteter Luft mischt, die vom Verdichter des Gasturbinentriebwerks aus über einen Kanal 15 zugeführt wird und das Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Flammrohr 10 über eine ringförmige Brenneröffnung 13a zuführt Der Brenner 13 ist so ausgebildet daß er das Kraftstoff-Luft-Gemisch in Richtungen abgibt, die allgemein im rechten Winkel zur Längsachse des Brenners verlaufen, so daß gemäß F i g. 1 ein allgemein torusförmiger Wirbel 16 aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. DerWirbel 16 zirkuliert in Richtung auf einen Flammrohrkopf 17 des

Flammrohrs 10 und bewegt sich dann längs der äußeren Umfangsfläche des Brenners 13 zu der ringförmigen Brenneröffnung 13a zurück. Ein Teil der durch den Kanal 15 strömenden

so verdichteten Luft wird über die Außenseite des Flammrohrkopfes 17 des Flammrohrs 10 geleitet, um dann in das Flammrohr über weitere Lufteinlässe 18 einzutreten, die gegenüber dem Brennerkopf in der Strömungsrichtung versetzt sind. Da die Achsen der

μ weiteren Lufteinlässe 18 annähernd im rechten Winkel zu dem über sie hinwegstreichenden Luftstrom verlaufen, wird die über die Einlasse 18 eintretende Luft gemäß Fi g. I veranlaßt, einen zweiten im wesentlichen

torusförmigen Wirbel 19 zu bilden, der sich in der Strömungsrichtung unmittelbar an den zuerst entstehenden Wirbel 16 anschließt, in dem jedoch die Luft entgegen der Zirkulationsrichtung des Wirbels 16 zirkuliert Ein Teil des von dem Brenner 13 abgegebenen Kraftstoffs wird von dem zweiten Wirbel 19 dort mitgerissen, wo die beiden Wirbel 16 und 19 aufeinandertreffen. Um die Verbrennung einzuleiten und aufrechtzuerhalten, ist eine in F i g. 1 nicht dargestellte Zündeinrichtung vorhanden.

Somit entstehen beim Betrieb der Brennkammer zwei im wesentlichen torusförmige Wirbel 16 und 19 aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, so daß sich eine zweistufige Verbrennung abspielen kann; hierbei ist der Wirbel 16 im Vergleich zu dem Wirbel 19 stärker mit Kraftstoff angereichert; in dem ersten Wirbel 16 spielt sich nur eine Teilverbrennung ab, jedoch wird die Verbrennung zuendegeführt wenn das Gemisch in den Wirbel 19 übertritt und sich weiter längs der Achse des Flammrohrs 10 bewegt. Der Wirbel 16 ist zwar so stark mit Kraftstoff angereichert, daß in ihm keine vollständige Verbrennung stattfinden kann, doch unterstützt er immerhin eine teilweise Verbrennung, und daher ist es erforderlich, den Flammrohrkopf 17 zu kühlen, um eine Überhitzung und Oxidation zu verhindern.

Im Hinblick hierauf muß dafür gesorgt werden, daß ein Kühlluftstrom erzeugt wird, der sich im Inneren des Flammrohrkopfes 17 allgemein entgegen der Hauptströmungsrichtung und in Richtung auf den Brenner 13 bewegt, d. h. dort, wo der erste Wirbel 16 auf den Flammrohrkopf auftrifft; dieser Kühlluftstrom muß sich in der gleichen Richtung bewegen, wie der ihm benachbarte Teil des ersten Wirbels 16.

Dort, wo der zweite Wirbel 19 auf die Wand des Flammrohrs 10 auftrifft, muß eine Strömung in der entgegengesetzten Richtung vorhanden sein, und dort, wo der Übergang zwischen den beiden Wirbeln 16 und 19 mit der Flammrohrwand zusammentrifft, müssen Strömungen in zwei einander entgegengesetzten Richtungen vorhanden sein, die gemäß F i g. 1 von einer Fläche 20a ausgehen, welche sich im wesentlichen im rechten Winkel zur Wand des Flammrohr an der betreffenden Stelle erstreckt Um das Entstehen dieser Strömungen zu fördern, die sich von der Fläche 20a aus in entgegengesetzten Richtungen bewegen, ist der Flammrohrkopf 17 mit Kühllufteinlässen 20 nach F i g. 3 versehen. Diese Kühllufteinlässe sind so ausgebildet, daß sie einen Kühlluftfilm auf der Innenwand des Flammrohrkopfes 17 derart erzeugen, daß er der Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisch in den benachbarten Teilen der Wirbel 16 und 19 nicht entgegenwirkt.

Gemäß Fig.3 sind die Kühllufteinlässe 20 als Taschen ausgebildet, die durch Wellungen 22 abgegrenzt sind, welche Mündungen aufweisen, die an dem in die Strömungsrichtung weisenden Rand eines ersten Kühlstreifens 23 bzw. an dem der Strömung zugewandten Rand eines zweiten Kühlstreifens 24 liegen. Jeder der Wellungen 22 wird Kühlluft über eine von mehreren öffnungen 21 zugeführt, mit denen der Flammrohrkopf 17 versehen ist Der der Strömung zugewandte Rar.d des Kühlstreifens 24 ist in Anlage an dem in die Strömungsrichtung weisenden Rand des Kühlstreifens 23 angeordnet

Die Mündungen der Wellungen 22 des Kühlstreifens 23 sind in der Umfangsrichtung des Flammrohrs so verteilt daß sie jeweils zwischen zwei benachbarten Mündungen der Wellungen 22 des zweiten Kühlstrei-ο fens 24 liegen, so daß die zugeführte Kühlluft gegenüber der Fläche 20a nach F i g. 1, in welcher der der Strömung zugewandte Rand des Kühlstreifens 24 und der in die Strömungsrichtung weisende Rand des Kühlstreifens 23 liegen, von den Wellungen 22 abwechselnd entgegen der Strömungsrichtung bzw. in der Strömungsrichtung abgegeben wird. Der Strömungsweg der Kühlluft, die über eine der öffnungen 21 zugeführt wird, ist in F i g. 4 bei der zugehörigen Wellung 22 durch Pfeile angedeutet

Die Kühlstreifen 23 und 24, die m;; dem Flammrohrkopf 17 durch Punktschweißstellen 26 verbunden sind, sind an ihrem der Strömung zugewandten Rand bzw. an ihrem in die Strömungsrichtung weisenden Rand so nach innen gekröpft daß die betreffenden Randabschnitte durch einen Abstand von der Innenwand des Flammrohrkopfes 17 getrennt sind, um gemäß F i g. 3 und 4 sekundäre, in das Flammrohr mündende Kühllufteinlässe 27 abzugrenzen. Den sekundären Kühllufteinlässen 27 wird Kühlluft über einige der öffnungen 21 des Flammrohrkopfes 17 zugeführt; die Strömungswege dieser Kühlluftströme sind in Fig.4 durch Pfeile 28 angedeutet Es ist somit ersichtlich, daß die durch die Kühllufteinlässe 20 erzeugten Kühlluftfilme durch Kühlluftfilme verstärkt werden, welche durch die sekundären Lufteinlass 27 erzeugt werden.

Die Kühlluftfilme, die durch die Wellungen 22 jedes der Kühlstreifen 23 und 24 erzeugt werden, bewegen sich jeweils zwischen den Wellungen 22 des betreffenden anderen Kühlstreifens hindurch, so daß ein Schutzfilm aus Kühlluft auf dem größten Teil der freiliegenden Flächen der beiden Kühlstreifen vorhanden ist. Ferner werden die Wellungen 22 selbst durch Wärmeleitung gekühlt da sie Wärme an die Kühlluftströme abgeben, welche die Wellungen in Richtung der Pfeile 25 durchströmen. Zwar zeigen die Zeichnungen die Kühlstreifen 23 und 24 so, als ob sie als getrennte Bauteile hergestellt wären, doch werden sie in der Praxis gemeinsam aus einem einzigen Blechstück gefertigt, so daß sie zusammenhängen.

Zwar ist die Erfindung vorstehend bezüglich eines Flammrohrs der bekannten büchsenförmigen Ausführungsart beschrieben, doch sei bemerkt, daß sich die ErfinrkJPg auch auf vorteilhafte Weise bei einem ringförmigen Flammrohr anwenden läßt, bei der mindestens ein Strömungsweg für das Kraf tstoff- Luft-Gemisch unterteilt wird, wenn die Strömung auf die Innenwand des Flammrohrs auftrifft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ringbrennkammer für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem Flammrohr, irit Brennern am stromoberseitigen Flammrohrende und einer ersten Verbrennungszone im axialen Bereich der Brenner und einer zweiten Verbrennungszone stromab hiervon, in denen das Brennstoff-Luftgemisch torusförmige Wirbel entgegengesetzter Drehrichtung ausbildet, wobei den Wänden des Flammrohrs im Bereich dieser Verbrennungszonen von außen Kühlluft über im Flammrohrinneren angeordnete Kühllufttaschen bildende Luftzuführungsbleche in stromauf- und stromabwärtiger Richtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der Kühllufttaschen (22) in etwa gleicher axialer Position bezogen auf die Flammrohrachse angeordnet sind und in Umfangsrichtung abwechselnd nach stromauf (28) und stromab (2S) gerichtet sind.

2. Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühllufttaschen (22) in einem einheitlichen Blechstreifen (23, 24) ausgeformt sind, der an der Wand des Flammrohrkopfes (17) festgelegt ist

3. Ringbrennkammer nach can Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Taschen (22) bildende Blechstreifen (23, 24) ringförmig ausgebildet ist

4. Ringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurc'i gekennzeichnet, daß die Mündungen der Kühlluftlaschen (32) in f Jmfangsrichtung mit aufeinanderfolgend jeweils entgegengesetzter Ausströmrichtung aneinander Schlieisn.