DE3007209A1

DE3007209A1 - Vorrichtung zum kuehlen der wand einer brennkammer

Info

Publication number: DE3007209A1
Application number: DE19803007209
Authority: DE
Inventors: Jaques Emile Jules Caruel; Simone Coutor; Philippe Marc Denis Gastebois
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1979-03-01
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1980-09-11
Also published as: US4329848A; FR2450349A1; DE3007209C2; GB2045421A; GB2045421B; FR2450349B1

Description

Patentanwälte

SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE /MOTEURS D'AVIATION (S.N.E.C.M.A.)

2, Boulevard Victor
75015 Paris /Prankreich

Vorrichtung zum Kühlen der Wand einer Brennkammer

Die Erfindung betrifft Brennkammern,, wie sie vor allem in Luftfahrt-Strahlturbinen verwendet werden. Sie sind dazu bestimmt, die Verbrennung eines Kraftstoffs in einer Luftströmung hohen Drucks sicherzustellen. Diese Brennkammern weisen eine als Flammenrohr bezeichnete Wand auf, die in Längsrichtung in der Luftströmung angeordnet und mit einer Kühlvorrichtung versehen ist, welche Mittel aufweist, um einen Luftfilm auf der Innenfläche der Wand auszubilden, und zwar mit dem Zweck, die Innenfläche der direkten Einwirkung der Flamme zu entziehen. Dieses Kühlverfahren ist unter der Bezeichnung "Filmkühlung" bekannt.

Das Hauptproblem, das dieses Verfahren stellt, besteht in der ausreichenden Verzögerung der Kühlluft auf eine gewünschte Geschwindigkeit gleich der der heißen Gase, um zu bewirken, daß die Kühlluft entlang der Innenfläche der zu

030037/0720

kühlenden Wand strömt, wobei sie dort einen regelmäßigen Film bildet.

Man hat bereits vorgeschlagen die Luft durch eine Vielzahl kleiner öffnungen eintreten zu lassen, die in einem eine erweiterte Form aufweisenden Element der zu kühlenden Wand angeordnet sind, wobei man annimmt, daß man auf diese Weise eine rasche Dämpfung der Geschwindigkeit der durch die öffnungen hindurchgehenden kleinen Luftstrahlen erzielen würde.

Andererseits weiß man, daß die Durchlässigkeit einer mit vielen öffnungen versehenen Fläche gering ist.

Man hat gleichermaßen vorgeschlagen, an die Wand des Flammenrohrs der Brennkammer ringförmige Absätze anzuschließen, die eine Art von ringförmigen, in regelmäßigen Längsabständen angeordneten Taschen bilden, welche vom Inneren des Flammenrohrs durch einen axial gerichteten Wandabschnitt bzw. eine axial gerichtete Zunge getrennt sind, wobei man die Kühlluft in diese Taschen eintreten läßt, von wo aus sie in Axialrichtung durch einen Schlitz austritt, der zwischen der Zunge und dem Flammenrohr gebildet wird. Bei diesem früheren Vorschlag jedoch sind die öffnungen, die als Lufteintritt in jede der Taschen dienen, in geringer Zahl vorgesehen und mit relativ großen Durchmessern ausgebildet, so daß die Verzögerung in den Taschen gering ist, ganz abgesehen davon, daß eine Zunge von beträchtlicher axialer Länge vorgesehen ist, was sich nachteilig auswirkt, da nämlich die Zunge, wenn sie erhöhten thermischen Belastungen unterworfen wird, die Gefahr von Deformationen mit sich bringt, die einen negativen Einfluß auf die Wirksamkeit des Films haben.

Um die Zunge zu verkürzen, wurde schon vorgeschlagen, die

030037/0720

Eintrittsöffnungen der Tasche derart anzubringen, daß sich die Strömungsrichtung der kalten Luft vor dem Austritt aus der Tasche umkehrt, oder man hat ein Strömungshindernis in der Tasche angeordnet. Diese Lösungen sind jedoch nachteilig₃ da sie schädliche Turbulenzen mit sich bringen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer ringförmigen Vorwölbung und einer ringförmigen Tasche,und sie richtet sich auf eine Weiterentwicklung, bei der die als Lufteintritt der Tasche dienenden öffnungen,, die in demjenigen Wandabschnitt der Vorwölbung angeordnet sind, welcher der Luftströmung entgegengerichtet ist und im wesentlichen senkrecht zur Wand der Brennkammer steht, einen kleinen Durchmesser aufweisen, wobei sie in mindestens drei kreisförmigen Reihen verteilt und, von einer Reihe zur anderen, zickzackförmig versetzt angeordnet sind.

Versuche haben gezeigt, daß diese spezielle Kombination trotz der axialen Strömungsrichtung der Strahlen durch die Eintrittsöffnungen hindurch' eine rasche Dämpfung von deren Geschwindigkeit in der Tasche sowie eine rasche Vereinigung dieser kleinen benachbarten Strahlen zu einer homogenen Strömung ermöglicht, was vorteilhaft ist für die Erzielung eines guten thermischen Wirkungsgrades, ohne zu einer zu großen Länge der Zunge zu führen. Die Zunge kann erfindungsgemäß an der Verbindungsstelle der Vorwölbung mit der Wand der Brennkammer enden. Außerdem bietet die Anordnung der öffnungen in einem Abschnitt der Wand, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft verläuft, und zwar weiter oben als die Dicke des zu erzeugenden Films, die Möglichkeit, der schlechten Durchlässigkeit abzuhelfen, die in der Regel von einer viel-

030037/0720

fach perforierten Wand geboten wird. Wenn von einem "im wesentlichen senkrechten" Wandabschnitt gesprochen wird, so ist hier darunter zu verstehen, daß der Winkel dieses Wandabschnittes mit der Wand des Flammenrohres erfindungsgemäß zwischen 90 und 70° liegt.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Konvektions-Wärmeaustausch durch die öffnungen hindurch an der Kühlung der Wand des Flammenrohres teilnimmt, und zwar an einer Stelle, die besonders stark den thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Schließlich verleiht die große Höhe der Vorwölbung der Brennkammer eine ganz beträchtliche strukturelle Widerstandsfähigkeit, und zwar insbesondere im Falle von Brennkammern mit großem Durchmesser, die zu Triebwerken mit erhöhtem Druckverhältnis gehören.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine Brennkammer einer Turbomaschine, auf die die Erfindung anwendbar ist;

Figur 2 in vergrößertem Maßstab die Einzelheit II aus Figur 1;

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2, gesehen in Richtung des Pfeils F, welcher gleichzeitig die Strömungsrichtung der Luft angibt.

Bei der Brennkammer nach Figur 1 handelt es sich um eine ring-

030037/0720

förmige Brennkammer, wie sie in bestimmten Turbomaschinen zur Anwendung kommt. Dies bedeutet, daß der Verbrennungsraum bzw. das Flammenrohr 1 eine ringförmige Rotationsform bezogen auf die Achse A-A bildet, die begrenzt wird von zwei koaxialen Wänden 2 und 3 von im wesentlichen zylindrischer Form, welche aus aufeinanderfolgenden Blechreifen bestehen. Die Erfindung kann jedoch gleichermaßen auch auf rohrförmige Brennkammern angewendet werden.

In dem ringförmigen Raum bzw. in dem Flammenrohr 1 findet die Verbrennung des Brennstoffs statt, der von Einspritzdüsen 4 eingebracht wird. Die Einspritzdüsen sind kranzförmig um die Achse A-A angeordnet.

Das ringförmige Flammenrohr 1 ist seinerseits innerhalb eines ringförmigen Raums angeordnet, bei dem es sich ebenfalls um eine Rotationsform bezogen auf die Achse A-A handelt, und zwar begrenzt durch koaxiale Wände 5 und 6.

Die Druckluft, die von einem nicht gezeigten Verdichter geliefert wird, tritt bei 7 in den von den Wänden 5 und 6 gebildeten Ringraum ein, und zwar derart, daß das von den Wänden 2 und 3 gebildete Flammenrohr von der diesen Raum ausfüllenden Luft umspült wird.

Ein Teil der Luft tritt zur Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs in das Flammenrohr 1 ein, wobei diese Luft um die Einspritzdüsen 4 herumströmt.

Die Luft kann außerdem in das Flammenrohr an anderen Stellen eintreten, welche auf dem Flammenrohr gestaffelt angeordnet sind, um die Verbrennung zu vervollständigen. Das Gasgemisch von hoher Temperatur verläßt das Flammenrohr durch eine zur Achse A-A konzentrische ringförmige öffnung-:8,· um die nicht gezeigte Turbine zu versorgen.

030037/07 2 0

Diese verschiedenen Merkmale sind an sich durchaus bekannt. Auch wird auf eine ringförmige Brennkammer nur als Beispiel Bezug genommen, da nämlich die Erfindung gleichermaßen anwendbar ist auf Brennkammern, deren Flammenrohr eine einfache zylindrische Form besitzt, wobei diese Brennkammern kranzförmig um die Achse A-A des Triebwerkes verteilt angeordnet sind.

Wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, besteht das Problem, mit dem sich die Erfindung beschäftigt,darin, auf denjenigen Flächen des Flammenrohres, die der hohen ■Verbrennungstemperatur ausgesetzt sind, nämlich im vorliegenden Fall auf der Innenfläche der äußeren Wand 2 und auf der äußeren Fläche der inneren Wand 3 einen Kühlfilm zu erzeugen, der eine homogene Strömung aufweist und dessen Geschwindigkeit durch diejenige Luft gesteuert wird, die aus dem von den Wänden 5 und 6 begrenzten. Hochdruckraum stammt.

Hierzu sind die Wände 2 und 3 an in Axialrichtung gestaffelten Stellen mit Vorrichtungen a, al, b, bl, c, el zum Einführen von Luft versehen. Eine dieser Vorrichtungen ist in vergrößertem Maßstab in den Figuren 2 und 3 dargestellt, und zwar mit etwa 5-facher Vergrößerung gegenüber der Wirklichkeit .

Jede dieser Vorrichtungen trägt eine nach außen gegenüber dem Flammenrohr vorspringende ringförmige Vorwölbung 10, die zwei

aufeinanderfolgende Reifen 2a, 2b bzw. 3a, 3b

der Wände 2 bzw. 3 miteinander verbindet. Diese Vorwölbung, die auf dem stromab gelegenen Reifen 2b vorspringt, sich jedoch fortschreitend an diesen anschließt, ist mit dem stromauf gelegenen Reifen 2a über einen Vorderabschnitt 11 verbunden, der im wesentlichen senkrecht zu diesem stromauf gelegenen Reifen verläuft. Die Ausdrücke "stromauf" und "stromab" be-

030037/0720

ziehen sich auf die Strömungsrxchtung. Die Vorwölbung bildet somit zwischen den Reifen 2a und 2b eine Art ringförmiger Tasche 12, welche vom Inneren des Flammenrohres durch eine Verlängerung des stromauf gelegenen Reifens 2a getrennt ist; diese Verlängerung wird im folgenden als Zunge 13 bezeibhnet. Die Tasche steht mit dem Inneren des Flammenrohres durch einen ringförmigen Schlitz 14 in Verbindung, der zwischen dem freien Ende der Zunge 13 und dem stromab gelegenen Reifen 2b gebildet wird, dessen Durchmesser größer als der des stromauf gelegenen Reifens 2a ist. Im Falle der Wand 3 liegen die Verhältnisse, umgekehrt; dort besitzt ein stromab gelegener Reifen, etwa" der Reifen 3b, einen kleineren Durchmesser als der stromauf gelegene Reifen 3a. Der im wesentlichen senkrecht zum Reifen 2a verlaufende Vorderabschnitt 11 der Wand weist eine Vielzahl von öffnungen 15 mit relativ kleinem Durchmesser auf, die kranzförmig über dem Umfang dieses VörderabSchnitts angeordnet sind. Die öffnungen sind klein genug, um auf mindestens drei Durchmessern verteilt angeordnet werden zu können, wobei man sie zickzackförmig versetzt, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform, die besonders gute Ergebnisse liefert, besitzen die öffnungen einen Durchmesser von 1,1 mm, wobei der Abstand zwischen den Achsen von zwei benachbarten öffnungen 2,2 mm beträgt, während der Schlitz l4 eine Höhe von 4 mm aufweist.

Die Vielzahl der Luftströme, die durch die öffnungen hindurchgehen, vermindern rasch ihre Geschwindigkeit, um eine homogene Strömung entstehen zu lassen, die aus dem Schlitz 14 austritt und die Wand des stromab gelegenen Reifens 2b überzieht, um eine wirksame Kühlung hervorzurufen. Die Zunge 13 kann folglich kurz sein. Es wurde gefunden, daß die Möglichkeit besteht, die Zunge an der Verbindungsstelle der Vorwölbung 10 mit dem stromab gelegenen Reifen 2b enden zu lassen, wie es in Figur 2 gezeigt ist.

030037/0720

Die frontale Anordnung der Öffnungen 15 in derjenigen Strömung, die durch den von den Wänden 5 und 6 begrenzten Ringraum hindurchgeht, ist vorteilhaft zur Erzielung eines angemessenen Durchsatzes durch diese Öffnungen hindurch, und zwar trotz der schlechten Durchlässigkeit einer vielfach perforierten Fläche. Man profitiert nämlich von der Erhöhung des Gesamtdruckes der Luft gegen den Vorderabschnitt 11 der Wand. Auch spielt es eine besondere Rolle, daß die Vorwölbunp; einen beträchtlichen Vorsprung auf dem stromauf gelegenen Reifen 2a bildet. Dies ermöglicht eine größere Fläche für die Perforierung. Man hat sehr gute Resultate erzielt mit einer Höhe der Vorwölbung in der Größenordnung des 1,5-fachen bis zum 2,5-fachen der Höhe des Schlitzes 14. Wie bereits angegeben, ist der Vorderabschnitt 11 der Wand im wesentlichen senkrecht zu dem Reifen 2a ausgerichtet, mit dem er in fester Verbindung steht. Allerdings wurde gefunden, daß der Winkel des Vorderabschnitts 11 mit dem Reifen 2a (der Winkel «c in Figur 2) geringfügig kleiner als 90° sein und bis auf den Wert von 70° abweichen kann.

Die Wirksamkeit der beschriebenen Vorrichtung, und zwar im Hinblick auf die regelmäßige Versorgung des Kühlfilms, nähert sich demjenigen Wert an, den man theoretisch mit einem durchgehenden Schlitz erzielt, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen der Wand des Flammenrohres angeordnet ist. Die Änderungen des durch die Öffnungen 15 hindurchgehenden Durchsatzes, und zwar hervorgerufen durch Herstellungstoleranzen, haben keinen Einfluß auf den Gesamtdurchsatz, der durch den Schlitz l4 austritt, und zwar ohne Geschwindigkeitsänderung beim Durchtritt durch diesen Schlitz.

Es sei darauf hingewiesen, daß die beschriebene Ausführungsform lediglich ein Beispiel darstellt, welches innerhalb des Rahmens der Erfindung insbesondere durch Ersatz-'fcechni scher Äquivalente abgeändert werden kann.

030037/0720

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Kühlvorrichtung für die Wand einer Brennkammer. Die Luft wird dem Raum außerhalb der Brennkammer mittels einer ringförmigen Vorwölbung 10 entnommen, die gegenüber der Brennkammer nach außen vorspringt und eine ringförmige Tasche 12 bildet, welche mit Außenluft durch öffnungen hindurch versorgt wird und mit dem Inneren der Brennkammer über einen ringförmigen Schlitz 14 in Verbindung steht, der zwischen der stromab gelegenen Innenwand der Kammer und einer die stromauf gelegene Wand verlängernden Zunge 13 vorgesehen ist. Die öffnungen 15 für den Eintritt der Luft in die Tasche, die in derjenigen Wand der Vorwölbung ausgebildet sind, welche der Strömungsrichtung der Luft entgegengerichtet ist und im wesentlichen senkrecht zur Wand der Brennkammer steht, weisen einen ausreichend kleinen Durchmesser auf, um in mindestens drei konzentrischen Reihen und, von einer Reihe zur andern, zickzackförmig angeordnet zu werden. Die Erfindung umfaßt ferner die Anwendung dieser Vorrichtung auf Turbomaschinen.

030037/0720

Leerseite

Claims

SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEUJRS D'AVIATION
(S.N.E.C.M.A.)

2, Boulevard Victor
75015 Paris /Prankreich

PATENTANSPRÜCHE

1/ Vorrichtung zum Kühlen der Wand einer Brennkammer

ittels Luft, die aus einem Raum außerhalb der Brennkammer stammt, mit einer ringförmigen Vorwölbung, die gegenüber der Brennkammer auf deren stromauf gelegener und auf deren stromab gelegener Wand nach außen vorspringt sowie eine ringförmige Tasche bildet, welche durch öffnungen mit Luft von außen her versorgt wird und mit dem Inneren der Brennkammer über einen ringförmigen Schlitz in Verbindung steht, der zwischen der stromab gelegenen Innenwand der Brennkammer und einer die stromauf gelegene Wand verlängernden, ringförmigen Zunge gebildet wird, wobei die radiale Höhe dieses Schlitzes kleiner ist als die radiale Höhe des Vorsprungs der Vorwölbung auf der stromauf gelegenen Wand, dadurch gekennzeichnet,

daß die öffnungen (15) für den Eintritt der Luft in die Tasche (12), die in demjenigen Abschnitt (11) der Wand der Vorwölbung (10)' vorgesehen sind, welcher der Luftströmung

030037/0720

entgegengerichtet ist und im wesentlichen senkrecht zur Wand der Brennkammer (1) steht, einen ausreichend kleinen Durchmesser aufweisen und ausreichend zahlreich sind, um in mindestens drei konzentrischen Reihen und, von einer Reihe zur anderen, zickzackförmig versetzt angeordnet zu sein.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchmesser der öffnungen (15) höchstens 1,5 mm beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand zwischen den Achsen von zwei benachbarten öffnungen (15) zwischen dem 1,5-fachen und dem 3-fachen des Durchmessers dieser öffnungen liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis I₃ dadurch gekennzeichnet,

daß die Höhe des ringförmigen Schlitzes (14) zwischen 1,5 und 8 mm liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Höhe des Vorsprungs, der von der Vorwölbung (10) auf der stromauf gelegenen Wand (2a) der Brennkammer (1) gebildet wird, größenordnungsmäßig das 1,5-fache bis zum 2,5-fachen der Höhe des ringförmigen Schlitzes (14) beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorderwand (11) der Vorwölbung (10) mit der Wand (2a)

030037/0720

der Brennkammer (1) einen Winkel zwischen 90° und 70° bildet.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Zunge (13) im wesentlichen an der Verbindungsstelle zwischen der Vorwölbung (10) und der stromab gelegenen Wand (2b) der Brennkammer (1) endet.

030037/0720