DE3113382A1

DE3113382A1 - "ringbrenner"

Info

Publication number: DE3113382A1
Application number: DE19813113382
Authority: DE
Inventors: Steven Charles Peterson; Leonard Wayne 06066 Vernon Conn. Stevens; Ibrahim Seyfeddin 06040 Manchester Conn. Tanrikut
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1981-04-02
Publication date: 1982-04-22
Also published as: FR2479903B1; GB2073401B; DE3113382C2; US4322945A; JPH0229937B2; GB2073401A; FR2479903A1; JPS56168039A; CA1170061A

Description

Ringbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf Ringbrenner von Gasturbinen und betrifft insbesondere den Hitzeschutz oder Wärmeschild der Brennstoffdüse, die an dem vorderen Ende eines Ringbrenners befestigt ist.

Auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke ist es bekannt, daß die Lebensdauer der Triebwerksteile von überragender Bedeutung ist und daß ein Triebwerk um so langer ohne das teuere Stilllegen des Flugzeuges, daß durch die Reparatur oder den Austausch solcher Teile erforderlich wird, arbeiten kann, je langer ein Triebwerksteil hält. Es ist deshalb ständiges Bestreben, Triebwerksteile zu entwickeln, die die aggressive Umgebung aushalten können, der sie ausgesetzt sind. Ein Bereich, der besondere Schwierigkeiten bereitet, befindet sich, wie zu erwarten, in dem

Brenner und insbesondere dort, wo die Brennstoffdüsen in den Brennereinsatz oder das Brennerfutter eingeführt sind. Die Brennstoffdüsenführung, die die Brennstoffdüse am vorderen Ende des Ringbrenners abdichtet, ist bislang außergewöhnlichen Wärmespannungen ausgesetzt und stellt deshalb bislang ein Wartungsproblem dar.

Bislang wird der Wärmeschild einstückig mit der Einsatzwand hergestellt. Der Wärmeschild dient dabei nicht nur zum Schutz der Düsenvorrichtung, sondern auch zum Abstützen der Düsenführung, die schließlich die Brennstoffdüse trägt. Aufgrund der Tatsache, daß stromaufwärts von dem Wärmeschild an der Brennstoffdüse eine niedrigere Temperatur auftritt als sie der Wärmeschild hat, führen hohe Wärme spannungen zur Verringerung der Nutzlebensdauer des Wärmeschildes. Wegen des bislang üblichen Aufbaus bilden Reparatur und/oder Austausch ein kompliziertes Wartungsproblem, da es erforderlich ist, die Wärmeschutzvorrichtung aus dem Einsatz herauszuschneiden und eine reparierte oder eine Austauschwärmeschutzvorrichtung wieder anzuschweißen.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß sich die obigen Probleme vermeiden lassen, indem die auf höherer Temperatur arbeitende Vorrichtung von der auf niedrigerer Temperatur arbeitenden Vorrichtung getrennt wird, was eine unbehinderte Wärmeausdehnung gestattet. Außerdem werden gemäß der Erfindung das Entfernen des Wärmeschildes vereinfacht und dessen Wartungskosten gesenkt, indem ermöglicht wird, den Wärmeschild zu entfernen, ohne den ihn tragenden Brennereinsatz zu gefährden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmeschild für die an dem vorderen Ende eines Ringbrenners eines Turbinentriebwerks befestigte Brennstoffdüse zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird der Wärmeschild von dem normalerweise kälteren Durchführungsring des jalousie- oder fensterladenartig aufgebauten Einsatzes getrennt, um eine unbehinderte thermische Expansion und Kontraktion zu gestatten.

Weiter werden gemäß der Erfindung die Kühlluftlöcher zur Verbesserung der Kühlung und die Belüftungslöcher zum Verhindern des Flammhaltens zweckmäßig angeordnet.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines bekannten Wärmeschildes, der in herkömmlicher Weise einstückig mit der Brennkammer hergestellt ist,

Fig. 2 in Draufsicht die Einzelheiten der Erfindung, Fig. 3 eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 von Fig.2, Fig. '4 eine Teildraufsicht von Fig. 2, und

Fig. 5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung dient, wie oben erwähnt, zum Befestigen und Schützen der Brennstoffdüse an dem vorderen Ende eines Ringbrenners , bei dem es sich beispielsweise um den in dem Triebwerk JT-9D verwendeten Typ handeln kann, das von der Pratt and Whitney Aircraft Group der United Technologies Corporation hergestellt wird und auf das bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Der bekannte Aufbau ist in Fig. 1 gezeigt, wobei nur eine der mehreren Düsenführungen 10 gezeigt ist. Es ist jedoch klar, daß mehrere derartige Vorrichtungen umfangsmäßig um das vordere Ende des Ringbrenners

angeordnet sind, der insgesamt mit der Bezugszahl 12 bezeichnet ist. Der Brenner, der aus dem herkömmlichen jalousie- oder fensterladenartig aufgebauten Einsatz besteht, hat ein äußeres ringförmiges Einsatzteil 16 und ein inneres ringförmiges Einsatzteil 14, die miteinander verbunden sind und eine ringförmige Brennkammer 18 bilden. Die Düsenführung dient zum Haltern der Brennstoffdüse (nicht dargestellt) in dem vorderen Ende des Brenners, und die Führung hat die Aufgabe , der Düse zu gestatten, sich relativ zu dem Einsatz zu bewegen. Die Führung, die die Brennstoffdüse trägt, ist deshalb axial eingespannt, aber bewegt sich radial, was im folgenden noch näher erläutert ist. Bei diesem Aufbau der Füh-. rung trägt diese an ihrem hinteren Ende, das der Brennkammer 18 zugewandt ist, einen sich radial erstreckenden Flansch, der als ein Wärmeschild zum Schutz der Brennstoffdüse und der sie tragenden Vorrichtung dient.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 am besten verständlich, die eine der Anordnungen aus Brennstof fdüsenf ührungen, Wärmeschild und Tragvorrichtung zeigt. Der Brennereinsatz trägt an seinem vorderen Ende ein ringförmiges Teil, das den inneren und den äußeren Einsatz miteinander verbindet und mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete öffnungen hat, von denen jede die Düsenführungen und deren zugeordnete Vorrichtungen aufnimmt. Bezüglich weiterer Einzelheiten dieses Aufbaus wird auf das oben erwähnte Triebwerk JT-9D verwiesen. Gemäß Fig. 3 ist ein maschinell bearbeiteter Durchführungsring 20 an die vordere Wand 22 des Brenners angeschweißt und dient zum losen Haltern des insgesamt mit der Bezugszahl 24 bezeichneten Wärmeschildes und der Brennstoffdüsenführung 26. Der Wärmeschild 24 weist zwei Ringe 28 und 30 auf, die an Ort und Stelle durch eine Schweißung 32 stumpf zusammengeschweißt werden, nachdem sie zwischen sich den maschinell bearbeiteten Durchführungsring 20 aufgenommen haben. Der Flanschteil

34 der Brennstoffdüsenführung 26 liegt an der Stirnfläche des Ringes 28 an. Ein im Querschnitt H-förmiges Teil 40 dient zum Befestigen der Brennstoffdüsenführung 26 derart, daß sie in bezug auf den Wärmeschild 24 und den Durchführungsring 20 des Einsatzes verschiebbar ist. Der vordere Schenkel 42 der im Querschnitt H-f örmigen Klammer ist an die Stirnfläche des Flansches 34 der Brennstoffdüsenführung 26 längs einer Schweißung 44 angeschweißt, so daß sie den Ring 28 und den nach oben ragenden Flansch des maschinell bearbeiteten Durchführungsringes 20 einschließt. Der Quer- oder Stegteil 46 der H-förmigen Klammer sitzt radial in komplementären Nuten 48 und 50, die in dem Ring 28 und in dem nach oben ragenden Flansch des maschinell bearbeiteten Durchführungsringes 20 gebildet sind.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Brennstoffdüsenführung 26, die mit der H-förmigen Klammer 40 verbunden ist, durch die parallelen, Abstand voneinander aufweisenden Wände der H-förmigen Klammer axial eingespannt ist und sich radial innerhalb der Nuten 48 und 50 bewegen kann. Darüber hinaus dient die H-förmige Klammer 40 zum Verhindern einer Drehbewegung des Wärmeschildes 24.

Es ist weiter zu erkennen, daß der Wärmeschild 24 ein einstückiges Teil ist, das nur dadurch befestigt ist, daß es zwischen den Einsatzdurchführungsringflansch und der Brennstoffdüsenführung aufgenommen und darin durch die H-förmige Klammer eingespannt ist. Im Betrieb des Triebwerkes, wenn der Brenner gezündet ist, ist der Ring 30 des Wärmeschildes der höchsten Temperatur ausgesetzt, während der Einsatzdurchführungsring 20 einer viel niedrigeren Temperatur ausgesetzt ist. Die große Temperaturdifferenz, die im Stand der Technik große Wärmespannungen an der bislang verwendeten Kombination aus maschinell bearbeitetem Durchführungsring und Wärmeschild hervorgerufen hat, begrenzte deren Lebensdauer.

Dank der Trennung des WärmeSchildes, durch die dieser die Möglichkeit erhält, sich unabhängig von dem übrigen Aufbau zusammenzuziehen und auszudehnen, wird die Lebensdauer des Wärmeschildes stark verlängert.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist es, daß das Problem, das durch lokale Hitzepunkte, die auf eine Flammhaltung zurückzuführen sind, welche durch Stagnationszonen in dem Brenner hervorgerufen wird, minimiert wird..Die Verbrennung wird in Rezirkulationszonen in dem Brenner aufrechterhalten, die gegenüber der Geschwindigkeit der Gasströme relativ ruhig sind. Die Stagnationszonen, die in der Nähe der Stelle, wo der Brennstoff eingespritzt wird, vorhanden sind, werden die Flamme halten. Offensichtlich ist eine Zone einer nichtgewollten Flammhaltung unerwünscht, weil sie das Material in ihrer Nähe erhitzt. Um das zu verhindern, sind gemäß der Erfindung mehrere Löcher 51 in der Stirnseite des Flansches 34 der Brennstoffdüsenführung 26 gebildet. Verdichterluft stromaufwärts des Brenners strömt durch die Löcher 51 hindurch und belüftet den ringförmigen Spalt 52, der zwischen der Brennstoffdüsenführung 26 und dem Wärmeschild 24 gebildet ist.

Das Kühlen des Wärmeschildes und des maschinell bearbeiteten Durchführungsringes 20 erfolgt durch Hindurchleiten von Verdichteraustrittsluft durch die Öffnungen 54 und 56, die in dem maschinell bearbeiteten Durchführungsring gebildet und so gewählt sind, daß die Kühlluft auf die Rückseite des der Brennkammer zugewandten Teils des Wärmeschildes auftrifft und so gerichtet wird, daß eine Filmkühlung des maschinell bearbeiteten Durchführungsringes erfolgt.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die größtenteils mit dem in den Fig. 2-4 gezeigten Aufbau übereinstimmt. Der bedeutsame Unterschied besteht darin, daß der Ring 28 und die Stumpfschweißung 32 besei-

tigt und durch Umbördeln des Ringes 30' an Ort und Stelle an dem Ende·60 ersetzt werden, durch das dieses an einer Schulter 62 in Anlage kommt, die an dem Innenumfang des Durchführungsringes 20 gebildet ist.

Diese modifizierte Version gestattet die Verwendung von in gegenseitigem ümfangsabstand angeordneten Vorsprüngen 66, die zum axialen Positionieren des Ringes 30* dienen und den Ring 30', der der durch die Verbrennung hervorgerufenen hohen Temperatur ausgesetzt ist, daran hindern, so zu schrumpfen, daß er den Strom von aus den Öffnungen 54 und 56 austretender Kühlluft behindert.

In beiden Konfigurationen wird der Austausch des Wärmeschildes erleichtert, da das Entfernen desselben sehr vereinfacht wird. Der bislang verwendete herkömmliche Wärmeschild, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird, wie oben erwähnt, einstückig mit der Brennkammer hergestellt, und das Entfernen des Wärmeschildes erfordert das Zerschneiden der Brennkammer. In der Konfiguration der Fig. 2-4 wird der Wärmeschild entfernt, indem lediglich die Schweißung 32 entfernt wird, um die Ringe 28 und 30 zu trennen, nachdem die Brennstoffdüsenführung entfernt worden ist. Neue Ringe werden dann an Ort und Stelle verschweißt, und die Brennstoffdüsenführung wird ersetzt, ohne daß bauliche Veränderungen an dem Einsatz des Brenners vorgenommen werden müssen.

In der Konfiguration von Fig. 5 ist das Zurückbördeln des Ringes 30' ausreichend, um den Wärmeschild entfernen zu können,und ein neuer Ring wird dann in der oben beschriebenen Weise umgubördelt.

44.

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

Ringbrenner für ein Turbinentriebwerk, der einen ringförmigen vorderen Endteil relativ zu dem Strom von darin strömenden Verbrennungsprodukten hat, mit mehreren Brennstoffdüsenführungs- und Wärmeschildteilen (26 bzw. 24), die in gegenseitigen Umfangsabstand aufweisenden Löchern angeordnet sind, welche in dem vorderen Endteil gebildet sind, um Brennstoff düsen abzustützen, abzudichten und zu schützen, die für die Zufuhr von Brennstoff zu dem Ringbrenner vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüsenführungs- und Wärmeschildteile (26, 24) aufweisen: eine Büchse mit einem vorderen Flansch (34), der sich über die Öffnung hinaus erstreckt; ein Flanschteil, das im Querschnit U-förmig ist und einen nach oben ragenden Teil hat, der mit Abstand von und parallel zu dem vorderen Flansch der Büchse angeordnet ist; einen ersten Ring (28) und einen zweiten Ring (30), die an Ort und Stelle miteinander verbunden worden sind und einen U~förmigen Querschnitt haben, wobei ein Schenkel des ersten Ringes parallel zu der Stirnfläche des vorderen Flansches (34) ist und an dieser anliegt, während der andere Schenkel des

zweiten Ringes eine vordere Stirnfläche hat zum Abschirmen des Brennstoffdüsenführungs- und Wärmeschildteils vor der Flamme in dem Brenner; einen Durchführungsring (20), der einen verlängerten Flansch parallel zu dem Schenkel, des ersten Ringes (28) hat und an diesem anliegt; und eine Vorrichtung (40) zum Befestigen der Büchse, des ersten und des zweiten Ringes (28, 30) und des Durchführungsringes (20), so daß die Büchse relativ zu dem Durchführungsring verschiebbar ist.
2. Ringbrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Klammer mit einem H-förmigen Körper, wobei ein H-Schenkel (42) mit der Stirnfläche des Flansches (34) der Büchse verbunden ist, während der andere an der entfernten Stirnfläche des Durchführungsringes (20) anliegt und der H-Quersteg (46) in komplementären Schlitzen (48, 50) angeordnet ist, die in dem ersten Ring (28) und dem Durchführungsring (20) gebildet sind.
3. Ringbrenner nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Verhindern des Flammhaltens an der Büchse, mit Löchern (51) in dem Flansch (34) der Büchse (26) axial in einer Linie mit dem Zwischenraum (52), der zwischen der Büchse und dem Steg teil des U-förmigen Querschnittes des ersten und zweiten Ringes (28, 30) gebildet ist.
4. Ringbrenner nach Anspruch 3·, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Kühlen des Wärmeschildes (24) durch Richten von Kühlluft aus Öffnungen (54, 56), die in dem Durchführungsring (20) gebildet sind, auf die Rückseite des zweiten Ringes (30) und Bilden eines Spalts zwischen dem zweiten Ring und dem Durchführungsring, um einen Kühlluftfilm zu bilden.
5. Ringbrenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einer im wesentlichen ringförmigen Vorderwand, gekennzeichnet durch Wärmeschildbrennstoffdüsenführungsteile (24, 26), die in mehreren, in gegenseitigem ümfangsabstand angeordneten öffnungen in der Vorderwand angeordnet sind, um Brennstoffdüsen, die zur Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner vorgesehen" sind, zu tragen, abzudichten und vor Hitze zu schützen, durch einen Durchführungsringflansch (20), der in jeder der öffnungen abgestützt ist und einen ü-förmigen Querschnitt hat, von welchem sich ein Abstand aufweisender Schenkel nach oben erstreckt,, wobei die Wärmeschildbrennstoffdüsenführung auf-. weist: eine Büchse, die einen vorderen Flansch hat, der sich parallel zu dem Schenkel erstreckt und an diesem anliegt, eine Schulter (62), die an dem Stegteil des im Querschnitt U-förmigen Teils (20) gebildet ist, einen Ring (30'), der einen konzentrischen Stegteil und eine Wärmeschildfläche hat, die sich hinter dem anderen Schenkel des U-förmigen Teils (20) erstreckt und Abstand von diesem aufweist, wobei das vordere Ende des Stegteils des Ringes im Durchmesser zunimmt, an der Schulter anliegt und dadurch an dieser befestigt ist, mehrere axiale öffnungen (54) in dem Flansch der Büchse zum Leiten- von Luft in den Zwischenraum zwischen der Stegteilwand des Ringes und der Büchse, um eine Flammhaltung in deren Nähe zu verhindern, mehrere in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete Vorsprünge (66) zwischen dem Wärmeschild und dem Durchführungsringflansch, die einen Zwischenraum zwischen diesen festlegen, und eine Vorrichtung zum Leiten von kalter Luft durch öffnungen (56) in dem Durchführungsringflansch, damit diese Luft auf den Wärmeschild auftrifft, einen Kühlluftfilm in dem Zwischenraum bildet und dann in den Brenner austritt.