DE4041026A1

DE4041026A1 - Gekühlte dünne Verkleidung aus Metall

Info

Publication number: DE4041026A1
Application number: DE4041026A
Authority: DE
Inventors: George P Liang
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2010-12-21
Also published as: US5407133A; DE4041026C2

Abstract

Ein erstes Metallflachstück (34) besitzt Öffnungen (46), die mit Vertiefungen (40) in einem zweiten Metallflachstück (36) ausgerichtet sind, das mit dem ersten Metallflachstück (24) in Berührung steht. Jede Vertiefung besitzt eine stromabseitige Wand (42), die sich in einem Winkel von 24 DEG von der Ebene der Flachstücke wegerstreckt. Eine in der Vertiefung (40) vorhandene Dosieröffnung (56) ermöglicht das Einströmen von Kühlluft in einer derartigen Richtung, daß die Kühlluft zuerst auf einen Überdeckungsbereich (48) der ersten Platte bzw. des ersten Flachstücks auftrifft, bevor sie dann die stromabseitige Wand (42) entlangdiffundiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dünne flachstückartige Verkleidungen aus Metall für heißes Gas führende Passagen und befaßt sich mit einer Anordnung zum Kühlen der Verkleidung.

Austrittsdüsen von Gasturbinenmotoren können Flächen variierungsklappen beinhalten. Diese Klappen müssen im Betrieb hohen Austrittsgastemperaturen in der Größenordnung von 4500°F (ca. 2480°C) standhalten. In diesem Zusammenhang ist es üblich, eine Verkleidung und Kühlluft vorzusehen, um die darunter befindliche Konstruktion vor den hohe Temperaturen aufweisenden Gasen zu schützen.

Während in der Vergangenheit relativ massive Verkleidungen verwendet worden sind, hat man auch Versuche zur Herstellung dünner Verkleidungen aus Metall unternommen. Derartige Verkleidungen besitzen den Vorteil eines geringen Gewichts sowie minimaler Wärme- und Druck spannungen aufgrund von Biegevorgängen.

Bei Strömungskörpern bzw. der Strömung ausgesetzten oder die Strömung leitenden Körpern für Gasturbinenmotoren besteht ein ähnliches Problem hinsichtlich des Betriebs in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Es ist bekannt, Kühlluft in hohle Strömungskörper einzuleiten und diese Luft durch Öffnungen in dem Strömungskörper zu leiten, um die Oberfläche zu kühlen. Die US-PS 4 653 983 zeigt Diffusionsöffnungen mit einem länglichen Dosierloch gefolgt von einem dreidimensionalen Diffusionsbereich, wobei diese allesamt in einem Winkel zu der äußeren Oberfläche angeordnet sind. Solche Öffnungen haben sich zum Kühlen der Oberfläche von Gasturbinen-Strömungs körpern als wirksam erwiesen.

Die resultierenden Luftströmungsbedingungen solcher Strö mungskörper wären bei Verkleidungen zwar wünschenswert, jedoch ist es bisher nicht gelungen, derartige Öffnungen in dünnen Wänden vorzusehen. In der US-PS 4 773 593 wird eine Anordnung zum Simulieren solcher Öffnungen vorgeschlagen. Es wurden trapezförmige Vertiefungen in der Verkleidung ausgebildet, wobei die Trapezform in Strömungsrichtung breiter wird und die Oberfläche des Trapezes in einem Winkel zwischen 5° und 20° in bezug auf die Ebene der Verkleidung angeordnet ist. Eine Luftstrom- Dosieröffnung wurde am stromaufseitigen Ende dieser Vertiefung plaziert, um die Luftströmung auf die Oberfläche der Vertiefung sowie diese entlang zu lenken.

Im Vergleich zum Stand der Technik führte eine derartige Anordnung in der Tat zu einer verbesserten Kühlwirkung. Es scheint jedoch, daß sich der kühlende Luftstrom nicht ausreichend ausbreitet und daß ein Teil des heißen Gases in die Vertiefung eingesaugt wird. Dies geschieht möglicherweise aufgrund des geringen statischen Druckes des eine relativ hohe Geschwindigkeit aufweisenden Strahls unmittelbar stromab von der Dosieröffnung.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer dünnen Verkleidung, bei der sich eine diffundierte Strömung von Kühlluft durch die dünne Verkleidung in einer derartigen Weise erzielen läßt, daß sich eine verbesserte Kühlung der heißen Oberfläche der Verkleidung ergibt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die gekühlte Verkleidung aus einem ersten und einem zweiten Metall flachstück gebildet, die vorzugsweise durch Hartlöten miteinander verbunden sind. In der Verkleidung befinden sich mehrere Gasdiffusionsöffnungen, die vorzugsweise in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sind.

Jede Diffusionsöffnung beinhaltet eine eingeformte Vertiefung in dem zweiten Metallflachstück, die in Richtung von dem mit dem heißen Gas in Berührung befindlichen ersten Metallflachstück weg nach Art einer Eindrückung eingeformt ist. Zwischen den beiden Flachstücken ist eine Kammer gebildet, wobei sich die stromabseitige Wand der Vertiefung in einem Winkel zwischen 10° und 30° zu der Ebene des ersten Metallflachstücks erstreckt. Eine Öffnung in dem ersten Metallflachstück ist mit der stromabseitigen Wand der Vertiefung ausgerichtet, jedoch überdeckt ein Bereich des ersten Metallflachstücks den stromaufseitigen Bereich der Kammer.

Eine Dosieröffnung in der eingeformten Vertiefung ist derart angeordnet, daß diese durchströmendes Kühlgas auf die Begrenzungsfläche der Kammer auftrifft, wodurch das Kühlgas bzw. die Kühlluft nach dem Auftreffen auf diese Begrenzungsfläche die stromabseitige Wand entlangdiffun diert und gleichmäßig in die Gasströmungsbahn eintritt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In den Zeich nungen zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht unter Darstellung einer Düsenklappe;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Klappe unter Darstel lung der allgemeinen Strömung der Kühlluft;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Klappe gesehen in Richtung der Gasströmung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Verkleidung, wobei einige Schichten zum Teil weggebrochen sind;

Fig. 5 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht durch eine Gasdiffundieröffnung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Vertiefung;

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Öffnung in dem auf der Gasseite befindlichen Metallflachstück in dessen auf der Vertiefung aufliegendem Zustand;

Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 der Fig. 5;

Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 der Fig. 5:

Fig. 10 eine Schnittansicht durch eine Diffusionsöff nung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und

Fig. 11 eine Draufsicht auf die Darstellung der Fig. 10.

In Fig. 1 ist eine Düsenanordnung 10 für einen Gasturbinenmotor dargestellt, die eine obere bewegliche Klappe 12 und eine untere bewegliche Klappe 14 aufweist. Die Klappen lassen sich in abdichtender Anlage an den Seitenwandungen 16 nach oben und nach unten verschwenken. Derjenige Bereich der Düse, der den diese durchlaufenden heißen Gasen ausgesetzt ist, ist mit einer Verkleidung 18 überdeckt, die von einer zellenförmigen Tragekonstruktion 20 getragen ist. Dadurch ist eine Kühlkammer 22 unter der Verkleidung 18 gebildet.

Das Hauptziel des Kühlluftstromes besteht in der lokalen Kühlung der Verkleidung, die dem heißen Gas ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck kann in der zu Fig. 2 gezeigten Weise ein Kühlluftstrom 24 durch einen Schwenkzapfen 26 ins Innere der beweglichen Klappe 14 eintreten, und zwar insbesondere durch die Kammer 22.

Eine weitere Kühlkammer 28 ist zwischen der dünnen Ver kleidung 18 und einer Auftreff-Verteilungsplatte 30 ge bildet. Kleine Öffnungen in dieser Verteilungsplatte ermöglichen ein Einströmen des Kühlluftstromes in die Kammer 28, wobei diese Öffnungen derart gewählt sind, daß sie in der gewünschten Weise eine Auftreffkühlung der dünnen Verkleidung 18 schaffen. Es ist darauf hinzuweisen, daß dies unabhängig von sowie zusätzlich zu dem nachfolgend in bezug auf die einzelnen Diffundieröff nungen noch ausführlich zu beschreibenden Auftreffvorgang erfolgt.

Die Strömung des heißen Gases 32 erfolgt in der dargestellten Weise von stromauf nach stromab.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 zu sehen ist, ist die dünne Verkleidung 18 aus zwei miteinander verbundenen Platten gebildet, wobei sich die Platte 34 auf der heißen Seite befindet und dem heißen Gas ausgesetzt ist und die Platte 36 auf der kalten Seite mit der Platte 34 verbunden ist. Außerdem ist die allgemeine Verteilungs platte 30 zu sehen. Eine Mehrzahl von Diffusionsöffnungen bzw. Diffundieröffnungen 38 ist in einem Schachbrettmu ster angeordnet, um die Kühlluft durch die Verkleidung zu führen, um dadurch eine Schleierkühlung bzw. schichtar tige Kühlung derselben zu schaffen.

Die Fig. 5 bis 9 zeigen Details einer einzelnen Gasdiffundieröffnung 38. Das erste Metallflachstück 34 besitzt eine Dicke von 0,04 Inch (ca. 1 mm), und das zweite Metallflachstück 36 besitzt eine Dicke von 0,01 Inch (ca. 0,25 mm). Eine eingeformte Vertiefung 40 in dem Flachstück 36 besitzt eine stromabseitige Wand 42, die im wesentlichen eben ist und in einem Winkel 44 von 24° in bezug auf die Ebene des ersten Metallflachstücks 34 an geordnet ist. Dieser Winkel liegt vorzugsweise zwischen 10° und 30° zur Ebene des ersten Flachstücks.

Das erste Flachstück 34 besitzt darin ausgebildete trapezförmige Öffnungen 46. Das Flachstück 34 besitzt einen Überdeckungsflachstückbereich 48 auf der stromauf gelegenen Seite der Öffnungen, der den stromaufseitigen Bereich 50 der Vertiefung überdeckt. Dieser Überdeckungs bereich 48 überdeckt auch den stromaufseitigen Bereich der stromabseitigen Wand 42. Dadurch ist eine Kammer 52 gebildet, die durch die Flächen des stromaufseitigen Bereichs 50 der Vertiefung, des Überdeckungsflachstücks bereichs 48 sowie der stromabseitigen Wand 42 begrenzt ist.

Die Vertiefung besitzt eine Dosieröffnung 56 mit einem Durchmesser von 0,26 Inch (ca. 6,6 mm), die derart angeordnet und ausgebildet ist, daß der Kühlluftstrom auf den Überdeckungsflachstückbereich 48 des ersten Flachstücks auftrifft. Diese Dosieröffnungen stabilisie ren die Strömungsverteilung zu den verschiedenen Diffundieröffnungen, wobei diese Strömung aufgrund lokaler Druckabweichungen in dem heißen Gasstrom eine Tendenz zu Schwankungen haben könnte.

Einströmendes Kühlgas niedriger Temperatur trifft auf das Flachstück 48 auf und kühlt dieses lokal, wobei das Gas außerdem dazu veranlaßt wird, sich auszubreiten und im wesentlichen mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit Schlitze bzw. verengte Öffnungen 58 zu durchlaufen. Bei diesen Öffnungen 58 handelt es sich jeweils um die minimale Öffnung zwischen dem Überdeckungsflachstückbe reich 48 und der stromabseitigen Wand 42. Die Strömungs fläche dieser Öffnung beträgt 0.00086 Inch (ca. 0,55 mm²) im Vergleich zu der Strömungsfläche von 0,00053 Inch (ca. 0,34 mm²) der Dosieröffnung. Somit wird die Geschwindigkeit des Kühlmittels bzw. der Kühl luft bei der Passage in Richtung auf den Gasstrom redu ziert, und es wird außerdem im wesentlichen gleichmäßig über die Öffnung verteilt. Die Strömungsfläche dieser Öffnung 58 ist größer als die Strömungsfläche der Dosier öffnung, sollte jedoch das Siebenfache der Fläche der Dosieröffnung nicht übersteigen. Eine derartige, übermäßig große Fläche würde zu einer zu geringen Ein strömgeschwindigkeit führen.

Fig. 8 zeigt die Strömungsfläche 52 unmittelbar an der Kante des Überdeckungsflachstückbereichs 48 des Flachstücks 34, während Fig. 9 die Lage der stromabseitigen Wand 42 an einer Stelle zeigt, an der die Öffnung 46 über der stromabseitigen Wand liegt. Eine hypothetische Verlängerung 60 der stromabseitigen Wand verläuft derart, daß sie die obere Oberfläche 62 der ersten Platte 34 an der stromabseitigen Kante 62 zwischen der trapezförmigen Öffnung 46 und dieser Oberfläche 62 verläßt. Die Ausbildung der Vertiefung 40 mit der relativ ebenen Fläche 42 führt zur Bildung eines Paares von Krüm nungslinien 64, die im wesentlichen den äußeren Rand der stromabseitigen Wand 42 definieren. Diese Krümmungslinien erstrecken sich in einem Winkel 66 von 25° in bezug auf die in Fig. 6 dargestellte Linie 68, bei der es sich um die Längsmittenlinie durch die jeweilige Vertiefung 40 handelt.

Die Fig. 10 und 11 zeigen ein weiteres Ausführungsbei spiel, bei dem der Überdeckungsflachstückbereich 48 des ersten Flachstücks 34 unter Bildung eines freitragenden Abschnitts 70 in die Kammer 52 hinein nach unten abgebogen ist. Eine Aufprallöffnung 72 ist derart angeordnet, daß die Aufprallwirkung gegen diesen Überdeckungsbereich gerichtet ist. Dies sorgt auch für die Diffusion der einströmenden Luft, so daß sich diese in im wesentlichen parallelen Strömungslinien mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit durch die Öffnung 74 bewegt.

Die relativ hohe Geschwindigkeit des einströmenden, dosierten Luftstroms wird in einem Bereich reduziert, wo er von Begrenzungsflächen umgeben ist. Dadurch wird der Luftstrom in seiner Geschwindigkeit reduziert sowie diffundiert, ohne daß dabei heißes Gas aus dem Hauptgasstrom aufgenommen wird, wie dies ansonsten durch niedrige statische Druckwerte in dem Strahl verursacht wird.

Während man bei den Diffundieröffnungen gemäß US-PS 4 773 593 eine Verbesserung der Kühlwirkung von 10% im Vergleich zu den diagonalen Öffnungen des Standes der Technik festgestellt hat, haben Tests gezeigt, daß die Diffundieröffnungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Verbesserung von 55% führen.

Claims

1. Gekühlte Verkleidung für eine heißes Gas beför dernde Passage, gekennzeichnet durch:
ein erstes Metallflachstück (34), das mit dem von stromauf nach stromab strömenden heißen Gas in Berührung ist;
ein zweites Metallflachstück (36), das mit dem ersten Metallflachstück (34) in Berührung steht und einer Kühlgaszufuhr ausgesetzt ist; und durch eine Mehrzahl von Gasdiffusionsöffnungen (38), die sich durch das erste und das zweite Metallflach stück (34, 36) hindurcherstrecken und deren jede aufweist:
eine in das zweite Metallflachstück (36) in von dem ersten Metallflachstück (34) wegverlaufender Weise eingeformte Vertiefung (40), die zwischen dem zwei ten Metallflachstück (36) und der Ebene des ersten Metallflachstücks (34) eine Kammer (52) bildet sowie eine stromabseitige Wand (42) der Vertiefung (40) in einem Winkel zwischen 10 und 30° zu der Ebene des ersten Metallflachstücks (34) bildet,
eine Öffnung (46) in dem ersten Metallflachstück (34), die mit der stromabseitigen Wand (42) ausge richtet ist, wobei jedoch das erste Metallflach stück (34) den stromaufseitigen Bereich der Kammer (52) überdeckt, so daß die Vertiefung (40) plus das überdeckende Flachstück Begrenzungsflächen der der Kammer (52) bilden, und
eine Dosieröffnung (56) in der eingeformten Ver tiefung (40) an einer derartigen Stelle, daß das die Dosieröffnung durchströmende Kühlgas auf eine Begrenzungsfläche mit Ausnahme der von der stromab seitigen Wand (42) gebildeten Begrenzungsfläche auftrifft.

2. Verkleidung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Überdeckungsbereich des ersten Metallflachstücks (34) an einem stromab seitigen Ende in die Kammer (52) hinein nach unten abgewinkelt ist; und
daß die Dosieröffnung (72) an einer derartigen Stelle angeordnet ist, daß die Dosieröffnung (72) durchströmendes Kühlgas auf den nach unten abge winkelten Bereich (70) auftrifft.

3. Verkleidung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdeckungsflach stückbereich (48) den stromaufseitigen Bereich der stromabseitigen Wand (42) überdeckt.

4. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Strömungs fläche zwischen dem Überdeckungsflachstückbereich (48) und der stromabseitigen Wand (42) größer ist als die Strömungsfläche der Dosieröffnung (56; 72).

5. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsfläche zwischen dem Überdeckungsflachstückbereich (48) und der stromabseitigen Wand (42) geringer ist als das Siebenfache der Strömungsfläche der Dosieröffnung (56; 72).

6. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (46) in dem ersten Metallflachstück (34) derart posi tioniert ist, daß eine hypothetische Verlängerung (60) der stromabseitigen Wand (42) der Vertiefung (40) an der Kante (62) zwischen dem stromabseitigen Ende der Öffnung (46) und der Oberfläche des ersten Metallflachstücks (34) austritt.

7. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosieröffnung (56; 72) an einer derartigen Stelle angeordnet ist, daß diese durchströmendes Kühlgas im wesentlichen auf die parallel zu der heißen Gasströmung verlaufende Mittellinie (68) der Diffusionsöffnung (38) auftrifft.

8. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosieröffnung (56; 72) an einer derartigen Stelle angeordnet ist, daß diese durchströmendes Kühlgas auf den Überdeckungsbereich (48) des ersten Metallflach stücks (34) auftrifft.

9. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (40) zwischen der stromabseitigen Wand (42) und den Sei tenwänden derselben eine Krümmungslinie (64) auf weist, und daß die Krümmungslinie (64) in einem Winkel zwischen 20 und 30° zu der Mittellinie (68) durch die Vertiefung (40) verläuft.

10. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (46) in dem ersten Metallflachstück (34) eine trapezförmige Konfiguration besitzt, wobei sich der breitere Bereich der Trapezform an dem stromabseitigen Ende der Öffnung (46) befindet.

11. Verkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Gasdiffu sionsöffnungen (38) in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sind.