DE1601569A1

DE1601569A1 - Brennkammer zum Erzeugen eines heissen Gasstroms

Info

Publication number: DE1601569A1
Application number: DE19671601569
Authority: DE
Inventors: Howald Werner Ernst; Stabrylla Robert Gordon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-01-03
Filing date: 1967-09-29
Publication date: 1971-01-07
Also published as: US3420058A; GB1194197A; BE704510A

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Brennkammern, die insbesondere zum Erzeugen von heissen Gasströmen, beispielsweise in Gasturbinen, dienen.

Xn Gasturbinenanlagen wird ein heisser Gasstrom erzeugt, der durch eine Düse nach aussen geleitet wird, um eine Vortriebskraft zu erzeugen, oder der in anderer Weise zum Erzeugen einer Energieabgabe verwendet wird. In diesen und anderen Triebwerken für Flugzeuge ist es besonders

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wLchtig, class die Bestandteile ein möglichst geringes Gewicht und möglichst kleine Abmessungen haben, damit das reziproke Schubgewicht des Triebwerkes möglichst hoch ist.

Aufgabe dor Erfindung ist es insbesondere, diese Forderungen in Flugzeug-Triebwerken zu erfüllen, indem entsprechend vorbesserte Brennkammern zum Erzeugen von heisson Gasströmen geschaffen werden.

Die üblichen Brennkammern können ringförmig oder kanistorförmig sein. In beiden Fällen sind ein Innen— und ein Aussetimantel in vorbestimmtem Abstand von Flammrohren vorgesehen, in denen die Verbrennung aufrechterhalten wird. Zur Unterstützung der in der Brennkammer stattfindenden Verbrennung wird die Brennkammer mit Kraftstoff und Primärluft gespeist. Ferner wird in die Brennkammer Luft aus dem Raum zwischen den Mänteln durch Löcher eingeleitet, dio in der Längsrichtung der Brenn» kammer in Abständen voneinander angeordnet sind. Diese Zusatzluft dient zürn Kühlen des Flammrohres, damit dieses nicht schnell ausgebrannt wird.

In den üblichen Brennkammern sind so grosso Kühlluft«· mengen erforderlich, dass die Kühlluft auch als Sekimdärvorbreimuiig'iliif't verwendet werilon uiuhs. Daher muss die

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Brennkammer relativ lang sein, damit eine vollständige Verbrennung erzielt wird. Infolgedessen können Länge und Gewicht der Brennkammer gewisse untere Grenzen nicht unterschreiten« Infolge der Verwendung der Sekundärverbrennungsluft in grossen Mengen ist es nicht möglich, eine stöchionetrische oder annähernd stöchiometrische Verbrennung zu erzielen, die zur Erzeugung eines Gasstromes mit maximaler Schubleistung führen würde.

In üblichen Flammrohren, in denen teilweise teleskopartig angeordnete, zylindrische Teile verwendet werden, die durch vendeiförmige, elastische Streifen miteinander verbunden sind, tritt ferner das Problem auf, dass die Kühl- oder Sekundärlufttmenge nicht einwandfrei gesteuert wird und das Flammrohr beim Betrieb mit hoher Leistung nur eine relativ kurze Standzeit hat.

Weiterhin soll durch die Erfindung eine bessere Kühlung von Flammrohren erreicht werden, so dass eine grössere Annäherung an die stöchiometrische Verbrennung erzielt wird.

Ferner soll die Festigkeit von Flammrohren verbessert werden.

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Flammrohre werden luftgekühlt, weil keine Werkstoffe bekannt sind, die unter der Einwirkung der in der Brennkammer erzeugten Wärme ihre Festigkeit genügend lange beibehalten. Diese Flammrohre werden daher aus Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzung im Hinblick auf die Verwendung bei hohen Temperaturen entsprechend ausgewählt ist. Derartige Legierungen sind relativ schwer und tragen daher zu dem Gesamtgewicht der Brennkammer beträchtlich bei. In grossen Brennkammern, beispielsweise in verstärkten Turbogebläse-Triebwerken, ist das Gewicht von besonderer Bedeutung, wie vorstehend ausgeführt ist.

Bs hat sich gezeigt, dass Titan und Beryllium in Flugzeugtriebwerken mit besonderem Vorteil verwendet werden können, da sie eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht besitzen. Andererseits sind diese Metalle nicht bo wamfest wie andere Metalle und Legierungen.

Die durch die Erfindung geschaffene Brennkammer zum Erzeugen eines heissen Gasströme, mit einem Flammrohr, das einen relativ dünnen Mantel besitzt, dessen Innenfläche einen Brennraum und dessen Aussenflache einen Stauraum für unter Druck stehende Kühlluft begrenzt, ist erfindungegenäse dadurch gekennzeichnet, dass der Flaminrohrmantel Stufen besitzt, die sich in Umfangerichtung

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θ rs trecken, In Längsrichtung des Flammr ohrniau t eis in Abständen voneinander angeordnet sind und Löcher besitzen, die zu dem stromabwärts von der Stufe befindlichen Teil der Innenfläche hin geneigt sind, so dass dieser Teil der Innenfläche mit Kühlluft beaufschlagt wird. "--.··.

Die Erfindung betrifft also ein Flammrohr in Form eines Mantels, dessen Aussenflache einen Stauraum für unter Druck stehende Kühlluft und dessen Innenfläche einen Brennraum begrenzt. Über die Länge des Flammrohrmantels sind Stufen verteilt, die sich in Umfangsrichtung er« strecken.

Die Stufen sind von Löchern durchsetzt, die Kühlluft an die Innenfläche des Flammrohres abgeben.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Anordnung von diskreten Löchern, die in den Stufen vorgesehen sind und einen Durchmesser von etwa 0,38 bis 2,3 mm haben und deren Abstände in Umfangsrichtung auf der Stufe genessen 2 bis 6 Lochdurchmesser betragen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Stufen von Löchern durchsetzt sind} die gegen den stromabwärts von din Stufen befindlichen Teil der

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der Innenfläche geneigt sind, so dass die zu kühlende Fläche wirksam mit der Kühlluft beaufschlagt wird. Diese Löcher bestehen vorteilhafterweise aus Düsen, welche die Luft beschleunigen, ehe diese die heisse Innenfläche des Flammrohres erreicht. Hbioi das Flammrohr eine konkave Innenfläche besitzt, können die Löcher in den Stufen tangential zur Innenfläche angeordnet und gegenüber der Achse, um welche die Innenfläche erzeugt ist, geneigt sein.

Durch die Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Flammrohres geschaffen, wonach zylindrische, relativ kurze, mit Axialstufen versehene Rohlinge in den Stufen mit Bohrungen versehen werden, die zu den auf beiden Seiten der Stufen befindlichen zylindrischen Flanschflächen im wesentlichen parallel und zwischen diesen angeordnet sind. Danach werden durch Prägen der Rohlinge die abgesetzten, abgestuften Flansche zueinander hin verschoben, so dass die Löcher eine Neigung gegenüber der Innen- und der Aussenflache erhalten. Die Stufen werden dann durch Stumpfechweissen oder dergleichen mit allgemein zylindrischen Teilen zu de« Flammrohr zusammengefügt»

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Nähere Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachstehenden Erläuterung anhand des in den Figuren 1 bis 9 der Zeichnung dargestellten besonderen Ausführungsbeispiels ersichtlich.Es zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt ein Aueführungsbeispiel einer erfindungegemäseen Brennkammer,

Fig. 2 in grösserem Maßstab einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Flammrohre,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-IXI in Fig. 2, Fig. l* einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 einen Teil des Flammrohres nach Fig. 2 bis k_t Fig. 6 eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 8 in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 3 eine

andere abgeänderte Ausführungsfons der Erfindung und

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 8.

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Die in Pig. 1 gezeigte Brennkammer ist ringförmig* Sie besitzt einen Aussenmantel 10 und einen Innenmantel 12 von zylindrischer Form und Flammrohre 14 und 16 in Form von Mänteln, die einen ringförmigen Brennraum 18 und ringförmige Stauräume 20 und 22 für unter Druck stehende Kühlluft begrenzen. Am Eintrittsende der Brennkammer wird durch eine Düsenanordnung 24 Kraftstoff eingeführt und die Verbrennung eingeleitet» In Gasturbinenanlagen ist im allgemeinen das Eintrittsende der Brennkammer mit dem Austritt eines Axialverdichters verbunden, der unter Druck stehende Primärverbrennungsluft sowie unter Druck stehende Luft für die Stauräume 20 und 22 erzeugt. Durch die Verbrennung des Kraftstoffes wird ein heisser Gas·· strom gebildet, der aus der Brennkammer an deren entgegengesetztem, stromabwärtigem Ende austritt und in einer Gasturbinenanlage eine Turbine u.a. für den Antrieb des Axialverdichters beaufschlagt.

Di· Flammrohr· 14 und 16 sind mit Stufen versehen, damit die aus den Stauräumen 20 und 22 kommende Kühlluft die Innenflächen der Flammrohre bestreicht. Diese Stufen sind mit in Form von Umfange kränz en angeordneten. Löchern 26 durchsetzt, damit die Innenflächen des Flammrohres wirksam gekühlt werden. Dies wird nachstehend anhand der Figuren 2 bis k ausführlich erläutert, in denen ein Teil einer der Stufen des ausβeren Flammrohres Ik gezeigt

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ist. Dieses hat eine den Stauraum 20 begrenzende Aussenflache 28 und eine den Brennraum 18 begrenzende Innenfläche 30. Die Stufe bildet vorzugsweise ein eigenes Element 32, das auf entgegengesetzten Seiten, Vorzugs» weise im stumpfen Stoss, beispielsweise durch Diffusionsschweissen, mit den zylindrischen Teilen 3W₁ 36 verbunden ist.

Die Löcher 26 sind vorzugsweise gemäss der Erfindung so angeordnet, dass die durch sie hindurchtretende Kühlluft den stromabwärts von ihnen befindlichen Teil der Innen«· fläche des Flammrohres beaufschlagt. Man erkennt in Fig. 2, dass die im Querschnitt,in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmigen Löcher 26, welche die Stufe 32 durchsetzen, erfindungsgemäss zu der Innenfläche 3° hin geneigt sind. Ferner haben die Löcher 26 vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,38 bis 2,3 mm und Abstände von 2 bis 6 Loch·· durchmessem. Infolge der mit den beschriebenen Löchern erzielten Kühlwirkung können die Flammrohre Ik und 16 vorteilhafterweise aus Titan bestehen. Fig. 5 veranschaulicht ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung beispielsweise der Stufe 32. Ein zylindrischer Rohling 32. wird mit abgesetzten. Rändern mit verschiedenen Durchmessern und mit einem Hauptteil versehen, der zu dem aus β er en Rand hin geneigt ist. In diesem Hauptbeil werden die Löcher 26 dann durch Bohren und/oder auf andere Weise

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so hergestellt, dass sie sich zwischen den gegeneinander versetzten Rändern im wesentlichen parallel zu der Achse des Rohlings erstrecken. Danach kann man Prägewalzen R in der Pfeilrichtung verschieben, so dass die Stufe durch Fliesspressen die in den Figuren 2 bis k gezeigte Gestalt erhält.

Fig. 6 und 7 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung mit Löchern 2.6* in Form von konischen Düsen, deren Achsen zu der Innenfläche 30 hin geneigt sind. Mit dieser Anordnung wird nicht nur die Innenfläche 3° mit Kühlluft beaufschlagt, sondern diese auch noch beschleunigt, so dass ihre Wirksamkeit erhöht wird.

Die in den Figuren 8 und 9 gezeigte, weitere Ausführungsform der Erfindung erläutert eine andere Möglichkeit der Beaufschlagung der Innenfläche 30 im wesentlichen mit der ganzen Kühlluftmenge, wobei die Innenfläche konkav .gekrümmt ist, wie dies beispielsweise bei dem ausseren Flammrohr Ik der Fall ist. In diesen Fällen sind die Kühllöcher 26" im wesentlichen tangential zu der Innenfläche 30 ausgerichtet und gegen die Achse der Fläche 30 geneigt. Die von den Löchern 26" abgegebene Kühlluft trifft daher fortschreitend auf die konkav gekrüoarte Fläche 30 auf, so dass eine gute Kühlwirkung erzielt wird.

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Auch die Stufen d.&s inneren Flammrohres 16 sind mit Löchern versehen, damit auch die Innenfläche dieses Flammrohres im wesentlichen f?it der gesamten Kühlluft·· menge beaufschlagt wird, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die in den Figuren β und 9 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist jedoch auf die konvex gekrümmte Innenfläche dieses Flammrohres nicht anwendbar.

Es hat sich gezeigt, dass mit Kühllöchern, welche die angegebenen Grossen und Abstände haben und zu der Innenfläche des Flammrohres hin geneigt sind, die in die Brennkammer eingeleitete Kühlluftmenge auf ein Minimum herabgesetzt wird. Infolgedessen kann die Verbrennungsluft im wesentlichen vollständig bei der Düse 2k eingeführt und damit eine weitgehende Annäherung an eine 8töchiometrische Verbrennung erzielt werden.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschrei· bung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, was in Abweichung von den konkreten Aus£uhrungsbeispielen für den Fachmann naheliegt. .

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Claims

1.)Brennkammer zum Erzeugen eines heissen Gasstromes, mit einem Flammrohr, das einen relativ dünnen Mantel be- . sitzt« dessen Innenfläche einen Brennraum und dessen Aussenfläche einen Stauraum für unter Druck stehende Kühlluft begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der

Flammrohrmantel (14) mit Stufen (32) versehen ist, die

ersieh in dessen Umfangsrichtung strecken und in Längerichtung des Flammrohrmantels in Abständen voneinander angeordnet sind und Löcher (26) besitzen, die vorzugsweise zu dem stromabwärts von den Löchern befindlichen Teil der Innenfläche (30) hin geneigt sind, so dass dieser Teil der Innenfläche mit Kühlluft beaufschlagt

wird. 009882/0456

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2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Löcher (26) in den Stufen (32) in Ebenen angeordnet sind, die zur Achse des Mantels (14) parallel angeordnet sind und diese Achse schneidens

ο Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn·»· zeichnet, dass die Achsen der Löcher (26) in Ebenen liegen» die auf einer Tangente an den zylindrischen Mantel (14) liegen, und die Achsen der Löcher gegen·-· über der Achse des Mantels geneigt sind.

k. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Löcher (26) einen Durchmesser

von ca, 0,38 bis 2,3 nun und Abstände von etwa 2 bis 6 Lochdurchmessern haben·

5« Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (26*) konisch sich nach der Innenfläche (30') zu verengend ausgebildet sind.

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (14,16} aus Titan oder einer Titan-Legierung besteht.

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7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (14,16) aus Beryllium oder einer Beryllium-Legierung besteht«

8. Verfahren zum Betreiben der Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft im wesentlichen im Bereich der Kraftstoffdüsen (24) eingeleitet wird und die durch die Kühllöcher (26,26*) zugeführte Luft auf einem Bruchteil der durch im Bereich der Kraftstoffdüsen (24) eingeleiteten Luft gehalten wird.

9· Brennkammer und Verfahren zum Betreiben der Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, ansonst wie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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