DE3113380C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flammrohre der im Oberbe­ griff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Art.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber Flammrohrkon­ figurationen aus Rippen-Wandmaterial dar, die in den US-PS 37 06 203 und 41 32 066 beschrieben sind. Das in diesen beiden Patentschriften be­ schriebene Flammrohr ist ein Beispiel für den Flammrohraufbau, der gegenwärtig benutzt wird, beispielsweise in dem Trieb­ werk TF-30, das von der Fa. Pratt und Whitney Aircraft Group der United Technologies Corporation hergestellt wird. Be­ züglich näherer Einzelheiten über den Aufbau von Flammrohren aus Rippenwand-Material wird auf diese Patentschriften ver­ wiesen. Hier genügt es festzustellen, daß derartiges Rippen­ wand-Material grundsätzlich entweder aus zwei oder aus drei Stücken zu Platten geformt wird, die eine Innenwand und in radialem Abstand davon eine Außenwand haben, zwischen denen entweder ein dritter gewellter Mantel oder radial abstehen­ de Wände angeordnet sind, die mehrere gerade Kanäle be­ grenzen. Typischerweise sind die Platten an den entsprechen­ den Enden in einem jalousieartigen Aufbau miteinander ver­ bunden, um das Flammrohr zu bilden, das den Brennraum be­ grenzt, und die geraden Kanäle sind parallel zu der Strömung der Verbrennungsprodukte in der Brennkammer angeordnet. Wegen des jalousieartigen Aufbaus ist jede Platte radial versetzt, so daß das stromaufwärtige Ende der aus dem Verdichter kommenden Kühlluft ausgesetzt ist. Die Kühlluft tritt deshalb in die Kanäle an dem stromaufwärtigen Ende ein und tritt an deren stromabwärtigen Ende aus, wie es in dem Diagramm in Fig. 4 der oben genannten US-PS 37 06 203 darge­ stellt ist, wobei der axiale Temperaturgradient der meisten Platten sich beträchtlich ändert und bis zu 260-316°C betragen kann. Temperaturdifferenzen dieser Größe haben einen nachteiligen Einfluß auf die Dauerhaftigkeit und die Lebensdauer des Flammrohrs mit einem entsprechenden Ein­ fluß auf das Zeitintervall, in welchem das Flammrohr ersetzt werden muß.

Von beträchtlicher Bedeutung ist, daß bei dem bisher herge­ stellten Flammrohr des oben beschriebenen Typs jede Platte so hergestellt wird, daß sich der Einlaß einer Platte im wesent­ lichen in der Auslaßebene der nächsten benachbarten Platte befindet. Zum Ersetzen einer Platte ist es deshalb erforder­ lich, durch das Rippenwand-Material zu schweißen, weshalb bei den bekannten Schweißverfahren das Ersetzen eine Elektro­ nenstrahlschweißung erforderlich macht.

Darüber hinaus erfordert der bekannte Aufbau, daß die Ver­ brennungs- und Verdünnungsluftlöcher durch das Rippenwand- Material hindurchgehen, was die Verwendung von Tüllen in den Verdünnungsluftlöchern erfordert, um die Kontinuität von stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kühlluftkanälen zu ge­ währleisten. Das macht nicht nur die Fertigung kompliziert, sondern erfordert auch einige Vorrichtungen, die gewährlei­ sten, daß stromabwärtige Kühlluftkanäle nicht unzureichend mit Kühlluft versorgt werden und örtliche Erhitzungsproble­ me auftreten. Beispielsweise beschreibt die oben genannte US-PS 41 32 066 Vorrichtungen zum Vermeiden dieser Probleme sowie Maßnahmen, bei denen hinter die Flammrohrwand durchdringenden Tüllen ein stromabwärtiges Loch in der Flammrohrwand angeordnet wird, um kältere Luft so einzulassen, daß sie entgegengesetzt und parallel zu dem Verbrennungs­ luftstrom strömt, so daß wieder kältere Luft an dem strom­ abwärtigen Ende der Tülle eingeleitet wird.

Ein Flammrohr der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Art ist aus der US-PS 26 17 255 bekannt. Bei diesem bekannten Flammrohr trifft die aus den offenen Kanä­ len austretende Kühlluft in den Übergangszonen aufeinander. Dadurch kommt es zu einer Stauwirkung, so daß keine ausrei­ chende Kühlung der Außenwand in den Übergangszonen gewähr­ leistet ist und örtliche hohe Temperaturgradienten entste­ hen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flammrohr der im Oberbe­ griff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Art so zu verbessern, daß die Kühlung der Außenwand in den Übergangs­ zonen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil der Patentansprüche 1 oder 2 angegebenen Merk­ male in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nach Anspruch 1 sind die Übergangszonen konisch ausgebildet. Die an den strom­ aufwärtigen Enden der Flammrohrabschnitte austretende Kühl­ luft trifft deshalb auf die Übergangszone auf, wodurch diese gekühlt wird, und wird anschließend durch die an den stromabwärtigen Enden der Flammrohrabschnitte austretende Kühlluft im wesentlichen ohne Stauwirkung umgelenkt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nach Anspruch 2 sind die Innenwandsegmente mit Löchern versehen, welche die ent­ gegengesetzt strömende Kühlluft vor dem stromaufwärtigen Ende der Innenwandsegmente in den Brennraum ausströmen las­ sen. Dadurch wird ebenfalls die Stauwirkung in den Über­ gangszonen herabgesetzt und die Filmkühlung derselben ge­ währleistet, ohne daß konische Übergangszonen vorgesehen sind.

Bei den erfindungsgemäßen Ausbildungen des Flammrohres ist die Übergangszone ausreichend breit, so daß der Flamm­ rohrabschnitt weggeschnitten und ersetzt werden kann, und zwar durch eine Schweißung, die durch benachbarte Flamm­ rohrabschnitte nicht behindert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen­ den unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht des Flammrohrs,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht mit einem weg­ gebrochenen Teil,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht eines anders aufgebauten Flammrohrs und

Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie 5-5 von Fig. 4.

Gemäß den Fig. 1-3 haben die Flammrohre, die aus Rippen­ wand-Material aufgebaut sind, Innenwandsegmente 10, die den heißen Verbrennungsgasen im Brennraum ausgesetzt sind, welche in der angegebenen Richtung strömen, und eine in radialem Abstand angeordnete Außenwand 12. Die Innenwandsegmente 10 und die Außenwand 12 sind jeweils als Abschnitt eines Zylinders ausgebildet, der den Brennraum begrenzt. Die besondere Form wird von dem Endzweck ab­ hängen, beispielsweise für ein Einzelflammrohr oder ein Ring­ flammrohr. In ihrer bevorzug­ ten Ausführungsform sind die Innenwandsegmente 10 jeweils ein relativ schmaler Streifen im Vergleich zu der Außenwand 12, bei der es sich um ein einzelnes Blech handeln kann, das zu der Gesamtflammrohr­ wand geformt ist. Zwischen den Innenwandsegmenten 10 und der Außenwand 12 befinden sich in gegenseitigem Umfangsab­ stand vorstehende gerade Rippen 14, die mehrere am Ende offene Kanäle 16 begrenzen, welche sich in bezug auf die Strömung der Verbrennungsgase in axialer Richtung erstrecken.

Da Brennkammern für Strahltriebwerke bekannt sind und da die besonderen Brennraumkonfigurationen für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind, sind der Zweckmäßigkeit und der Einfachheit halber Einzelheiten hier weggelassen worden. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die obenerwähnten US-Patentschriften verwiesen. Es ge­ nügt hier anzugeben, daß mehrere, axialen Abstand aufweisen­ de Flammrohrabschnitte mehrere am Ende offene axiale Kanäle 16 enthalten, welche in gegenseitigem Umfangsabstand über den Umfang des Flammrohres verteilt sind. Jeder Flammrohrabschnitt besteht aus dem Innenwandsegment 10, den Rippen 14 und dem darunter gelegenen Teil der Außenwand 12. Die Bezeichnungen Innenwandsegment und Außenwand werden in be­ zug auf die Mittellinie (nicht dargestellt) des Flammrohrs gewählt.

Gemäß Fig. 1 kann die Außenwand 12 in einer Übergangszone 20 zwischen den Flammrohrabschnitten aus Rippenwand-Material in der ge­ zeigten Weise versetzt sein, so daß sich ein jalousie- oder fensterladenartiger Aufbau ergibt. Zur Vereinfachung der Fertigung kann die Außenwand 12 aus Flachmaterial hergestellt werden, die Innenwandsegmente 10 und die von ihnen vorstehenden Rippen 14 können daran befestigt werden, und die Gesamtanordnung kann dann in die endgültige Form gekrümmt und gebogen werden.

Kühlluft, die aus dem Verdichter austritt, umgibt das Flammrohr in bekannter Weise. Gemäß der Erfindung wird die Kühlluft in die Kanäle 16 des Flammrohrs über mehrere Öffnungen 22 eingelassen. Es kann erwünscht sein, einen Teil der Rippen 14 zurückzuschneiden, damit sich eine Ring­ kammer für eine gute Verteilung der Kühlluft auf sämtliche Kanäle ergibt. Gemäß Fig. 1 wird die Kühlluft so geleitet, daß sie sowohl in stromaufwärtiger als auch in stromabwärti­ ger Richtung parallel und zum Teil entgegengesetzt zu dem Strom der Verbrennungsgase strömt. Die Höhe, die Breite und die Länge der Kanäle 16 werden so gewählt, daß sich darin eine ausreichende Geschwindigkeit der Kühlluft ergibt, um eine optimale Konvektionskühlung mit ausreichender Geschwindig­ keitskomponente der austretenden Kühlluft für die Filmküh­ lung der benachbarten Übergangszone 20 zu gewährleisten. Die Richtung der austretenden Kühlluft aus den Kanälen 16 ist so, daß die Kühlluft aus benachbarten Flammrohrabschnitten aufeinander auftrifft. Die Richtung und die Kraft dieser austretenden Luft werden so gewählt, daß sich eine zusätz­ liche Kühlung aufgrund der Richtung ergibt, in der der re­ sultierende oder vermischte Kühlluftstrom strömt. Die Ent­ wurfsüberlegungen, um von diesen Aspekten der Kühlung vor­ teilhaften Gebrauch zu machen, sind auf dem Gebiet dieser Technologie Stand der Technik. Sie könnte zwar analytisch berechnet werden, die beste Entwurfskonfiguration dürfte sich jedoch durch Versuche finden lassen. So ist festgestellt worden, daß, obgleich die Kühllufteinlaßöffnung 22 zwischen den Auslaßenden der Kanäle 16 angeordnet ist, deren optimale Lage nicht mit dem Mittelpunkt zusammen fällt.

Fig. 4 zeigt einen Teil eines ähnlichen Flammrohrs wie die Fig. 1-3, wobei aber die Abstufung oder Versetzung in dem äußeren oder kalten Blech eliminiert ist. In diesem Fall gibt ein Schlitz in dem Innenwandsegment 10′ die entgegengesetzt strömende Kühlluft normal zu dem Brennergasstrom durch ein Loch 26 ab. In jeder anderen Hinsicht hat das Flammrohr den gleichen Aufbau. Ein gewelltes Blech bildet Rippen 30 und dazwischen am Ende offene Kanäle 32, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Wellrippen 30 sind zwischen der Außenwand 12′ und dem Innenwandsegment 10′ angeordnet.

Claims (4)

1. Flammrohr für eine Gasturbinen-Brennkammer, mit einer Außenwand (12), mit mehreren über dem Umfang angebrachten Innenwandsegmenten (10), die dem Brennraum zugewandt und in radialem Abstand von der Außenwand (12) angeordnet sind, mit Rippen (14) zwischen den Innenwandsegmenten (10) und der Außenwand (12), die sich in Längsrichtung des Flammrohres erstreckende, an den Enden offene Kanäle (16) begrenzen, wobei jedes Innenwandsegment (10) und der be­ nachbarte Teil der Außenwand (12) sowie die zwischen ihnen enthaltenen Rippen (14) einen Flammrohrabschnitt bilden und wobei axial benachbarte Flammrohrabschnitte unter Bil­ dung einer Übergangszone (20) mit axialem Abstand vonein­ ander angeordnet sind, und mit Öffnungen (22), die in der Außenwand (12) in jedem Flammrohrabschnitt gebildet sind, um Kühlluft aus dem das Flammrohr umgebenden Raum in das Innere der Kanäle (16) einzulassen, so daß ein Teil der Kühlluft entgegengesetzt zu und der übrige Teil in der Richtung der Verbrennungsprodukte strömt und die Flamm­ rohrwand kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (12) in der Übergangszone (20) konisch nach außen ver­ läuft, um ein Flammrohr mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers zu bilden, so daß Luft, die im Bereich der Übergangszonen (20) aus den Kanälen (16) austritt, eine Filmkühlung der Außenwand (12) in den Übergangszonen (20) bewirkt.

2. Flammrohr für eine Gasturbinen-Brennkammer, mit einer Außenwand (12′), mit mehreren über dem Umfang angebrachten Innenwandsegmenten (10′), die dem Brennraum zugewandt und in radialem Abstand von der Außenwand (12′) angeordnet sind, mit Rippen (30) zwischen den Innenwandsegmenten (10′) und der Außenwand (12′), die sich in Längsrichtung des Flammrohres erstreckende, an den Enden offene Kanäle (32) begrenzen, wobei jedes Innenwandsegment (10′) und der benachbarte Teil der Außenwand (12′) sowie die zwischen ihnen enthaltenen Rippen (30) einen Flammrohrabschnitt bilden und wobei axial benachbarte Flammrohrabschnitte un­ ter Bildung einer Übergangszone (20) mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind, und mit Öffnungen (22), die in der Außenwand (12′) in jedem Flammrohrabschnitt gebil­ det sind, um Kühlluft aus dem das Flammrohr umgebenden Raum in das Innere der Kanäle (32) einzulassen, so daß ein Teil der Kühlluft entgegengesetzt zu und der übrige Teil in der Richtung der Verbrennungsprodukte strömt und die Flammrohrwand kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ nenwandsegmente (10) mit stromauf der Öffnungen (22) gelegenen Löchern (26) versehen sind, über die die in den Kanälen (32) entgegengesetzt zu der Rich­ tung der Verbrennungsprodukte strömende Luft normal zu dieser Richtung in den Brennraum austritt.

3. Flammrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (30) als Wellrippen ausgebildete Verbindungs­ elemente sind, welche die Innenwandsegmente (10′) mit der Außenwand (12′) verbinden.

4. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (14) als Wände ausgebildete Verbindungselemente sind, welche von der Außenwand (12) abstehen und diese mit den Innenwandsegmenten (10) verbinden.