DE3200972C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flammrohr der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Wegen der aggressiven Umgebung, denen das Flammrohr der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks ausgesetzt ist, bringt dieses eines der Hauptwartungsprobleme des Trieb­ werks mit sich. Es sind bereits viele Systeme benutzt wor­ den, um das Flammrohr zu kühlen und dadurch seine Lebens­ dauer zu verlängern und seine Neigung zur Rißbildung, die durch starke Wärmespannungen hervorgerufen wird, zu ver­ ringern.

Den gegenwärtigen Stand der Technik beschreiben insbeson­ dere die US-PS 39 78 662 und die US-PS 40 77 205.

Diese beiden US-Patentschriften zeigen Kühlsysteme für Flammrohre, die aus sich in Achsrichtung überlappenden Wandteilen aufgebaut sind, wobei die US-PS 39 78 662 ein Flammrohr der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angege­ benen Art beschreibt, das aus spanabhebend bearbeiteten Wandteilen aufgebaut ist, und wobei die US-PS 40 77 205 ein aus Blech bestehendes Flammrohr beschreibt. In jedem Fall hat das Flammrohr eine Lippe, die sich über den Schlitz erstreckt, durch den ein Kühlluftfilm austritt, welcher an der Wand des Flammrohres haftet, um eine küh­ lende Sperrschicht für die Flammrohrwand zu bilden. Es ist vorteilhaft, das Kühlsystem so auszulegen, daß sich der Kühlluftfilm über eine möglichst große Strecke stromab­ wärts ausbreitet, da das die Lebensdauer des Flammrohres verlängert.

Gemäß der US-PS 39 78 662 sind die Einlaßöffnungen für Luft aus dem an der Außenseite des Flammrohres fließenden Luftstrom in dem Gegenflansch des benachbarten stromabwär­ tigen Wandteils angeordnet, so daß die Luft um 180° ge­ dreht wird, bevor sie in das Flammrohr austritt. Dieser Aufbau basiert auf der Ausnutzung des statischen Druckes. Eine Theorie, die die Begrenzung der Lebensdauer des Flammrohres erklärt, besagt, daß der Drall- oder Wirbelef­ fekt der Kühlluft in dem Kühlluftfilm anhält. Das hat ins­ gesamt die Auswirkung, daß ein an der Lippe des Wandteils erzeugter gleichmäßiger Kühlluftfilm beeinträchtigt wird. Es scheint, daß örtlich begrenzte heiße Stellen neben der Drall- oder Wirbelströmung ausgebildet werden, die Verzie­ hen und Rißbildung verursachen. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß bei einigen Kühlsystemen gewisse Wandoberflä­ chen des Flammrohres in Problembereichen sowohl den heiße­ sten als auch den kältesten Bedingungen ausgesetzt sind. Die hohe Temperaturdifferenz bringt offenbar hohe Wärme­ spannungen mit sich, die sich auf das Flammrohr nachteilig auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Flammrohr der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art die Küh­ lung zu verbessern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst.

Es hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Aus­ bildung des Flammrohres die nachteiligen Auswirkungen der oben dargelegten Probleme beseitigt oder zumindest gemin­ dert werden können. Aufgrund des bei dem Flammrohr nach der Erfindung doppelschleifenförmigen Kühlluftstroms wird die Drallkomponente wesentlich verringert oder eliminiert, was einen gleichmäßigeren Kühlluftfilm ergibt, der sich, wie Tests gezeigt haben, weiter stromabwärts ausbreitet als bei den eingangs erwähnten bekannten Flammrohren. Dar­ über hinaus hat bei dem Flammrohr nach der Erfindung die Luft die Möglichkeit, eine bestimmte Wärmemenge aufzuneh­ men, die zu dem Gegenflansch des benachbarten stromabwär­ tigen Wandteils geleitet wird, welcher sich auf der Kalt­ luftseite des Flammrohres befindet. Dadurch wird der Ge­ genflansch auf eine Temperatur erhitzt, die zwischen der Temperatur der kalten Seite und der Temperatur der heißen Seite des Flammrohres liegt, was eine niedrigere Wärmedif­ ferenz ergibt und so die Wärmespannungen verringert.

Bei dem Flammrohr nach der Erfindung ist eine Art Schlei­ fenkühlsystem mit doppelter Luftführung an der Lippe vor­ handen, so daß der Kühlluftfilm bis in eine maximale Ent­ fernung von der Lippe an der Innenseite des Flammrohres haftet. Die Einlaßöffnungen der ringförmigen Kammer für Luft aus dem an der Außenseite des Flammrohres fließenden Luftstrom sind dem Verdichterauslaß zugewandt, damit der gesamte verfügbare Druck ausgenutzt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Ge­ genstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig 1 in einer Teilschnittansicht das Flammrohr nach der Erfindung, und

Fig. 2 in einer vergrößerten Teil­ schnittansicht Einzelheiten des Flammrohres nach Fig. 1.

Das Flammrohr, das im folgenden beschrieben wird, ist zwar ein ringförmiges Flammrohr für eine Ringbrennkammer, es könnte sich jedoch auch um ein zylindrisches Flammrohr für eine Rohrbrennkammer eines Gasturbinentriebwerks handeln.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnete ringförmige Flammrohr eines Gasturbinen­ triebwerks, in dem die Verbrennung des Brennstoffes statt­ findet, durch welche ausreichend Energie zum Antrieb der Turbine und zum Abgeben von Leistung oder Schub, je nach­ dem, ob es sich um ein Turboprop- oder um ein Strahltrieb­ werk handelt, entwickelt wird.

Das Flammrohr 10 weist mehrere sich in Achsrichtung über­ lappende zylindrische und konische Wandteile 12 auf, die in Längsrichtung hintereinander Ende an Ende angebracht sind und eine Verbrennungszone begrenzen. Jedes Wandteil 12 endet stromabwärts in einer Lippe 18, die dazu dient, einen Kühlluftfilm zum Kühlen des benachbarten Wandteils des Flammrohres 10 zu erzeugen.

Das Erzeugen dieses Kühlluftfilms ist am besten in Fig. 2 zu erkennen, die einen Wandteil 12 in vergrößerter Dar­ stellung zeigt.

Gemäß Fig. 2 steht eine Rippe 14 von einem heißen Teil 16 des Wandteils 12 vor und ist zwischen der Lippe 18 und ei­ nem Ringflansch 20 angeordnet. Die Lippe 18, die Rippe 14 und der Ringflansch 20 sind kreisringförmig und können durch spanabhebende Bearbeitung oder Walzen hergestellt worden sein. Die Rippe 14 erfüllt eine Doppelfunktion, nämlich (1) die Lippe 18 zu tragen, so daß für diese keine Tragstäbe notwendig sind, und (2) die Luft umzulenken. Weiter könnte das Ende mit der Rippe 14 einstückig mit dem Wandteil 12 hergestellt oder aber gesondert hergestellt und mit dem übrigen Wandteil verschweißt werden. Bevorzugt wird, das gesamte Wandteil 12 zu walzen oder zu gießen und in das Flammrohr 10 einzubauen.

Ein ringförmiger Gegenflansch 30 des benachbarten stromab­ wärtigen Wandteils 12 ist mit dem Ringflansch 20 des stromaufwärtigen Wandteils 12 verbunden und begrenzt mit diesem eine ringförmige Kammer, in die Verdichteraus­ laßluft über mehrere Einlaßöffnungen eingelassen wird, welche so bemessen und angeordnet sind, daß die Luft auf die stromaufwärtige Seite der Rippe 14 auftrifft. Die Ein­ laßöffnungen 32 sind daher dem gesamten Verdichterenddruck ausgesetzt. Dieser Aufbau bewirkt, daß die Luft umgelenkt wird und um die Rippe 14 und um die Innenseite des Gegen­ flansches 30 strömt. Der Gegenflansch 30 kann als Verstei­ fung benutzt werden, um das Wandteil 12 am Verziehen zu hindern.

Das Umströmen der Innenseite des Gegenflansches 30 leitet diesem Wärme zu und verringert die Wärmedifferenz zwischen der der Kühlluft ausgesetzten Außenseite und der der Hitze der Verbrennungszone ausgesetzten Innenseite des Gegen­ flansches 30.

Die Lippe 18 und ein Knie 34 an dem stromaufwärtigen Ende des benachbarten Wandteils 12 bilden einen ringförmigen Schlitz zum Auslaß des Kühlluftfilms, der über die Rippe 14 nach Art einer doppelten Luftführung hinweggeht und in das Flammrohr 10 abgegeben wird. Dieser Kühlluftfilm ist so gerichtet, daß er an der Innenseite des Wandteils 12 haftet, um das Metall vor der starken Hitze der Verbren­ nungszone abzuschirmen, und sich so weit wie möglich stromabwärts ausbreitet, wie es durch eine strichpunk­ tierte Linie A dargestellt ist. Der im Querschnitt koni­ sche Teil 22 unterstützt das Verstärken der Wärmeleitung in den Ringflansch 20 und die Rippe 14.

Aufgrund dieses Kühlprinzips tritt die ankommende wir­ belnde Luft als Kühlluftfilm aus, der im wesentlichen frei von Wirbeln und Dralleffekten ist, wodurch die Lebensdauer des Flammrohres vergrößert und ein gleichmäßigerer Tempe­ raturgradient in dem Metall erzeugt wird. Außerdem werden die Wirbel, die durch die Wechselwirkung zwischen der aus den Einlaßöffnungen 32 austretenden Luft und dem Aufprall auf die Rippe 14 erzeugt werden, durch den doppelschlei­ fenförmigen Strömungsweg gänzlich oder zumindest im we­ sentlichen eliminiert. Ein weiterer Vorteil dieses doppel­ schleifenförmigen Strömungsweges besteht darin, daß er die Verwendung einer kurzen Lippe 18 gestattet, ohne daß die Verweilzeit der Kühlluft in der ringförmigen Kammer ver­ ringert wird. Die zusätzliche Erhitzung des Gegenflansches 30 verringert die an diesem auftretende Wärmedifferenz und dadurch dessen Wärmespannungen.

Claims (3)

1. Flammrohr für die Brennkammer eines Gasturbinentrieb­ werks, das eine Verbrennungszone begrenzt und auf seiner von der Verbrennungszone abgewandten Außenseite einem vom Verdichter des Triebwerks gelieferten Luftstrom im Gleich­ strom mit den heißen Gasen in der Verbrennungszone ausge­ setzt ist, mit sich in Achsrichtung überlappenden Wandtei­ len, die jeweils kurz vor ihrem stromabwärtigen Ende einen zunächst radial nach außen und anschließend etwa koaxial mit dem Flammrohr verlaufenden Ringflansch aufweisen und deren stromaufwärtiges Ende jeweils als zunächst radial nach außen und anschließend koaxial zum Flammrohr verlau­ fender ringförmiger Gegenflansch ausgebildet ist, wobei je­ weils der Ringflansch eines stromaufwärtigen Wandteils und der Gegenflansch eines stromabwärtigen Wandteils miteinan­ der verbunden sind und eine ringförmige Kammer begrenzen, die mehrere mit Umfangsabstand angeordnete Einlaßöffnungen für Luft aus dem an der Außenseite des Flammrohres fließen­ den Luftstrom und zur Verbrennungszone hin einen ringförmi­ gen Schlitz zum Auslaß eines Kühlluftfilms zwischen dem in einer Lippe auslaufenden Ende des stromaufwärtigen Wand­ teils und dem stromabwärtigen Wandteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile (12) jeweils an ihrem stromabwärtigen Ende auf der Außenseite zwischen der Lippe (18) und dem nach außen abstehenden Ringflansch (20) eine in Umfangs­ richtung verlaufende ringförmige Rippe (14) aufweisen, die in die ringförmige Kammer einsteht, und daß die Einlaßöff­ nungen (32) für Luft in der dem Luftstrom zugewandten Wand der ringförmigen Kammer so angeordnet sind, daß die durch sie in die ringförmige Kammer eintretenden Luftstrahlen auf die Rippe (14) auftreffen.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (22) jedes Wandteils (12), der sich unmittelbar stromaufwärts des Ringflansches (20) befindet, in stromab­ wärtiger Richtung in der Querschnittsdicke konisch zunimmt.

3. Flammrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achse der Einlaßöffnungen (32) unter einem Winkel gegen die Mittellinie des Flammrohres (10) und so angeordnet ist, daß die Luft auf den Fuß der Rippe (14) auftrifft.