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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Brennkammerwand, die einen Brennraum begrenzt und mindestens einer in der Brennkammerwand angeordneten Lufteintrittsöffnung, wobei sich auf der dem Brennraum zugewandten Seite der Brennkammerwand ein Einlaufstutzen an die Lufteintrittsöffnung anschließt.
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Bei einer Vielzahl von Brennkammern strömt nur ein geringer Anteil der für die Verbrennung des Verbrennungsmediums benötigten Luft durch den oder die Brenner ein. Ein Teil der Luft wird durch Lufteintrittsöffnungen in der Brennkammerwand eingeführt. Um die Strömungsrichtung der Luft besser zu definieren, wird die Luft häufig durch Strömungsführungen in Form von Einlaufstutzen eingeleitet. Die Einlaufstutzen ragen in die Brennkammerströmung und somit aus einem an der Innenwandung der Brennkammerwand gebildeten Wandkühlfilm heraus. Die Einlaufstutzen sind somit zum Teil einer Heißgasströmung ausgesetzt, so dass eine intensive Kühlung notwendig ist.
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Aus
US 7,395,669 B2 ist bekannt, in den Einlaufstutzen hineinragende Kühlungsvorsprünge, beispielsweise Kühlungsrippen, vorzusehen, um den Wärmeübergang der durch den Einlaufstutzen strömenden kühleren Luftströmung auf die Wandung des Einlaufstutzens zu verbessern.
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Aus
US 4,875,339 ist eine Variante bekannt, bei der der Einlaufstutzen exzentrisch in eine größere Bohrung eingesetzt ist, wobei durch den entstehenden Spalt Luft strömen kann, die einen kühlenden Film bildet.
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In heutzutage betriebenen Brennkammern, beispielsweise Triebwerksbrennkammern, werden immer höher werdende Drücke und Temperaturen angestrebt, um den Treibstoffverbrauch zu senken. Somit besteht auch eine höhere Wärmebelastung der Einlaufstutzen für die einströmende Luft.
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Eine konvektive Kühlung, wie sie in
US 7,395,669 B2 vorgesehen ist, ist aufgrund des fehlenden isolierenden Kühlungsfilms zwischen dem Einlaufstutzen und der Heißgasströmung nicht sehr effektiv.
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Eine eine Filmkühlung ermöglichende Konstruktion gemäß
US 4,875,339 benötigt jedoch einen relativ großen Bauraum, der den an der Innenseite der Brennkammer gebildeten Kühlfilm unterbricht. Da der durch den Spalt neben dem Einlaufstutzen gebildete Luftstrom durch den vollen Druckverlust der Luft über die Brennkammerwand angetrieben wird, ist darüber hinaus der Luftverbrauch einer derartigen Kühlung relativ hoch.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer mit einer effizienten Kühlung von Einlaufstutzen für die Zuführung von Luft in einen Brennraum der Brennkammer zu schaffen.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei einer Brennkammer mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Brennkammerwand, die einen Brennraum begrenzt, mit mindestens einer in der Brennkammerwand angeordneten Lufteintrittsöffnung, wobei sich auf der dem Brennraum zugewandten Seite der Brennkammerwand ein Einlaufstutzen an die Lufteintrittsöffnung anschließt, wobei der Einlaufstutzen einen Eingang und einen Ausgang aufweist, ist vorgesehen, dass der Einlaufstutzen einen Innenquerschnitt aufweist, der am Eingang größer ist als am Ausgang, und dass in einer den Einlaufstutzen bildenden Wandung Kühllöcher angeordnet sind, die die Wandung durchdringen. Vorzugsweise verjüngt sich der Innenquerschnitt in Längsrichtung des Einlaufstutzens zu dem Brennraum hin.
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Durch den derart ausgebildeten Innenquerschnitt wird die durch den Einlaufstutzen strömende Luft erst am Ausgang des Einlaufstutzens auf die Endgeschwindigkeit, die durch die herrschenden Druckverhältnisse hervorgerufen wird, beschleunigt. Somit besitzt die in einem größeren Innenquerschnitt befindliche Luft gegenüber der Brennkammerströmung einen statischen Überdruck. Dieser kann genutzt werden, um die Luft durch die in der Wandung des Einlaufstutzens gebildeten Kühllöcher strömen zu lassen. Die durch die Kühllöcher strömende Luft gelangt somit an eine Außenfläche der Wandung und kann dort einen Kühlfilm bilden. Die vorliegende Erfindung verbindet somit die Vorteile eines kompakten Bauraums von konvektiv gekühlten Einlaufstutzen mit einer vorteilhaften Filmkühlung. Durch den verjüngenden Innenquerschnitt wird ein Druckunterschied zwischen der durch den Einlaufstutzen strömenden Luft und der Brennkammerströmung erreicht, wodurch eine Luftströmung durch die Kühllöcher möglich wird.
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Der Innenquerschnitt des Einlaufstutzens muss sich nicht notwendigerweise über die gesamte Länge des Einlaufstutzens verjüngen. Beispielsweise kann der Einlaufstutzen in einem ersten Abschnitt einen konstanten Innenquerschnitt aufweisen und in einem zweiten Abschnitt verjüngt sich der Innenquerschnitt zu dem Brennraum hin.
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Die durch die Kühllöcher strömende Luft nimmt Wärme von der Wandung auf und kühlt diese dadurch. Ferner wird nach dem Ausströmen der Luft aus den Kühllöchern ein Kühlfilm an der Außenfläche des Einlaufstutzens gebildet, der isolierend zwischen der Heißgasströmung und der Wandung wirkt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Einlaufstutzen ein sich in Richtung zu dem Brennraum hin verjüngenden Außenquerschnitt aufweist. Dadurch wird erreicht, dass die Kühlfilmströmung der umgebenen Brennkammerwand weniger stark beeinträchtigt wird als bei einem nicht verjüngenden Verlauf des Außenquerschnitts.
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Vorzugswiese ist dabei vorgesehen, dass die Wandung des Einlaufstutzens eine konstante Wandstärke aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühllöcher jeweils einen sich in Längsrichtung des Einlaufstutzens erstreckenden Einlass aufweisen. Mit anderen Worten: Die Mittelachse des Kühlloches in seinem Einlassbereich erstreckt sich in Längsrichtung des Einlaufstutzens. Somit wird erreicht, dass die durch den Einlaufstutzen strömende Luft nahezu widerstandslos in die Kühllöcher gelangen kann und die Luft keinen Widerstand aufgrund einer Richtungsänderung bereits am Einlass des Kühlloches erfährt.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kühllöcher die Wandung des Einlaufstutzens in Längsrichtung des Einlaufstutzens durchdringen. Mit anderen Worten: Die Kühllöcher erstrecken sich über die gesamte Länge in Längsrichtung des Einlaufstutzens.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kühllöcher einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Mit anderen Worten: Die Ausrichtung im Bereich des Einlasses ist von der Ausrichtung eines Auslasses der Kühllöcher unterschiedlich.
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Es kann ferner beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kühllöcher jeweils einen Auslass aufweisen, der sich in einem Winkel α zu einer Außenfläche der Wandung erstreckt, wobei gilt: 10° ≤ α ≤ 90°.
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Die Krümmung des Verlaufs der Kühllöcher kann beispielsweise in Richtung zu einer Mittelachse des Einlaufstutzens geneigt verlaufen oder in Richtung zu einer Umfangsrichtung des Einlaufstutzens. Auch kann die Krümmung in beide Richtungen geneigt sein.
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Ein flacher Verlauf des Auslassbereichs der Kühllöcher kann in vorteilhafter Weise die Ausbildung eines Kühlfilms an der Außenfläche der Wandung erzeugt werden. Somit wird durch die Bildung von Kühllöchern, deren Einlassbereich sich in Längsrichtung des Einlaufstutzens erstrecken und deren Auslassbereich sich in einem flachen Winkel zu der Außenfläche erstrecken, eine vorteilhafte Einströmung der Luft in die Kühllöcher und gleichzeitig eine vorteilhafte Ausbildung eines Kühlfilms an der Außenfläche der Wandung erreicht.
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Selbstverständlich können sich die Kühllöcher auch in andere Richtungen erstrecken. Beispielsweise können die Kühllöcher einen geraden Verlauf aufweisen und in einem flachen Winkel zu der Außenfläche der Wandung angeordnet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, dass sich die Kühllöcher in einer Richtung orthogonal zu der Wandung erstrecken. Auch können sich die Kühllöcher in eine Richtung erstrecken, die eine Richtungskomponente in Längsrichtung und eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung des Einlaufstutzens aufweist. In diesen Fällen muss die Strömung zum Eintritt in die Kühllöcher eine Richtungsänderung zu der Längsrichtung des Einlaufstutzens vornehmen. Auch besteht die Möglichkeit, dass in unterschiedlichen Bereichen der Wandung des Einlaufstutzens die Ausrichtung der Kühllöcher unterschiedlich ist, wodurch in vorteilhafter Weise die Ausbildung eines Kühlfilms an der Außenfläche der Wandung unterstützt werden kann.
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Die Kühllöcher können einen konstanten Querschnitt aufweisen. Alternativ können die Kühllöcher auch einen sich verändernden Querschnitt, beispielsweise einem sich in zum Auslass hin erweiternden Querschnitt, aufweisen. Beispielsweise kann ein Kühlloch einen Querschnitt eines Diffusors aufweisen, wodurch ein verbesserter Austritt der Kühlluft aus den Kühllöchern erreicht werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Kühllöcher, die in einem Bereich des Eingangs des Einlaufstutzens angeordnet sind, einen kleineren Querschnitt aufweisen, als Kühllöcher, die in einem Bereich eines Ausgangs des Einlaufstutzens angeordnet sind. Mit anderen Worten: Die in Flussrichtung der Luft in einem ersten Abschnitt des Einlaufstutzens angeordneten Kühllöcher sind kleiner als die in einem zweiten Abschnitt, der vor dem Ausgang des Einlaufstutzens angeordnet ist. Aufgrund des größeren Innenquerschnitts des Einlaufstutzens im Bereich des Eingangs des Einlaufstutzens ist der zwischen der Luftströmung und dem Brennraum herrschende Druckunterschied größer, so dass für eine ausreichende Luftströmung kleinere Kühllöcher ausreichend sind. Zum Ausgang des Einlaufstutzens hin ist der Druckunterschied geringer, so dass größere Löcher von Vorteil sind, um eine ausreichende Luftströmung hervorzurufen. Bei Kühllöchern mit einem sich verändernden Querschnitt bezieht sich das genannte Querschnittsverhältnis auf den kleinsten Querschnitt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die im Bereich des Eingangs des Einlaufstutzens angeordneten Kühllöcher eine andere Ausrichtung besitzen als die im Bereich des Ausgangs des Einlaufstutzens angeordneten Kühllöcher.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Anzahl von Kühllöchern pro Flächenabschnitt der Wandung in einem Bereich eines Eingangs des Einlaufstutzens kleiner ist als die Anzahl von Kühllöchern pro Flächenabschnitt der Wandung in einem Bereich eines Ausgangs des Einlaufstutzens.
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Als Bereich eines Eingangs des Einlaufstutzens wird beispielsweise ein Bereich ab Lufteintrittsöffnung bis zu zwischen 30% und 50% der Länge des Einlaufstutzens verstanden. Unter Bereich des Ausgangs eines Einlaufstutzens wird beispielsweise ein sich vom Ausgang in Stromaufwärtsrichtung der Luftströmung erstreckender Bereich, der zwischen 30% und 50% der Länge des Einlaufstutzens besitzt, verstanden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt der Kühllöcher und/oder die Anzahl von Kühllöchern pro Flächenabschnitt in Längsrichtung des Einlaufstutzens zu dem Ausgang hin ändert, beispielsweise zunimmt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer,
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2 eine Detaildarstellung eines Abschnitts der Wandung der Brennkammer mit einer einen Einlaufstutzen aufweisenden Lufteintrittsöffnung und
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3a–3c verschiedene Ausführungsformen von Kühllöchern in der Wandung des Einlaufstutzens der 2.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Brennkammer 1 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Brennkammer kann beispielsweise eine Gasturbinenbrennkammer sein.
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Die Brennkammer erstreckt sich in Längsrichtung und weist eine einen Brennraum 3 begrenzende Brennkammerwand 5 auf. An einer Stirnseite 5a der Brennkammerwand 5 ist ein Brenner 7, beispielsweise ein Gasbrenner, angeordnet. Die Brennkammerwand 5 ist von einem Kanal 9 umgeben, durch den Luft strömt.
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Im Betrieb wird durch den Brenner 7 ein Verbrennungsmedium, beispielsweise Gas, in den Brennraum 3 eingeführt. Mit dem Verbrennungsmedium wird ein Teil der notwendigen Verbrennungsluft durch den Brenner 7 eingeblasen.
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Die Brennkammerwand 5 weist mehrere Wandelemente 5b auf, die einander überlappen, wobei zwischen den Wandelementen 5b Spalten 11 gebildet sind. Wie durch die Pfeile angedeutet, wird aus dem Kanal 9 Luft durch die Spalte 11 eingeführt und bildet an der Innenseite der Brennkammerwand 5 einen kühlenden Film aus Luft für die Brennkammerwand 5.
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Zusätzlich wird über in der 1 nicht dargestellten Lufteintrittsöffnungen Verbrennungsluft in den Brennraum 3 eingebracht.
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Eine Lufteintrittsöffnung 13 ist in 2 schematisch dargestellt. Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Wandelements 5b der Brennkammerwand 5. An die Lufteintrittsöffnung 13 ist ein Einlaufstutzen 15 angeschlossen. Der Einlaufstutzen 15 leitet die aus dem Kanal 9 durch die Lufteintrittsöffnung 13 dringende Luft ins Innere des Brennraums 3. Dabei weist der Einlaufstutzen 15 eine Länge auf, die größer ist als die Dicke des auf der Innenseite der Brennkammerwand 5 gebildeten Kühlfilms, so dass die Luft direkt in den den Brennraum 3 durchströmenden Heißgasstrom eingeleitet wird.
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Der Einlaufstutzen 15 weist eine Wandung 17 auf. Der Innenquerschnitt Di des Einlaufstutzens 15 verjüngt sich in Längsrichtung des Einlaufstutzens 15 zu dem Brennraum 3 hin.
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In der Wandung 17 sind Kühllöcher 19 angeordnet. Durch die Kühllöcher 19 strömt ein Teil der Luft und nimmt Wärme der Wandung 17 auf. Ferner kann an der Außenseite der Wandung 17 ein weiterer Kühlfilm gebildet werden, der die Wandung 17 vor der Heißgasströmung in dem Brennraum 3 schützt.
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Die Luft gelangt von dem Kanal 9 durch einen durch die Lufteintrittsöffnung 13 gebildeten Eingang zu dem Ausgang 21. In dem Brennraum 3 herrscht gegenüber der Luftströmung in dem Kanal 9 ein geringerer statischer Druck. Über diesen Druck wird die Luft durch den Einlaufstutzen 15 angesaugt und in dem Einlaufstutzen 15 beschleunigt. Aufgrund des sich verjüngenden Innenquerschnitts Di des Einlaufstutzens 15 besitzt die durch den Einlaufstutzen 15 strömende Luft im Bereich des Eingangs 20 eine geringere Geschwindigkeit als im Bereich des Ausgangs 21 des Einlaufstutzens 15 und wird bei Durchströmung durch den Einlaufstutzen 15 erst auf die Endgeschwindigkeit beschleunigt. Dadurch besitzt die durch den Einlaufstutzen 15 strömende Luft im Bereich des Eingangs 20 einen höheren statischen Druck als die Brennkammer 3, wobei der statische Druck mit der Beschleunigung abnimmt. Da jedoch die Luftströmung erst unmittelbar am Ausgang 21 ihre höchste Geschwindigkeit aufweist, weist die Luftströmung auf nahezu dem gesamten Weg durch den Einlaufstutzen 15 einen höheren statischen Druck auf als der Druck der Brennkammer 3. Der statische Druck bewirkt, dass Luft durch die Kühllöcher 19 gedrückt wird.
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Der Einlaufstutzen 15 weist ferner ein sich in Längsrichtung des Einlaufstutzen 15 zu dem Brennraum 3 hin verjüngenden Außenquerschnitt Da auf. Dadurch wird erreicht, dass der auf der Innenseite der Brennkammerwand 5 gebildete Kühlfilm im Vergleich zu einem geraden Verlauf des Einlaufstutzens 15 geringer beeinträchtigt wird.
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In den 3a–3c ist eine Detaildarstellung der Wandung 17 des Einlaufstutzens 15 mit unterschiedlich ausgebildeten Kühllöchern 19 gezeigt. In 3a weisen die Kühllöcher 19 einen geraden Verlauf auf. Sie erstrecken sich durch die Wandung 17 hindurch in Längsrichtung des Einlaufstutzens 15, wie jeweils durch die Mittelachse 19a der Kühllöcher 19 dargestellt ist.
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Bei dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Kühllöcher 19 ebenfalls einen sich in Längsrichtung des Einlaufstutzens 15 erstreckenden Verlauf auf. Das Ausführungsbeispiel der 3b unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3a dahingehend, dass einige Kühllöcher 19 einen Querschnitt d' aufweisen, der größer ist als der Querschnitt d anderer Kühllöcher 19. Die Kühllöcher 19 mit dem größeren Querschnitt d' sind dabei in einem Bereich des Ausgangs 21 des Einlaufstutzens 15 angeordnet. Aufgrund der höheren Geschwindigkeit der Luftströmung im Bereich des Ausgangs 21 des Einlaufstutzens ist der Druckunterschied zu der in dem Brennraum 3 herrschenden Druck geringer, so dass durch die Kühllöcher mit größerem Querschnitt d' ein ausreichender Luftstrom für die Kühlung der Wandung 17 strömen kann.
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Der Bereich des Ausgangs 21 des Einlaufstutzens 15 kann beispielsweise der unmittelbar an den Ausgang 21 angrenzende Teil des Einlaufstutzens 15 sein und eine Länge zwischen 30% und 50% der Länge des Einlaufstutzens 15 aufweisen. Der Bereich des Eingangs 20 des Einlaufstutzens 15 kann beispielsweise das unmittelbar an die Lufteintrittsöffnung 13 anschließende Teil des Einlaufstutzens 15 sein und eine Länge zwischen 30% und 50% der Länge des Einlaufstutzens 15 besitzen.
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In 3c ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Kühllöcher 19 einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Während die Mittelachse 19a des Einlasses 19b des Kühllochs 19 sich in Längsrichtung des Einlaufstutzens 15 erstreckt, weist die Mittelachse 19a im Bereich des Auslasses 19c des Kühllochs 19 eine andere Richtung auf. Die Mittelachse 19a des Kühllochs 19 im Auslass 19c kann zu der Außenfläche der Wandung 17 einen Winkel α aufweisen, wobei gilt: 20° ≤ α ≤ 45°. Durch diesen flachen Verlauf kann die Ausbildung eines Kühlfilms an der Außenseite der Wandung 17 in vorteilhafter Weise erreicht werden.
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Selbstverständlich können die Kühllöcher 19 auch noch andere Verläufe aufweisen. Beispielsweise können die Kühllöcher 19 im Bereich des Eingangs 20 des Einlaufstutzens 15 einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wohingegen die Kühllöcher 19 im Bereich des Ausgangs 21 des Einlaufstutzens 15 einen geraden Verlauf aufweisen. Auch kann die Anzahl von Kühllöchern pro Flächenabschnitt der Wandung 17 im Bereich des Ausgangs 21 des Einlaufstutzens 15 größer sein als im Bereich des Eingangs 20. Hierbei wird die Außenwandung 17 betrachtet, so dass die Anzahl der Auslässe 19c der Kühllöcher 19 pro Flächenabschnitt der Wandung 17 für das Anzahlverhältnis herangezogen wird.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels einer Brennkammer 1 mit einer Brennkammerwand 5 beschrieben, die aus mehreren Wandelementen 5b besteht. Selbstverständlich ist die Erfindung auch in Brennkammern mit durchgängigen Brennkammerwänden realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7395669 B2 [0003, 0006]
- US 4875339 [0004, 0007]
