DE1476801B2

DE1476801B2 - Kuehlvorrichtung fuer gasturbinenbrennkammern

Info

Publication number: DE1476801B2
Application number: DE19661476801
Authority: DE
Inventors: Cincinnati Ohio Campbell. Thomas Chase (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-19
Filing date: 1966-10-13
Publication date: 1971-04-08
Also published as: DE1476801A1; US3369363A; FR1510874A; BE688143A; NL158584B; GB1138547A; NL6613784A; CH468557A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Gasturbinenbrennkammern mit innerhalb eines Kühlluftmantels angeordneten, sich in Richtung der Brennkammerachse einander anschließenden, ringförmigen Flammrohrwandteilen, mit jeweils am Übergang von einem zum nächstfolgenden Wandteil angeordneten doppelwandigen Abschnitten, durch die ein stromoberseitig gegen den Kühlluftstrom abgeschlossener und stromunterseitig zum Heißgasstrom hin offener Ringspalt gebildet ist, in den durch radiale Bohrungen von außen Kühlluft einströmen kann, um anschließend in axialer Richtung unter Bildung eines Kühlfilms entlang der Flammrohrinnenseite abzuströmen.

Bekannte derartige Kühlvorrichtungen haben den Nachteil, daß die koppelwandigen Abschnitte am Übergang von einem Wandteil zum nächstfolgenden Wandteil flach aufeinanderliegen und durch Punktschweißung oder ähnliche Verfahren miteinander verbunden sind. Hier ergeben sich Spannungsspitzen und die Gefahr von Anrissen durch Temperaturverände- * rungen und ungleichmäßige Temperaturverteilungen. Dies ist ein Grund, weshalb derartige Brennkammern in relativ kurzen Intervallen gewartet werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine verbesserte konstruktive Ausbildung dieses Bereiches die Gefahr von Anrissen durch Temperaturwechselbelastungen zu verringern und so eine längere wartungsfreie Betriebszeit bzw. Brenndauer der Brennkammer zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß zur Verbindung von jeweils zwei benachbarten Wandteilen und zur Bildung des Ringspalts ein einstückig hergestellter, drei Schenkel aufweisender Verbindungsteil vorgesehen ist, dessen erster Schenkel sich stromaufwärts erstreckt und mit dem sich stromaufwärts anschließenden Wandteil verbunden ist, dessen zweiter Schenkel sich stromabwärts und mit dem stromaufwärtigen Wandteil und dem ersten Schenkel fluchtend erstreckt und dessen dritter Schenkel radial nach außen versetzt ist und sich ebenfalls stromabwärts erstreckt und mit dem sich stromabwärts anschließenden Wandteil verbunden ist, und daß zwischen dem ersten und dem dritten Schenkel ein stetiger aerodynamisch günstiger Übergang unter gleichzeitiger Materialanhäufung ausgebildet ist.

In vorteilhafter Weise wird durch die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung eine bisher verwendete Überlappung am Übergang von einem Wandteil zum nächsten Wandteil vermieden, und beide Wandteile der Brennkammer sind an einem einstückigen aerodynamisch günstig ausgebildeten Verbindungsteil angeschlossen. An Stelle der bisher üblichen Punktschweißung kann ein günstigeres Verbindungsverfahren verwendet werden, bei dem bei Temperaturänderungen und ungleichmäßigen Temperaturverteilungen keine übermäßigen Spannungen auftreten. Außerdem sind die Verbindungsstellen in einen Bereich gleichmäßigerer Temperaturverhältnisse verlegt. Der Wärmespannungen ausgesetzte Bereich, nämlich der Übergang des radial nach außen versetzten dritten Schenkels in den ersten sich stromaufwärts erstreckenden Schenkel, hat eine relativ große und starre Materialmasse, in der auftretende Wärmespannungen durch Temperaturveränderungen oder -differenzen sich weniger nachteilig auswirken. Die geringere Gefahr von Anrissen durch Temperaturwechselbelastungen ermöglicht, daß die Brennkammer erheblich längere Zeit ohne Wartung betrieben werden kann.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar ist

F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht einer Kühlvorrichtung für Gasturbinenbrennkammern gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

ίο F i g. 3 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die in F i g. 2 dargestellte Kühlvorrichtung, wobei in gestrichelten Linien Schlitze für eine Ausdehnung gezeigt sind.

F i g. 4 eine Gasturbinenbrennkammer gemäß der Erfindung teilweise in Seitenansicht und längs geschnitten, in der drei ringförmige Wandteile dargestellt sind und

F i g. 5 ein Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Brennkammer mit konisch ausgeführten Wand-

teilen. - ^

F i g. 1 zeigt_^ine Kühlvorrichtung einer entweder ring- oder rohrförmigen Brennkammer. Dabei ist eine derartige Kühlvorrichtung nicht auf eine Brenn-

■ kammer beschränkt, sondern sie ist auch für andere Einrichtungen verwendbar, bei denen Wandteile durch einen Strom eines kälteren fließfähigen Mediums gekühlt werden sollen. Eine als Anwendungsbeispiel beschriebene Brennkammer einer Gasturbine besteht aus aneinandergereihten einzelnen Flammrohrwandteilen, die entweder gemäß F i g. 4 zylinderförmig sind und deren Durchmesser in Strömungsrichtung stufenförmig zunimmt oder die gemäß F i g. 5 eine konische Form haben können. Entlang der Außenseite der Brennkammer strömt, wie in F i g. 1 durch einen Pfeil 14 dargestellt ist, Kühlluft und längs der Innenseite, wie durch einen Pfeil 16 dargestellt ist, ein heißes fließfähiges Medium. Am Stufensprung zwischen einem Flammrohrwandteil 10 mit kleinerem Durchmesser und einem Flammrohrwandteil 12 mit größerem Durchmesser sind radial verlaufende Öffnungen 28, die kreis- oder schlitzförmig sein können, angebracht. Diese Öffnungen 28 gestatten einen Durchtritt der an der Brennkammeraußenseite befindlichen Kühlluft 14 in das Innere der Brennkammer. Ein durch eine Schürze innerhalb der Brennkammer" gebildeter Ringspalt 30 unter den Öffnungen 28 lenkt die radial eintretende Kühlluft in eine axiale Richtung um, so daß diese dann an der Innenseite 18 des Wandteils 12 vorbeiströmt. Dabei erfolgt eine Kühlung dieses Wandteils und eine Abschirmung gegen eine direkte Berührung der Innenseite 18 des Wandteils 12 durch das heiße

- fließfähige Medium 16,

Bei bekannten derartig aufgebauten Kühlvorrichtungen von Brennkammern sind die einzelnen konzentrischen Flammrohrwandteile ineinandergesteckt und durch Punkt- oder Widerstandsschweißung miteinander verbunden. Um die dadurch auftretenden Nachteile zu vermeiden, sind bei der Kühlvorrichtung nach der Erfindung die benachbarten Flammrohrwandteile nicht ineinandergesteckt, sondern durch einen ringförmigen Verbindungsteil 20 miteinander verbunden.

Dieser Verbindungsteil 20 ist mit drei Schenkeln 22, 24 und 26 einstückig ausgebildet. Der erste Schenkel 22 erstreckt sich stromaufwärts, und er ist mit dem stromaufwärts anschließenden kleineren Wandteil 10 verbunden. Dabei fluchtet die Unterseite des ersten

Schenkels 22 mit der Unterseite des angrenzenden Wandteils 10. Der zweite Schenkel 24 erstreckt sich stromabwärts, und er fluchtet mit dem ersten Schenkel 22 und dem stromaufwärts befindlichen Wandteil 10. Der dritte Schenkel 26 ist radial nach außen versetzt und erstreckt sich ebenfalls stromabwärts. Dabei ist seine radiale Versetzung so groß, daß seine Unterseite mit der Unterseite 18 des stromabwärts befindlichen angrenzenden größeren Wandteiles 12 fluchtet, mit dem der dritte Schenkel bei 32 verbunden ist. Die parallel verlaufenden zweiten und dritten Schenkel bilden zwischen sich den Ringspalt 30. Dabei ist der dritte Schenkel 26 wenigstens so lang wie der innen liegende zweite Schenkel 24, oder er erstreckt sich um einen geringen Betrag weiter stromabwärts als der zweite Schenkel. Die radial verlaufenden Öffnungen 28 für den Eintritt und das Bemessen der Kühlluft 14 von der Außenseite der Brennkammer in den im Inneren der Brennkammer liegenden Ringspalt befinden sich in dem dritten Schenkel 26. Um eine Materialschwächung durch die radial verlaufenden Öffnungen 28 zu vermeiden und an dieser Stelle auftretende Spannungen zu verringern,'ist der dritte Schenkel 26 dicker als die beiden anderen Schenkel 22 und 24 ausgeführt. Stromabwärts ist der "dritte Schenkel 26 kurz vor der Verbindungsstelle 32 mit dem Wandteil 12 bei konstantem Innendurchmesser auf die Wandstärke des Wandteils 12 verringert, wobei die Verringerung der Wandstärke des dritten Schenkels allmählich erfolgt. Der Übergang von dem ersten Schenkel 22, dessen Wandstück an der Verbindungsstelle mit dem angrenzenden Wandteil 10 der Wandstärke dieses Wandteils entspricht, in den radial nach außen versetzten und dickeren dritten Schenkel erfolgt stetig, so daß ein aerodynamisch günstiger Übergang geschaffen ist. Durch diesen Übergang ist in dem Verbindungsteil 20 stromaufwärts des Ringspaltes 30 eine Materialanhäufung geschaffen, durch die die Gefahr von Anrissen bei den an dieser Stelle auftretenden Temperaturwechselbelastungen stark verringert ist.

Der den Ringspalt 30 bildende zweite Schenkel 24 kann mit konstantem Innen- und Außendurchmesser, wie in Fig. 1 dargestellt ist, ausgeführt sein. Er kann aber auch aus strömungstechnischen Gründen, wie in F i g. 2 gezeigt ist, bei konstantem Außendurchmesser einen sich zur Spitze verjüngenden Querschnitt haben.

Aus Gründen temperaturbedingter Ausdehnungen kann der Schenkel 24 auch gemäß Fig. 4 mit Schlitzen 34 versehen sein. ·.

Die beschriebene Ausführung der Verbindung zweier benachbarter Flammrohrwandteile ermöglicht einen glatten axialen Belastungsübergang zwischen angrenzenden Flammrohrwandteilen. Eingehende Versuche zeigten einen Temperaturgradienten 36, der gemäß Fig. 1 sehr gleichmäßig über den Flammrohrwandteil verteilt ist.

Claims

. Patentanspruch: .

Kühlvorrichtung für Gasturbinenbrennkammern mit innerhalb eines Kühlluftmantels angeordneten, sich in Richtung der Brennkammerachse einander anschließenden, ringförmigen Flammrohrwandteilen, mit jeweils am Übergang von einem zum nächstfolgenden Wandteil an_z geordneten koprjejwandigen Abschnitten, durch die ein stromoberseltig" gegen den Kühlluftstrom abgeschlossener und stromunterseitig zum Heißgasstrom hin offener Ringspalt gebildet ist, in den durch radiale Bohrungen.von außen Kühlluft einströmen kann, um anschließend in axialer Richtung unter Bildung eines Kühlfilms entlang der Flammrohrinnenseite abzuströmen, d'a durch gekennzeichnet, daß zur Verbindung von jeweils zwei benachbarten Wandteilen (10, 12) und zur Bildung des Ringspalts (30) ein einstückig hergestellter, drei Schenkel (22, 24, 26) aufweisender Verbindungsteil (20) vorgesehen ist, dessen erster Schenkel (22) sich stromaufwärts erstreckt und mit dem sich stromaufwärts anschließenden Wandteil (10) verbunden ist, dessen zweiter Schenkel (24) sich stromabwärts und mit dem stromaufwärtigen Wandteil (10) und dem ersten Schenkel (22) fluchtend erstreckt und dessen dritter Schenkel (26) radial nach außen versetzt ist und sich ebenfalls stromabwärts erstreckt und mit dem sich stromabwärts anschließenden Wandteil (12) verbunden ist, und daß zwischen dem ersten (22) und dem dritten (26) Schenkel ein stetiger, aerodynamisch günstiger Übergang unter gleichzeitiger Materialanhäufung ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen