DE2029918A1 - Wall exposed to hot fluids - Google Patents
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Description
Dipl. mo. ß. HOIjZEBDipl. Mo. ß. HOIjZEB
89 AUGSBURG89 AUGSBURG
»1S7S»1S7S
R. 777R. 777
Augsburg, den 16. Juni 1970Augsburg, June 16, 1970
Rolls-Royce Limited, Moor Lane, Derby, EnglandRolls-Royce Limited, Moor Lane, Derby, England
Heißen Strömungsmitteln aussetzbare WandungWall exposed to hot fluids
Die Erfindung betrifft heißen Strömungsmitteln aussetzbare Wandungen.The invention relates to walls exposed to hot fluids.
Bei bekannten derartigen Wandungen ist ein Hitzeschild an einem Stützteil befestigt. Das den heißen . Strömungsmitteln ausgesetzte Hitzeschild muß mit Bezug auf das verhältnismäßig kühlere Stützteil in zwei ·In known walls of this type, there is a heat shield attached to a support part. That means. Heat shield exposed to fluids must be referenced on the relatively cooler support part in two
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Richtungen dehnbar sein, damit Wärmespannungsdehnungen aufgenommen werden können. Das Hitzeschild muß außerdem dem betreffenden heißen Strömungsmittel eine verhältnismäßig glatte Oberfläche bieten, damit der Wärmeübergang in das Hitzeschild hinein möglichst klein gehalten wird. Normalerweise wird eine Kühlströmung in den Zwischenraum zwischen dem Hitzeschild und dem Stützteil eingeleitet.Directions stretchable so that thermal stress expansion can be absorbed. The heat shield must also offer the hot fluid in question a relatively smooth surface, so that the heat transfer is kept as small as possible into the heat shield. Usually there is a cooling flow in the space initiated between the heat shield and the support part.
Es ist bereits bekannt, das Hitzeschild aus einer Vielzahl einzelner Platten zu bilden, die jeweils für sich an der Stützkonstruktion befestigt sind. Die Platten können sich relativ zueinander und relativ zur Stützkonstruktion dehnen und das kühlende Strömungsmittel kann frei durch die Spalte zwischen den einzelnen Platten zur heißen Seite des Hitzeschildes hindurchströmen, wo sie einen Kühlfilm bilden.It is already known to form the heat shield from a plurality of individual plates, each for are attached to the support structure. The plates can expand relative to each other and relative to the support structure and the cooling fluid can flow freely through the gaps between the individual plates to the hot side of the heat shield, where they form a cooling film.
Es ist manchmal notwendig, derartige Wandungen undurchlässig zu gestalten, so daß eine Kühlfilmkühlung nicht Anwendung finden kann. Dies gilt beispielsweise für Fälle, in welchen der Druck der Kühlströmung niedriger ist als derjenige der betreffenden heißen Strömung. Die zweidimensionale Dehnbarkeit und die relative Oberflächenglätte der betreffenden Wandung müssen aber trotzdemIt is sometimes necessary to make such walls impermeable, so that a cooling film cooling cannot apply. This applies, for example, to cases in which the pressure of the cooling flow is lower is than that of the hot current in question. The two-dimensional extensibility and the relative surface smoothness the wall in question must nevertheless
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BADBATH
'■-Ü \i-'- ;i'■ -Ü \ i -'- ; i
sichergestellt sein.be assured.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei heißen Strömungsmitteln aussetzbaren undurchlässigen Wandungen sowohl eine verhältnismäßig glatte heiße Oberfläche des Hitzeschildes als auch eine zweidimensionale Dehnbarkeit des Hitzeschildes zu erzielen.The aim of the invention is to achieve the problem of impermeable components which can be exposed to hot fluids Walls both have a relatively smooth hot surface of the heat shield as well as a two-dimensional stretchability of the heat shield.
Diese Aufgabe wird bei heißen Strömungsmitteln aussetzbaren Wandungen gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Hitzeschild mit die heiße Oberfläche des Schildes bestimmenden flachen Wandungsteilen vorgesehen ist, die über zueinander parallele, von der heißen Oberfläche abgewandte, zwischen jeweils benachbarten flachen Wandungsteilen entsprechende Spalte bildende Falzbereiche miteinander verbunden sind, so daß sich die flachen Wandungsteile in Richtungen rechtwinklig zur Palzlängsrichtung unter gleichzeitiger Spaltverengung dehnen können, wobei sowohl diese flachen Wandungsteile als auch diese Falzbereiche so gestaltet sind, daß sie Wellungen bilden, deren Wellungsfurchen rechtwinklig zur Palzlängsrichtung verlaufen, so daß sich die flachen Wandungsteile und die Palzbereiche zusammen in Längsrichtung der Falze unter gleichzeitiger Verengung dieser Wellungen dehnen können.In the case of walls that can be exposed to hot fluids, this object is achieved according to the invention by that a heat shield is provided with the hot surface of the shield determining flat wall parts, the via mutually parallel, facing away from the hot surface, between respective adjacent flat wall parts forming corresponding gaps with one another fold areas are connected so that the flat wall parts in directions at right angles to the longitudinal direction of Palz can stretch with simultaneous narrowing of the gap, both these flat wall parts and these fold areas are designed so that they form corrugations, the corrugation furrows at right angles to the longitudinal direction of Palz run so that the flat wall parts and the paling areas together in the longitudinal direction of the folds below simultaneous narrowing of these corrugations can stretch.
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Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Wandung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:An example of a wall according to the invention will now be described with reference to the accompanying drawings in FIG individually described. In the drawings show:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch dasFig. 1 is a longitudinal section through the
Strahlrohr eines nicht dargestellten Gasturbinentriebwerks, welches aus einer erfindungsgemäßen Wandung gebildet ist,Jet pipe of a gas turbine engine, not shown, which consists of an inventive Wall is formed,
Fig. 2 eine Einzelheit der Pig. I inFigure 2 shows a detail of the Pig. I in
größerem Maßstab,larger scale,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Ebene III-III3 shows a section along the plane III-III
in Fig. 2,in Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Detailansicht4 shows a perspective detailed view
der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Teile,the parts shown in Figs. 2 and 3,
Fig. 5 eine_Einzelheit der dargestelltenFig. 5 is a detail of the one shown
Wandung in einem Stadium ihrer Herstellung,Wall in a stage of its manufacture,
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Pig. 6 eine der Pig. 2 ähnliche Ansicht,Pig. 6 one of the pig. 2 similar view,
welche eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandung in kleinerem Maßstab zeigt, undwhich is a modified embodiment of the invention Wall shows on a smaller scale, and
Fig. 7 eine Ansicht auf die Ebene VII-VII7 shows a view on plane VII-VII
in Pig. 6.in Pig. 6th
Das in Fig. 1 dargestellte Strahlrohr 1 eines nicht dargestellten Gasturbinentriebwerks weist Flammenhalter 2 für Nachverbrennung und ein Hitzeschild 3 auf, welches das Strahlrohr gegen die örtlichen Temperaturanstiege bei Nachverbrennungsbedingungen schützt. Das Strahlrohr ist doppelwandig und bildet dadurch einen Ringraum 4, in welchem Kühlluft strömt, die durch einen Pfeil 5 angedeutet ist. ·The jet pipe 1 shown in Fig. 1 is not one gas turbine engine shown has flame holder 2 for afterburning and a heat shield 3, which protects the radiant tube against local temperature increases in post-combustion conditions. The jet pipe is double-walled and thereby forms an annular space 4 in which cooling air flows, which is indicated by an arrow 5 is. ·
Das Strahlrohr 1 und das Hitzeschild 3 bilden zusammen eine Wandung, längs welcher der Heißgasstrom strömt, welcher das Strahlrohr in Richtung des Pfeiles 6 durchströmt.The radiant tube 1 and the heat shield 3 together form a wall, along which the hot gas flow which flows through the jet pipe in the direction of arrow 6.
Das Hitzeschild 3 besteht aus einem Blech 10 einerThe heat shield 3 consists of a sheet metal 10 a
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hitzebeständigen Legierung und weist flache Wandungsteile l6a auf, welche die heiße Oberfläche 15 des Hitzeschildes bilden, d.h. die Oberfläche, die den Heißgasen ausgesetzt ist. Zwischen den flachen Wandungsteilen des Bleches IO sind durch Pressen Palzbereiche 16 gebildet, welche die flachen Wandungsteile miteinander verbinden. Der Begriff "flach" schließt im Zuge dieser Darlegungen im Hinblick auf die Wandungsteile 16a auch zylindrisch gekrümmte Wandungsteile ein, die mit Bezug auf die Palzbereiche 16 jedoch als eben angesehen werden können. . Die einzelnen Palzbereiche sind von der Oberfläche 15 abgelegen und so gestaltet, daß sie zwischen jeweils benachbarten Oberflächenbereichen einen Spalt 17 bilden, der die Möglichkeit einer Wärmedehnung der flachen Wandungsteile rechtwinklig zur Längsrichtung des Spaltes 17 ergibt. Der Spalt 17 ist verhältnismäßig eng und bildet mit der Oberfläche 15 im wesentlichen rechteckige Ecken 18, so daß diese Oberfläche nicht durch den Spalt in unzulässig starkem Maße unterbrochen ist und die Bildung von unerwünschten Turbulenzen in dem über die Oberfläche 15 streichenden Gasstrom vermieden wird. Die Breite des Spaltes 17 ist vorzugsweise so groß, daß er bei Betriebs-Höchsttemperatur des Hitzeschildes infolge der Wärmedehnungheat-resistant alloy and has flat wall parts 16a, which form the hot surface 15 of the heat shield, i.e. the surface which the hot gases is exposed. Palz areas 16 are formed between the flat wall parts of the sheet IO by pressing, which connect the flat wall parts to one another. The term "flat" closes in the course of this discussion With regard to the wall parts 16a, also cylindrically curved wall parts which, with reference to the Palz areas 16 can, however, be viewed as flat. . The individual Palz areas are from the surface 15 remote and designed so that they form a gap 17 between adjacent surface areas, the possibility of thermal expansion of the flat wall parts at right angles to the longitudinal direction of the gap 17 results. The gap 17 is relatively narrow and forms with the surface 15 substantially rectangular corners 18, so that this surface is not inadmissible through the gap is interrupted to a great extent and the formation of undesirable turbulence in the area above the surface 15 stroking gas flow is avoided. The width of the gap 17 is preferably so large that it is at the maximum operating temperature of the heat shield as a result of thermal expansion
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desselben im wesentlichen geschlossen ist.the same is essentially closed.
Sowohl die flachen Wandungsteile als auch die Falzbereiche der Wandung sind so gestaltet, daß sie Wellungen 11 bilden, welche durch elektrochemisches Einarbeiten von Nuten 12 und 13 in das Blech eingearbeitet werden. Die Wellungen 11 liegen so, daß ihre Wellenfurchen rechtwinklig zur Längsrichtung der Palzbereiche verlaufen. Die Wellungen 11 geben folglich die Möglichkeit, daß sowohl die flachen Wandungsteile als auch die Falzbereiche sich zusammen in Richtung der Falzlängsrichtung dehnen können. Both the flat wall parts and the Fold areas of the wall are designed so that they form corrugations 11, which by electrochemical Incorporation of grooves 12 and 13 incorporated into the sheet metal will. The corrugations 11 are so that their corrugation grooves at right angles to the longitudinal direction of the paling areas get lost. The corrugations 11 consequently give the possibility that both the flat wall parts as well the fold areas can expand together in the direction of the longitudinal direction of the fold.
Die sich in Richtung 6 der Gasströmung erstreckenden Nuten 12 sind verhältnismäßig eng und haben verhältnismäßig scharfe Nutkanten, so daß auch hier nur eine geringfügige Störung der Oberflächenglätte der Oberfläche 15 hervorgerufen wird.The ones extending in the direction 6 of the gas flow Grooves 12 are relatively narrow and have relatively sharp groove edges, so that here only one slight disturbance of the surface smoothness of the surface 15 is caused.
Das Hitzeschild bildet also infolge der Falzbereiche und der Wellungen eine zweidimensional dehnbare Konstruktion.The heat shield therefore forms a two-dimensionally expandable construction as a result of the fold areas and the corrugations.
An der von der Oberfläche 15 abgelegenen Seite sind die einzelnen Falzbereiche 16 zu GrundbereichenOn the side remote from the surface 15 are the individual fold areas 16 to basic areas
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verbreitert, an welchen das Blech 10 an einer Stützkonstruktion befestigt sein kann, die im vorliegenden Fall ein Teil 20 des Strahlrohres 1 ist, wobei die Befestigung mittels Nieten 23 erfolgt, die durch Löcher 21 der Grundbereiche hindurchgeschoben sind. In der Nähe der Löcher sind die Wellungen unterbrochen, so daß um die Löcher herum die erforderliche Materialstärke vorhanden ist. Diese örtliche Unterbrechung der Wellungen 11 kann leicht dadurch erreicht werden, daß zur Herstellung der Wellungen 11 elektrochemische Bearbeitungsverfahren verwendet werden.widened, on which the sheet metal 10 can be attached to a support structure, which in the present case is a part 20 of the jet pipe 1, the fastening being carried out by means of rivets 23, which pass through holes 21 in the base areas are pushed through. In the vicinity of the holes the corrugations are interrupted, so that around the holes around the required material thickness is available. This local interruption of the corrugations 11 can easily be achieved in that 11 electrochemical machining processes to produce the corrugations be used.
Die Falzbereiche 16 werden durch entsprechende Verformung des Bleches 10 in zwei Stufen hergestellt, die in Fig. 2 dargestellt sind. Das Blech wird zunächst in die mit der Bezugsziffer A bezeichnete Form gebogen und sodann bearbeitet, so daß an den Oberflächen 22 die Kanten 18 gebildet werden. Danach werden die Wellungen ausgearbeitet und zuletzt wird das Blech in die Form B gebogen, welche das Endstadium der Falzbereiche 16 darstellt. Die Oberflächen 22 werden unter solc-hen Winkeln ausgearbeitet, daß sie bei der Form B die Seiten des Spaltes 17 bilden. In der Form A sind die Falzbereiche genügend weit offenfum den für die Bearbeitung derThe fold areas 16 are produced by corresponding deformation of the sheet 10 in two stages, which are shown in FIG. The sheet metal is first bent into the shape designated by the reference number A and then processed so that the edges 18 are formed on the surfaces 22. The corrugations are then worked out and finally the sheet metal is bent into shape B, which represents the final stage of the fold areas 16. The surfaces 22 are machined at angles such that they form the sides of the gap 17 in the case of form B. In the form of A, the fold areas are sufficiently open to the f for processing
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Nuten 12 und 13 erforderlichen Zugang in der betreffenden Stellung zu haben, welche später die Seiten der Falzbereiche 16 in der Form B bilden. Grooves 12 and 13 required access in the relevant position, which later form the sides of the fold areas 16 in the form B.
Der Zwischenraum 24 zwischen den einzelnen flachen Wandungsteilen l6a und dem benachbarten Rohrteil 20 kann mit faserigem Isoliermaterial, beispielsweise mit Kieselerdewolle ausgefüllt sein, damit die Wärmekonvektion in diesem Zwischenraum vermindert wird und auch die Wärmeabstrahlung von der Oberfläche 15 vermindert wird. In Abwandlung dessen können die Zwischenräume 24 durch in den Zeichnungen nicht dargestellte Löcher mit dem Raum 4 verbunden sein, so daß Kühlluft in den Zwischenräumen 24 zirkulieren kann.The space 24 between the individual flat wall parts l6a and the adjacent tube part 20 can with fibrous insulating material, for example with silica wool be filled so that the heat convection is reduced in this gap and the heat radiation from the surface 15 is reduced. In a modification of this, the spaces 24 can through holes not shown in the drawings to be connected to the space 4, so that cooling air in the spaces 24 can circulate.
In Fällen, in welchen der Temperaturgradient zwischen der Oberfläche 15 und dem Teil 20 zu groß ist, als daß ein einzelnes Hitzeschild die erforderliche Wärmedehnung aufzunehmen vermag, wird, wie aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, ein weiteres Hitzeschild angeordnet, welches vorzugsweise zwischen dem Hitzeschild 3 und dem Strahlrohrteil 20 angeordnet ist. Dieses "'■ weitere Hitzeschild 25 ist im allgemeinen genauso aufgebaut wie das Hitzeschild 3, doch kann es weniger Wellungen In cases in which the temperature gradient between the surface 15 and the part 20 is too great for a single heat shield to be able to absorb the required thermal expansion, a further heat shield is arranged, as can be seen from FIGS. 6 and 7, which preferably is arranged between the heat shield 3 and the radiant tube part 20. This "'■ additional heat shield 25 has the same structure generally as the heat shield 3, but it may be less undulations
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aufweisen und die Spalte der Falzbereiche brauchen nicht so eng zu sein wie diejenigen beim Hitzeschild 3. Auch das Hitzeschild 25 weist Nieten 27 auf, mit welchen es am Hitzeschild 3 befestigt ist, wie auch Nieten 23 zur Befestigung am Strahlrohrteil 20 dienen. Die Zwischenräume 2k des Hitzeschildes 3 sind mit Kieselerdewolle ausgefüllt und entsprechende Zwischenräume des Hitzeschildes 25 können in unmittelbarer Verbindung mit dem Raum k stehen, wobei die Richtung der Falzbereiche des Hitzeschildes 25 parallel zur Luftströmung 5 verläuft, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist.and the gaps in the fold areas do not need to be as narrow as those in the heat shield 3. The heat shield 25 also has rivets 27 with which it is attached to the heat shield 3, as are rivets 23 for attachment to the radiant tube part 20. The spaces 2k of the heat shield 3 are filled with silica wool and corresponding spaces of the heat shield 25 can be in direct connection with the space k , the direction of the fold areas of the heat shield 25 running parallel to the air flow 5, as can be seen from FIG.
Es zeigt sich, daß zwischen der heißen Strömung 6 und der kalten Strömung 5 keine Verbindung besteht und daß folglich die letztere unter niedrigerem Druck erfolgen kann als die erstere. In Fällen, in welchen die kalte P Strömung einen größeren Druck hat, kann eine Verbindung zum-Inneren der Falzbereiche 16 vorgesehen sein, was beispielsweise mittels Löchern in den Nieten 23 geschehen kann, so daß die Falzbereiche gekühlt werden und die kalte Strömung in die Grenzschicht übergeführt werden kann, um die Oberfläche 15 zu kühlen.It can be seen that there is no connection between the hot flow 6 and the cold flow 5 and that consequently the latter can take place under lower pressure than the former. In cases where the cold P flow has a greater pressure, a connection to the interior of the fold areas 16 can be provided, what can be done for example by means of holes in the rivets 23, so that the fold areas are cooled and the cold flow can be transferred into the boundary layer in order to cool the surface 15.
Das Material des Hitzeschildes kann Nickel oderThe material of the heat shield can be nickel or
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eine Kobalt-Borlegierung sein, beispielsweise eine Legierung, die unter dem Handelsnamen "Stellite" bekannt geworden ist. Wenn das Hitzeschild nicht durch einen über seine heiße Oberfläche geführten Kühlfilm gekühlt wird, muß es die volle Wirkung der Heißgastemperatur erleiden.be a cobalt-boron alloy, for example a Alloy known by the trade name "Stellite" has become. If the heat shield is not through a The cooling film guided over its hot surface is cooled it must suffer the full effect of the hot gas temperature.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Hitzeschild mit einer zylindrischen Oberfläche 15 versehen, jedoch kann das Hitzeschild auch ebenso als flache's Schild ausgebildet sein, so daß die Oberfläche in einer Ebene liegt.In the embodiment described, the heat shield is provided with a cylindrical surface 15, however, the heat shield can also be designed as a flat shield, so that the surface lies in one plane.
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