DE2202356A1 - Kuehlanordnung fuer Kanaele - Google Patents
Kuehlanordnung fuer KanaeleInfo
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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Description
Der Staatssekretär für Verteidigung in der Regierung Ihrer Majestät der Königin des Vereinigten Königreiches
von Großbritannien und Nordirland, Whitehall, London S.W.l,
England
Kühlanordnung für Kanäle
Die Erfindung betrifft Kühlanordnungen für Kanäle mit stromauf und stromab gelegenen und jeweils verschiedenen
Abstand von der Kanalachse aufweisenden koaxialen Wandabschnitten sowie mit einem Kühlabschnitt,
durch welchen ein Kühlströmungsmittel zur Bildung eines KUhlfilms auf einer der Kanaloberflächen hindurchleitbar
ist.
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Im Rahmen der Erfindung sind Kanäle gemeint, deren eine Oberfläche einem heißen Strömungsmittel ausgesetzt
ist, wie beispielsweise in den Brennkammern von Gasturbinentriebwerken.
In Brennkammern weisen die Kanäle, d. h. die Flammrohre, bearbeitete Ringe auf, welche stromauf und stromab
gelegene Wandabschnitte der Flammrohre voneinander trennen und welche mit einer Reihe von in umfangsmäßigen Abständen
angeordneten Durchgangsbohrungen versehen sind.
Die massiven Ringe bestehen aus warmfesten Materialien und sind schwierig zu bearbeiten und zu bohren, so daß
ihre Herstellung teuer ist. Darüberhinaus brauchen die durch die Bohrungen, welche gewöhnlich einen Durchmesser
von etwa 5,2 mm haben, hindurchtretenden Kühlluftströme
eine gewisse Zeit, um sich zu einem zusammenhängenden Film zu vereinigen,so daß heiße Brenngase in die
Zwischenräume zwischen den Kühlluftbohrungen gelangen
und dadurch die Ringe überhitzen können.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer Kühlanordnung der eingangs genannten Art die
Kühlströmungsmittelführung derart zu verbessern, daß eine überhitzung der Kanalwände vermieden wird und daß
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die genannten Ringe billiger herstellbar sind.
Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Kühlanordnung für Kanäle mit stromauf
und stromab gelegenen und jeweils verschiedenen Abstand von der Kanalachse aufweisenden koaxialen Wandabschnitten
sowie mit einem Kühlabschnitt, durch.welchen ein Kühlströmungsmittel
zur Bildung eines Kühlfilms auf einer der Kanaloberflächen hindurchleitbar ist. Eine solche
Kühlanordnung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der KUhlabschnitt jeweils mit den Wandabschnitten
verbundene Endteile und einen Mittelteil aufweist, der mit mindestens drei in bestimmtem Abstand
voneinander angeordneten Reihen von Löchern versehen ist, wobei jeweils die Löcher einer Reihe gegenüber
den Löchern einer benachbarten Reihe versetzt angeordnet sind und wobei die Lochdurchmesser jeweils in
einem Bereich von O,IJ mm bis 0,76 mm liegen.
Wenn der Kanal einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, so hat gemäß der Erfindung der Kühlabschnitt
die Form eines Ringes, welcher die jeweils verschiedenen Durchmesser aufweisenden stromauf und stromab
gelegenen Wandabschnitte des Kanals miteinander verbindet
.
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Der Mittelteil des Kuhlabschnittes ist vorzugsweise konisch ausgeführt und er konvergiert bzw.
divergiert in Stromaufrichtung, um auf der Außenoberfläche
eines stromabgelegenen Wandabschnittes geringeren Durchmesser bzw. um auf der Innenoberfläche
eines stromabgelegenen Wandteiles größeren Durchmessers einen KUhlfilm zu erzeugen.
Obwohl es mittels einer Elektronenstrahl-Bohrmaschine möglich ist, Löcher mit einem geringeren
Durchmesser als 0,13 mm zu bohren, liegt die praktische
untere Grenze des Bohrungsdurchmessers etwa zwischen 0,13 mm und 0,25 mm, damit eine ausreichende Porosität
erhalten bleibt und um zu verhindern, daß die Bohrungen durch in dem Kühlmittelstrom mitgeführten Schmutz
verstopft werden.
Die obere Grenze des Bohrungsdurchmessers ist u. a. durch die Leistung der Maschine festgelegt, auf welcher
die Bohrungen hergestellt werden. Außerdem spielt die Wärme eine Rolle, die während des Bohrens auf einer
Elektronenstrahl- oder Laser-Bohrmaschine freigesetzt wird.
Ein bevorzugter Bereich des Bohrungsdurchmessers reicht von 0,25 mm bis 0,5 mm.
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Es hat sich gezeigt, daß derartige Bohrungen leicht und schnell auf einer Elektronenstrahl-Bohrmaschine
hergestellt werden können, welche jedes Bohrloch mit Hilfe eines einzelnen energiereichen
Impulses herstellt. Die Herstellungskosten der Kühlringe nach der Erfindung auf solchen Maschinen
liegen beträchtlich niedriger als diejenigen der oben beschriebenen herkömmlichen Kühlringe.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß bei der Kühlanordnung nach der Erfindung die Kanalwände
besser gekühlt werden, da die Luftströme durch eine Vielzahl von winzigen Löchern hindurch
sich schneller als bei den herkömmlichen Kühlringen zu einem zusammenhängenden Film vereinigen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Pig. 1 schematisch ein Gasturbinen
triebwerk, dessen Brennkammer mit einer Kühlanordnung nach der Erfindung versehen ist,
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Pig. 2 als Einzelheit einen in Pig.
dargestellten Kühlring, und
Fig. 3 eine Ansicht in Richtung eines
Pfeiles A in Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk, welches in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet einen Verdichter
1, eine Brennkammeranordnung 2 und eine Turbine aufweist. Die Turbinenabgase werden über eine Abgasdilse
ins Freie geleitet.
Die Brennkammeranordnung besteht aus einem äußeren Flammrohr 5 und einem inneren Flammrohr 6, welche in
gegenseitigem radialen Abstand von einander und von inneren Gehäusen 7 und 8 angeordnet sind und eine
ringförmige Brennkammer bilden, die von ringförmigen Kühlluftkanälen umgeben ist. Jedes Flammrohr besteht
aus einer Vielzahl axialer Abschnitte, die über Kühlringe 9 miteinander verbunden sind.
Luft strömt aus dem Verdichter 1 in die Kanäle zwischen den Gehäusen 7 und 8 in den Flammrohren 5 und
ein. Ein Teil dieser Luft gelangt durch die KUhlringe hindurch in die Flammrohre hinein. Die KUhlringe sind
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Jeweils so ausgelegt, daß sie diese Luft in Form eines im wesentlichen zusammenhängenden Umfangsfilmes über
die Innenoberfläche des jeweils stromab vom dem betreffenden
Kühlring gelegenen Flammrohrwandabschnittes leiten.
Einer der Kühlringe 9 ist als vergrößerte Einzelheit
in den Fig. 2 und 5 dargestellt. Demnach weist der Kühlring axial verlaufende Endteile 10 und 11 auf, welche
jeweils mit dem stromab gelegenen Ende eines stromauf gelegenen Wandabschnittes bzw. mit dem stromauf gelegenen
Ende des benachbarten stromab gelegenen Wandabschnittes verbunden sind. Die Strömungsrichtungen der Kühlluft
und des heißen Gases sind durch einen Pfeil A angedeutet. Die jeweiligen Enden zweier benachbarter Wandabschnitte
sind in voneinander verschiedenem radialem Abstand von der Achse des Triebwerkes angeordnet, so daß ein Mittelteil
12 des Kühlringes 9, welcher die Endteile 10 und miteinander verbindet, mit der Triebwerksachse einen
Winkel einschließt. Dieser Winkel beträgt zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 40°, er kann jedoch
bis zu 90° betragen.
Der Mittelteil 12 ist mit einer Vielzahl von winzigen, auf einer Elektronenstrahl-Bohrmaschine gebohrten
Durchgangslöchern 13 versehen, durch welche
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Luft hindurchströmen kann. Jedes Loch wird unter Verwendung eines einzigen Elektronenstrahlimpulses gebohrt,
wodurch der Bohrvorgang sehr beschleunigt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der
Kühlring sieben Reihen von Löchern auf, welch letztere jeweils einen Abstand von 0,68 mm aufweisen. Die
Löcher einer Reihe sind mit Bezug auf die Löcher in einer benachbarten Reihe derart gegeneinander versetzt
angeordnet, daß sie die gesamte Fläche des Mittelteils einnehmen. Die radialen Abstände und die Versetzung
der Löcher gegeneinander sind derart gewählt, daß die Mittelpunkte der Löcher in jeweils zwei benachbarten
Reihen auf den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegen. Der Durchmesser der Löcher beträgt jeweils
0,4 mm, und die Gesamtquerschnittsfläche der Löcher beträgt etwa 2/5 der Oberfläche des Mittelteils 12.
Die Löcher sind jeweils unter einem Winkel von 50 Grad zu der Normalen der Oberfläche des Mittelteils
gebohrt, so daß die Achse der Löcher jeweils einen Winkel von 20 Grad mit der Triebwerksachse einschließt.
Der Winkel des Mittelteils und der Lochachsen mit der Triebwerksachse ist ein Kompromiß zwischen dem Idealzustand
eines sich radial, d. h. unter einem Winkel von 90 zur Triebwerksachse erstreckenden Mittelteils
mit Löchern, deren Achsen parallel zur Triebwerksachse
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liegen, und der Notwendigkeit, eine ausreichende Anzahl von Loohreihen vorzusehen, ohne daß dadurch der Mittelteil
des Kühlringes zu weit radial verläuft bzw. ohne daß die Achsen der Löcher zu weit von der Parallelrichtung
zur Triebwerksachse abweichen. Wenn die Achsen der Löcher mit der Triebwerksachse einen Winkel von
20° einschließen, wird durch die Löcher hindurchströmende Luft innerhalb sehr kurzer Zeit zur Kanalwand
hin umgelenkt, um dort einen Kühlfilm zu bilden. Da sieben Reihen von Löchern vorhanden sind, hat heißes
Gas innerhalb des Flammrohres einen sehr gewundenen Weg zwischen der Vielzahl aus den Löchern austretender
Kühlluftstrahlen zurückzulegen, um die Flammrohrwand
auf dem kurzen Wandstück zwischen dem Kühlring und derjenigen Stelle, an welcher sich die einzelnen
Kühlluftstrahlen zu einem zusammenhängenden Kühlfilm vereinigen, zu erreichen. Darüber hinaus muß die Basis B,
d. h. die radiale Tiefe zwischen der radial inneren Oberfläche des Kühlringes und dem ersten Kühlluftloch
minimal klein gehalten werden. Das läßt sich dadurch erreichen, daß die Winkel der Lochachsen derart variiert
werden, daß die radial innere Reihe von Kühlluftlöchern
einen größeren Winkel mit der Triebwerksachse einschließt als die radial äußere Reihe.
Die Löcher werden im Durchmesser so klein wie
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praktisch möglich hergestellt, d. h. bis herunter auf Durchmesser von O,lj5 mm. Sehr kleine Löcher können
jedoch durch in der Kühlluft enthaltene Verunreinigungen verstopft werden, so daß Lochdurchmesser von 0,25 mm
in schmutzigen Umgebungen, wie sie beispielsweise Gasturbinentriebwerke darstellen, als Minimum anzusehen
sein dürften. In saubereren Umgebungen können Löcher mit Durchmessern bis herunter auf 0,15 mm verwendet
werden. Die obere Durchmessergrenze wird unter Berücksichtigung der steigenden Bohrkosten, die auf höheren
Energieverbrauch zurückzuführen sind, erreicht. Außerdem sinkt mit steigendem Lochdurchmesser die Kühlleistung.
Beim Einzelimpuls-Elektronenstrahlbohren, welches aufgrund der hohen Bohrgeschwindigkeit und
der niedrigen Kosten das empfehlenswerteste Verfahren darstellt, steigen die Kosten mit zunehmendem Durchmesser
für Lochdurchmesser oberhalb 0,5 mm steil an. Dieser Lochdurohmesser von 0,5 mm empfiehlt sich deshalb
als Maximalwert, obwohl das Absinken der Kühlleistung allmählich vonstatten geht und obwohl sich
bei Verwendung von Löchern mit Durchmessern bis zu 0,75 mm immer noch eine Verbesserung gegenüber den
auf herkömmliche Weise gebohrten Kühlringen ergibt. Mit zunehmendem Durchmesser der Löcher nimmt jedoch
die Anzahl der Reihen bei gegebener Kühlringbreite ab.
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Es hat sich gezeigt, daß mindestens drei Reihen von Löchern erforderlich sind, um einen ausreichend
gewundenen Weg zu erzeugen, welcher eine beträchtliche Verringerung der zu der Kanalwand gelangenden Menge
heißer Gase bewirkt.
Die in oben beschriebener Weise ausgeführten Kühlringe weisen eine sehr einfache Form auf und können bei
Anwendung eines Elektronenstrahl-Bohrverfahrens mit energiereichen Einzelimpulsen sehr viel billiger als
in herkömmlicher Weise gebohrte Kühlringe hergestellt werden, insbesondere wenn sie aus warmfesten Legierungen
bestehen.
Die Verwendung einer Elektronenstrahl-Bohrmaschine hat außerdem den Vorteil, daß der Elektronenstrahl, so
lange die Spannung bei einmal eingestellter Maschine für eine bestimmte Bohrlochgröße in einem Material
bestimmter Dicke nicht verändert wird, stets Bohrlöcher gleicher Größe erzeugt und, im Gegensatz zu
dem mechanischen Bohren, keinem Verschleiß ausgesetzt ist. Die Einstellung der Elektronenstrahl-Bohrmaschine
wird an einem Versuchswerkstück vorgenommen, bevor mit dem Bohren der Kühlringe nach der Erfindung begonnen
wird.
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Die Erfindung bietet weiterhin den Vorteil, daß diejenigen Flächen der Brennkammerwand, welche bei einer
gegebenen Triebwerkskonstruktion heißer werden als andere, durch Verändern der Anzahl der Löcher in den
heißen Bereichen gekühlt werden können. Bei automatisch arbeitenden Elektronenstrahl-Bohrmaschinen können solche
Änderungen leicht durch Abändern der Maschineninstruktionen auf dem Lochstreifen oder einem anderen Steuerprogramm
vorgenommen werden. Mit Hilfe der KUhIringe nach der
Erfindung läßt sich somit die Kühlluft am wirksamsten ausnutzen.
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf ein ringförmiges Brennkammerflammrohr eines Gasturbinentriebwerkes
beschrieben worden, sie ist jedoch selbstverständlich auch bei den Wänden anderer Kanäle für
heiße Strömungsmittel anwendbar, beispielsweise bei den Innenrohren von Wiederaufwärmungsrohren oder bei
den Wänden von eine ringförmige Anordnung bildenden Flammrohrbüchsen, welche manchmal für Brennkammeranordnungen
von Gasturbinentriebwerken verwendet werden.
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Claims (5)
- Patentansprüche;r )( 1./Kühlanordnung für Kanäle mit stromauf und stromab gelegenen und jeweils verschiedenen Abstand von der Kanalaohse aufweisenden koaxialen Wandabschnitten sowie mit einem Kühlabschnitt, durch welchen ein Strömungsmittel zur Bildung eines Kühlfilms auf einer der Kanaloberflächen hindurchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlabschnitt jeweils mit den Wandabschnitten verbundene Endteile (10,11) und einen Mittelteil (12) aufweist, der mit mindestens drei in bestimmtem Abstand voneinander angeordneten Reihen von Löchern (15)' versehen ist, wobei jeweils die Löcher einer Reihe gegenüber den Löchern einer benachbarten Reihe versetzt angeordnet sind und wobei die Lochdurchmesser jeweils in einem Bereich von 0,13 mm bis 0,76 mm liegen.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der betreffende Kanal (2) einen kreisförmigen Querschnitt und der Kühlabschnitt die Form eines Ringes (9) aufweist, der die jeweils verschiedenen Durchmesser aufweisenden stromauf und stromab gelegenen Wandabschnitte (5,6) des Kanals miteinander verbindet.209833/0698
- 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromab gelegene Wandabschnitt (6) einen größeren Durchmesser als der stromauf gelegene Wandabschnitt (5) aufweist, daß ferner der Mittelteil (12) des Kühlringes (9) konisch ist und in Stromabrichtung zwischen den stromauf und stromab gelegenen Wandabschnitten divergiert, und daß die Löcher (13) in dem Mittelteil (12) des KUhI-rInges derart angeordnet sind, daß das über die radial äußere Oberfläche des stromauf gelegenen Wandabschnittes strömende Kühlströmungsmittel (A) durch die Löcher hindurchströmt und auf der Innenfläche des stromab gelegenen Wandabschnittes einen Kühlströmungsmittelfilm bildet.
- 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte jeweils zweier Löcher (13) einer Reihe mit dem Mittelpunkt eines Loches einer benachbarten Reihe ein gleichseitiges Dreieck bilden.
- 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Löcher in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,5 nun liegt.- 14 209833/0698
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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GB305371 | 1971-01-25 |
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DE2202356C3 DE2202356C3 (de) | 1976-09-30 |
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Also Published As
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IT949676B (it) | 1973-06-11 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EGA | New person/name/address of the applicant | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ROLLS-ROYCE PLC, LONDON, GB |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |