DE2202356A1 - Kuehlanordnung fuer Kanaele - Google Patents

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)

1. 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. 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.

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3. 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. 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. 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.

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