DE2356722A1 - Verbesserte leitungswand und rueckfluss-kompressor, der dieselbe aufweist - Google Patents

Description

PATENTANWALT D-I BERLIN 33 $.11.1973

MANFRED MlEHE falkenried4

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Verbesserte Leitungswand und Rückfluß-Kompressor, der dieselbe

aufweist

Es wird eine Rückfluß-Verbrennungskammer geschaffen, wie sie in Gasturbinen zur Anwendung kommt. Die Verbrennungskammer weist innere und äußere gekrümmte Teile auf, die den Auslaßweg für den heißen Gasstrom begrenzen, der in der Verbrennungszone der Verbrennungskammer ausgebildet wird. Dieser ringförmige Fließweg krümmt sich nach innen über einen Winkel von etwa 180° für die Abgabe des heißen Gasstroms an die Turbine des Motors. Das äußere gekrümmte Teil weist ein Paar im Abstand zueinander angeordnete Platten auf, die eine Kammeranordnung begrenzen, durch die Kühlluft geführt wird zwecks Verringern der Metalltemperatur des gekrümmten Teils. Die Metallplatten werden im Abstandsverhältnis durch Vertiefungen gehalten, um so den angestrebten Massefluß der Kühlluft zu jedem Zeitpuntk sicherzustellen» Eine Ausführungsform weist eine einzige Kammer für den Fluß der Kühlluft auf. Eine weitere Ausführungsform weist eine Zwischenplatte auf, die erste und zweite Kammern begrenzt, durch die Kühlluft geführt wird. Es werden weitere erfindungsgemäße Merkmale erläutert, die bei dem Betrieb der Turbine auftretende Unterschiede in der Wärmeausdehnung aufnehmen .

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Leitungswänden für die Begrenzung des Fließweges von Hochtemperatur-Gasströmen und insbesondere Rückfluß-Verbrennungskammern von Gasturbinen.

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Auf dem Gebiet der Gasturbinen ergibt sich ein spezielles Erfordernis dahingehend, daß Leitungen für Hochtemperatur-Gasströme vorgesehen werden. Dies trifft insbesondere auf Gasturbinen zu, die für den Antrieb von Luftfahrzeugen angewandt werden, wo sowohl extrem hohe Temperaturen als auch eine leichte Bauart erforderlich sind, um so in wirtschaftlicher Weise die angestrebten Leistungswerte zu erzielen. Außerdem ergeben sich besondere betriebliche Gefahrenmomente, wie Vibration und extrem hohe Schwerkraftbelastungen.

Über das allgemeine Problem der Leitung von Hochtemperatur-Gasströmen bei derartigen Turbinen ergibt sich ein spezifischeres Problem bei den sogenannten Rückfluß-Verbrennungskammern. Derartige Verbrennungskaipaern, die sich als vorteilhaft erweisen in dem Zusammenhang, das Gesamtgewicht und Raumbeanspruchung der Turbine hintenanzuhalten, weisen ein Einlaßende auf, das entfernt von dem Kompressor der Turbine vorliegt. Die Verbrennungsluft tritt in die Verbrennungskammer ein und bewegt sich rückwärts durch die Verbrennungszone bei der Erzeugung des heißen Gasstroms. Dieser heiße Gasstrom wird sodann nach innen über einen Winkel von 180° zu der Turbinenanordnung des Motors gelenkt. Das Wenden dieses Gasstroms wird durch einen ü-förmigen ringartigen Kanal bewerkstelligt, der üblicher Weise als Krümmungsanordnung bezeichnet wird und weist ein inneres und äußeres gekrümmtes Teil auf. Das äußere gekrümmte Teil oder die Leitungswand ist insbesondere extremen Temperaturen ausgesetzt, die die höchsten in der Turbine vorkommenden Temperaturensein können. Das äußere gekrümmte Teil hat somit spezielle Probleme gezeigt im Zusammenhang mit dem Erstellen einer Verbrennungskammer, die nicht nur gut gewartet werden kann, sondern ebenfalls wirtschaftlich eine angemessene Lebensdauer besitzt.

Es hat zwar viele Vorschläge gegegeben, Leitungsteile im allgemeinen und die gekrümmten Leitungsteile derartiger Verbrennungskammern im besonderen zu kühlen, jedoch ist keiner dieser Vorschläge im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Lebens-

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dauer zufriedenstellend gewesen. Zur weiteren Erläuterung derartiger Vorschläge nach dem Stand der Technik sei erwähnt, daß allgemein bekannt ist, relativ kühle Luft aus dem Kompressor des Motors abzuleiten und diese Kühlluft auf die Leitungswände zum Auftreffen oder in anderer Weise in Berührung zu bringen, und das gilt ebenfalls für andere Bauelemente des Motors, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Es kann auch Kühlluft aus anderen Quellen als dem Kompressor des Motors abgeleitet werden.

Dort, wo Kompressorluft für das Kühlen angewandt wird, besteht eine wesentliche Überlegung darin, daß die Masse der Kühlluft möglichst klein gehalten wird, da es sich um eine Verringerung des gesamten Wirkungsgrades des Motors handelt. Dies führt zu dem Erfordernis, Kühlanordnungen vorzusehen, die einen hohen Wirkungsgrad bezüglich der Kühlung besitzen, und zwar in einer Anordnung, die in Übereinstimmung mit den anderen Erfordernissen der Arbeitsbedingungen des Motors steht.

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine verbesserte Bauart der Leitungswand zu schaffen, durch die der Fließweg des heißen Gasstroms begrenzt wird.

Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine derartige Leitungswand für das Führen des Gasstroms längs eines gekrümmten Fließweges zu schaffen.

Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Rückfluß-Verbrennungskammer zu schaffen, die sich durch ein äußeres gekrümmtes Teil auszeichnet, welches in der Lage ist, extrem hohen Temperaturen zu widerstehen und eine verlängerte und verbesserte Lebensdauer aufweist.

Diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden allgemein dadurch gelöst, daß eine Leitungswand geschaffen wird, die ein Paar im Abstandsverhältnis vorliegender Platten aufweist, welche zwischen sich eine Kammeranordnung begrenzen. Eine dieser Platten ist direkt einem Heißgasstrom ausgesetzt. Es ist eine Anordnung

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vorgesehen für das Einführen von Kühlluft zwischen diesen Platten und einem Führen der Kühlluft über praktisch die gesamte Oberfläche der Platte, die dem heißen Gasstrom ausgesetzt ist. Weiterhin ist eine Abstandshalteranordnung, vorzugsweise in Form von Vertiefungen vorgesehen, wodurch ein kleinstes Abstandsverhältnis zwischen den Platten aufrechterhalten wird und somit sichergestellt ist, daß zu diesem Zeitpunkt der angestrebte Kühlluftfluß vorhanden ist.

Die im Abstandsverhätlnis angeordneten Platten der Leitungswand können eine einzige Kammer bilden, wobei die Kühlluft in ein Ende eingeführt und aus dem anderen Ende in den heißen Gasstrom abgegeben wird. Ein noch größerer Wirkungsgrad der Kühlung kann dadurch erhalten werden, daß eine Zwischenplatte vorgesehen ist, die erste und zweite Kammern begrenzt und auch hier wird wiederum Kühlluft in ein Ende jeder dieser Kammern eingeführt und sodann zurück in den heißen Gasstrom abgegeben.

Diese Leitungsanordnung kann in eine Rückfluß-Verbrennungskammer eingebaut werden, die innere und äußere Begrenzungsteile einer Verbrennungszone aufweisen. Innere und äußere gekrümmte Teile bilden entsprechende Verlängerungen dieser Begrenzungsteile und begrenzen eine ringförmigen Fließweg für den Gasstrom, der sich nach innen über einen Winkel von etwa 180° für die Abgabe des Gasstroms an die Turbine des Motors krümmt. Das äußeregekrümmte Teil ist aus zwei im Abstandsverhältnis vorliegenden Platten gebildet, die eine Kammeranordnung begrenzen, durch welche die Kühlluft geführt wird. Diese Platten können eine einzige Kammer begrenzen oder vorteilhafter Weise kann eine Zwischenplatte vorgesehen sein, die erste und zweite Kammern für das Fließen der Kühlluft begrenzt. Es sind ebenfalls entsprechende Anordnungen für das Befestigen der Zwischenplatte sowie das Befestigen der äußeren gekrümmten Anordnung als solcher getroffen im Hinblick auf die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Bestandteile des äußeren gekrümmten Teils.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht im längsseitigen Schnitt einer Gasturbine, die speziell die erfindungsgemäße Rückfluß-Verbrennungskammer erläutert;

Fig. 2 ein vergrößerter längsseitiger Schnitt eines Teils der Rückfluß-Verbrennungskammer nach Figur 1;

Fig. 3 ein Schnitt ähnlich wie nach Figur 2 und zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 4 eine Ansicht längs der Linie IV-IV der Figur 2 und Fig. 5 eine Ansicht längs der Linie V-V nach Figur 3.

Die Figur 1 zeigt Teile einer Gasturbine. Es liegen die Endstufen eines Äxialflußkompressors 10 vor, der die Luft unter Druck setzt, um so die Verbrennung des Brennstoffs im Zusammenhang mit der Erzeugung des antreibenden Gasstroms zu unterstützen. Die-von dem Kompressor 10 abgegebene Luft fließt durch einen Diffusor 12 und sodann nach außen und hinten längs des Kanals 14 in Richtung auf eine Rückfluß-Verbrennungskammer 16. Die Verbrennungskammer 16 kann ringförmig aufgebaut sein und weist innere und äußere Begrenzung steile 18 und 20 auf, die in entsprechender Weise im Abstandsverhältnis gegenüber dem Turbinengehäuse 22 und dem Motorengehäuse 24 angeordnet sind.

Die von dem Kompressor 10 abgegebene Luft fließt von dem Kanal 14 aus durch die ringförmigen Räume zwischen den Begrenznngsteilen und deren benachbarten Gehäusen in Richtung auf das entfernte oder Einlaßende der Verbrennungskammer, die durch die Begrenzungsteile 18 und 20 definiert ist» Diese Luft tritt in die Verbrenungskammer ein und unterhält die Verbrennung des vermittels der Düsen 26 eingespritzten Brennstoffs und dies in bekannter Weise unter Erzeugen eines heißen Gasstroms. Dieser heiße Gasstrom fließt sodann entgegengesetzt allgemein in Richtung auf den Kompressor 10 und wird sodann nach innen über.einen Winkel von 180° vermittels innerer und äußerer gekrümmter Teile 28 und 30 gewendet, die in Verbindung mit den Begrenzungsteilen

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18 und 20 stehen und gewissermaßen Verlängerungen derselben darstellen. Nach dem Wenden durch die gekrümmten Teile 28 und 30 wird der heiße Gasstrom durch eine Düsenplatte 32 an eine Turbine 34 abgegeben, die in Verbindung mit dem Kompressor 10 steht und denselben antreibt. Der heiße Gasstrom kann sodann der Leistungsturbine 36 zugeführt werden und dieselbe antreiben. Die Leistungsturbine 36 ist mit einer Kraftabnahmewelle (nicht gezeigt) versehen, die mit einem entsprechenden anzutreibenden Mechanismus in Verbindung gebracht werden kann,z.B. dem Rotor eines Hubschraubers .

Unter Bezugnahme auf die Figur 2 sieht man, daß das äußere gekrümmte Teil 30 als Verbundkörper vermittels im Abstandsverhäitnis vorliegender Blechmetallplatten 38, 39 ausgebildet ist, die an deren äußeren Enden mit einem relativ starren Reifenteil 40 verbunden sind, das mit dem äußeren Begrenzungsteil 2O der Verbrennungskammer in Verbindung steht. Die inneren Enden der Blechmetallplatten 38 und 39 sind miteinander z.B. vermittels Verschweißen verbunden, wodurch das Stromabende einer gekrümmten ringförmigen Kammer 42 gebildet wird.

Ein Blechmetallband 44 ist an dem inneren Ende der äußeren Platte 38 vermittels Verschweißen befestigt und erstreckt sich eine kurze Entfernung in Richtung auf den Kompressor, wo es mit einer mit Flansch versehenen Blechmetallscheibe 46 verbunden wird. Das innere Teil der Scheibe 46 ist an einem Rahmenteil 48 befestigt, das einen einstückigen Bestandteil der Düsenplatte 32 darstellt. Bolzen 49 befestigen diese Anordnung und Befestigen ebenfalls den Düsenrahmen 48 an einem Motorrahmen 5O.

Es ist zwischen dem Kompressorkanal 14 und dem Reifenteil 40 ein schmaler Spalt vorgesehen, um so ein Fließen relativ kalter Luft aus dem Kompressor in eine Kammer 52 (siehe ebenfalls die Figur 1) zwischen dem gekrümmten Teil 30 und dem umgebenden Motoraufbau zu ermöglichen. Diese Kühlluft fließt sodann durch eine Lochreihe 54, siehe die Figur 4, sie ebenfalls im Abstandsverhältnis um die äußere gekrümmte Platte 38, benachbart zu dem

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Reifenteil 40 vorliegen und wird sodann durch Löcher 55, die in der Platte 39 benachbart zu der Düsenplatte 32 ausgebildet sind, abgegeben.

Die Kühlluft fließt somit durch die Kammer 42 und fließt über praktisch die gesamte Oberfläche der inneren Platte 39» Die zum Kühlen des gekrümmten Teils 30 und insbesondere dessen innerer Platte 39 angewandte Luft wird sodann zu dem antreibenden durch den Motor erzeugten Strömungsmittelstrom zunückgeführt. Die Energie der Kühlluft wird sodann wenigstens teilweise zurückgewonnen, um Verluste bei dem gesamten Wirkungsgrad des Motorzyklus kleinstmöglich zu halten.

Aufgrund der Temperaturdifferenfeialzwischen den inneren und äußeren gekrümmten Platten neigen, diese Teile dazu, in Richtung aufeinander gedrückt zu werden und die Kammer zu verschließen. Es wird eine minimale Kammerdimension zu allen Zeitpunkmten vermittels Vertiefungen 56 aufrechterhalten, die vorzugsweise in der äußeren Platte 38 ausgebildet sind, wodurch wenigstens ein minimales Abstandsverhältnis zwischen den Platten 38 und.39 aufrechterhalten wird.

Eine weitere Beachtung der Temperaturdifferentiale und der sich ergebenden Differenzen in der Wärmezunahme der inneren und äußeren Platten findet sich in der beschriebenen Befestigung denrs inneren Endes de» gekrümmten Teils. Das relativ dünne Blechmetallband 44 und der Flansch 46 führen zu einer flexiblen Halterungsanordnung, die eine begrenzte relative Bewegung zwischen dem inneren Ende des gekrümmten Teils und dem Düsenplattenrahmen gestattet. Diese relative Bewegung, die sowohl in radialer als auch axialer Richtung erfolgen kann, kann weiterhin durch Vertiefungen 58 auf der äußeren Platte 38 gesteuert werden. Diese" Vertiefungen gleiten normalerweise auf einer Flanschoberfläche 60 des Plattenteils und führen zu einem begrenzten Oberflächeneingriff zwischen denselben.

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Unter Bezugnahme auf die Figur 3 wird ein abgewandeltes gekrümmtes Teil 30' gezeigt. Mit Ausnahme dieses gekrümmten Teils sind alle weiteren Komponenten des Kompressors die gleichen und werden durch die gleichen, weiter oben angegebenen Bezugszeichen definiert. Das gekrümmte Teil 30' weist innere und äußere Platten 62 und 64 in Form gekrümmter ringförmiger Gehäuse auf. Diese Platten sind in der gleichen Weise wie bezüglich des Reifenteils 40 und des Düsenrahmens 48 befestigt. Der Unterschied bei dem hier erläuterten gekrümmten Teil besteht in dem Vorsehen einer Zwischenmetallblechplatte 66, die vermittels Verschweißen an dem äußeren oder Stromaufendeder äußeren Platte 62 benachbart zu dem Reifenteil 40 befestigt ist. Die Zwischenplatte 66 ist ebenfalls ringförmig ausgeführt und erstreckt sich in Richtung auf und endet benachbart zu dem Stromab- oder inneren Ende des gekrümmten Teils 30', wo die Platten 62 und 64 verbunden sind. Somit werden zwei Kammern 70 und 72 in dem gekrümmten Teil 30' begrenzt. Diese Kammern vereinigen sich an dem Ende der Zwischenplatte 66 an dem inneren Ende des gekrümmten Teils.

Kühlluft tritt in die äußere Kammer 70 durch Löcher 74 ein, die in der Platte 62 ausgebildet sind und sich in die Kammer 52 hin öffnen, die wie weiter oben durch die von dem Kompressor abgegebene Luft unter Druck steht. Kühlluft tritt in die innere Kammer 72 durch in der äußeren Platte 62 ausgebildete Löcher ein. Die verbrauchte Kühlluft aus beiden Kammern wird sodann in den heißen Gasstrom durch Löcher 82 abgegeben.

Diese Anordnung ermöglicht zwei gleichzeitige Flüsse der Kühlluft durch das gekrümmte Teil 30', das die Platten 64 und 66 entsprechend kühlt. Durch Kühlen der Platte 66 kann ein größerer Wirkungsgrad bei dem Kühlen der Platte 64 erzielt werden, die dem heißen Gasstrom direkt ausgesetzt wird. Durch genaues Steuern der Größe und Anzahl der Löcher 74 und 80 ist es möglich, einen hohen Wirkungsgrad der Kühlung unter Anwenden eine» minimalen Masseflusses der Kühlluft zu erzielen.

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Die Kühlfluß-Kammern werden erneut im Hinblick auf ihre kleinsten Abmessungen vermittels einer Vertiefungsanordnung gesteuert. Diese Vertiefungen 76 werden in der Zwischenplatte ausgebildet und erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen, um entsprechend mit den inneren und äußeren Platten 62 und 64 in Eingriff zu kommen. Wahlweise können einige der Vertiefungen in der äußeren Platte 62 ausgebildet werden, um so die Zwischenplatte 66 im Abstandsverhältnis hiervon zu halten.

Unterschiede in der Wärmeausdehnung werden weiterhin dann beobachtet, wenn nur das äußere Ende der Zwischenplatte 66 verankert ist, während das innere Ende freischwebt. Die innere Platte ist weiterhin kein strukturelles Teil und ist daher vorzugsweise relativ dünn.ausgeführt, um sowohl Belastungen als auch Gewicht kleinstmöglich zu halten.

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- ίο -

Claims (5)

1. Patentansprüche

   Gasturbine mit einer Leitungswand zum Begrenzen wnigstens eines Teils des F.ließweges eines heißen Gasstroms, der von einer Verbrennungskammer erzeugt wird, wobei die Leitungswand gekennzeichnet ist durch: erste und zweite Platten (39,38), die im Abstandsverhältnis vorliegen und eine relativ dünne Kammer (42) zwischen sich begrenzen, wobei die erste Platte (39) für ein direktes Aussetzen gegenüber dem heißen Gasstrom von der Verbrennungskammer vorgesehen ist;

   Öffnungen (54) zum Einführen von Kühlluft in ein Ende der relativ dünnen Kammer (42) , Fließn der Kühlluft durch die Kammer und über praktisch die gesamte Oberfläche der ecsten Platte (39), die Platten (39,38) Löcher (55) aufweisen, die sich von der Kammer zu dem heißen Gasstrom erstrecken, für die Abgabe der Kühlluft aus der Kammer (42), sowie eine

   Mehraanl Vertiefungen (56) , die in der zweiten Platte (38) ausgebildet sind und sich in die Kammer erstrecken und mit der ersten Platte (39) in Eingriff kommen können zwecks Aufrechterhalten eines kleinsten Fließweges durch die Kammer, um so einen angestrebten Fluß der Kühlluft sicherzustellen.
2. 2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (38,39) gekrümmt sind, um ein gesteuertes Kühlen der ersten Platte (38) zu ermöglichen, wenn dieselbe :_j- die Fließrichtung des heißen Strömungsmittelstroms, dem sie ausgesetzt wird, wendet.
3. 3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenplatte (66) zwischen den ersten und zweiten Platten (64,62) und im Abstandsverhältnis zu beiden Platten vorgesehen ist, urji so die erste und zweite Kammer (72,70) zu begrenzen, sowie Vertiefungen (76) wirksam zwischen der Zwischenplatte (66) und den ersten und zweiten Platten (64,62) vorliegen, um so

   -ND-

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   einen kleinstmöglichen Fließweg durch die erste und zweite Kammer aufrechtzuerhalten.
4. 4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (66) im engen Abstandsverhältnis von den ersten und zweiten Platten (64_f62) vorliegt und die
   erste und zweite Kammer (72,70) an einem Ende der Kammer trennt und kurz nach dem anderen Ende der Kammer endet, wodurch eine
   Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer ermöglicht
   wird, die Kühlanordnung getrennte Kanäle (80,74) an einem Ende der Kammer für ein entsprechendes Einführen von Kühlluft in
   die erste und zweite Kammer, sowie Kanäle (82) an dem anderen
   Ende der Kammer aufweist, die sich durch die erste Platte für
   die Abgabe der verbrauchten Kühlluft von den ersten und zweiten Kammern -in den heißen Strömungsmittelstrom erstrecken , die Abstandanordnung Vertiefungen (76) aufweist, die in der Zwischenplatte ausgebildet sind und mit wenigstens der ersten Platte

   in Eingriff kommen können zwecks Aufrechterhalten eines kleinsten Abstandsverhältnisses.
5. 5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (64,62) gekrümmt sind, um ein gesteuertes Kühlen der ersten Platte (64) dann zu ermöglichen, wenn dieselbe die Fließrichtung des heißen Strömungsmittelstroms, dem sie
   ausgesetzt wird, wendet.

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