DE3143394C2

DE3143394C2 - Wandaufbau für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE3143394C2
Application number: DE3143394A
Authority: DE
Inventors: George Stanton-By-Bridge Derby Pask; Anthony Shelton Lock Derby Pidcock
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-11-08
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1983-07-07
Also published as: US4446693A; GB2087065B; JPS57120029A; FR2493920B1; GB2087065A; JPS5920928B2; DE3143394A1; FR2493920A1

Abstract

Ein gekühlter Wandaufbau für eine Gasturbinenbrennkammer weist eine perforierte Außenwand und eine Innenwand auf, die sich relativ zueinander bewegen können, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufnehmen zu können, denen die Brennkammer im Betrieb ausgesetzt ist. Die Innenwand besteht aus mehreren Wandelementen, die an der Außenwand in Form sich überlappender Dachziegel befestigt sind. Jedes Wandelement ist unbeweglich an der Außenwand in der Mitte des stromabwärtigen Endes verbunden und die Seiten eines jeden Wandelementes sind beweglich mit der Außenwand benachbart zu den Seiten am stromabwärtigen Ende des Wandelementes festgelegt. Das stromaufwärtige Ende eines jeden Wandelementes liegt zwischen der Außenwand und einem benachbarten stromaufwärtigen Wandelement, und die Kühlluft kann entweder stromauf oder stromab zwischen den Wänden fließen. Die Wandelemente können mehrere vorstehende Stege besitzen, um die Oberfläche der Elemente zu vergrößern und um die einströmende Kühlluft gegen die Kreuzströmung der bereits zwischen den Wänden abfließenden Kühlluft abzuschirmen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandaufbau der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein derartiger Doppelwandaufbau ermöglicht eine ausreichende Kühlung der Außenwand mit einer nur verhältnismäßig geringen Kühlluftmenge. Infolge der unterschiedlichen Temperaturbeanspruchung von Innen- und Außenwand ergeben sich jedoch Probleme hinsichtlich der Herstellung und des Einbaus. Bei einem gattungsmäßig entsprechenden Wandaufbau gemäß der GB-PS 15 50 368 ist die perforierte Außenwand mit der nicht perforierten Innenwand über eine Vielzahl von Stegen 16 verbunden, die an beiden Wänden angeschweißt sind. Infolge der starren Verbindung zwischen Innen- und Außenwand entstehen infolge der unterschiedlichen Aufheizung von Innen- und Außenwand Temperaturdifferenzen, die zu inneren Spannungen führen, weiche eine Rissebildung zur Folge haben können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wandaufbau für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks derart zu verbessern, daß die zwischen Innenwand und Außenwand bestehenden Temperaturdifferenzen und die hierdurch bedingte unterschiedliche Ausdehnung und Zusammenziehung aufgenommen werden kann, ohne daß gefährliche Spannungen entstehen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Innenwand gegenüber der Außenwand stärker ausdehnen kann, wobei lediglich eine Verbindungsstelle in der Mitte eines jeden Wandelementes am stromabwärtigen Ende die Fixierung bewirkt während alle anderen Teile des Wandaufbaus sich in allen Richtungen begrenzt relativ zueinander ausdehnen können. Durch diese Art der Befestigung wird weiter erreicht daß die Relativstellung der Wände nach Wiederabkühlung immer die gleiche ist so daß die thermische differentielle Ausdehnung immer von dem gleichen Ausgangszustand her erfolgen kann.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.

Die in den Ansprüchen 5 und 6 erwähnten Stege zwischen den beiden Wänden sind auch bereits bei dem Wandaufbau nach der genannten GB-PS 15 50 368 vorhanden. Während dort die Stege jedoch fest mit Innen- und Außenwand verbunden sind, werden nach der Erfindung diese Stege nur von der Innenwand getragen, und die Außenwand kann sich gegenüber diesen Stegen verschieben.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. t einen schematischen Teilschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer, deren Wandaufbau gemäß der Erfindung ausgestaltet ist

Fig.2 in größerem Maßstab einen Schnitt der Rjngbrennkammer des Triebwerks gemäß F i g, I,

Fig,3 einen Schnitt des Wandaufbaus der Rjngbrennkammer in größerem Maßstab,

Fig.4 eine der Fig,3 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Wandaufbaus,

Fig.5 eine Draufsicht auf jenen Teil des Wandaufbaus, der den Ausführungsformen nach Fig.3 und 4 gleich ist,

Fig.6 eine Schnittansicht des Wandaufbaus gemäß Fig. 5,

Fig.7 eine perspektivische Ansicht eines Wandelementes des Wandauf baus gemäß F i g. 3,

Fig.8 und 9 die Art der Befestigung des Wandelementea gemäß F i g. 7 an der Außenwand des Wandaufbaus gemäß F i g. 3 und 4 an einer seitlichen bzw. einer mittleren Stelle,

Fig. 10 eine Draufsicht auf die innere Wand gemäß F i g. 3, woraus die Überlappung zwischen in Achsrichtung benachbarten Reihen von Wandelementen erkennbar ist,

Fig. 11, 12 und 13 verschiedene Möglichkeiten der Überlappung zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Wandelementen.

Das in F i g. 1 schematisch dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 besitzt einen Frontfan und ein hohes Nebenstromverhältnis, und es ist mit einer Verbrennungseinrichtung in Gestalt einer ringförmigen Brennkammer 12 (Fig.2) ausgestattet, die in einem zylindrischen Gehäuse 14 untergebracht ist

Die ringförmige Brennkammer 12 weist einen Wandaufbau 16, bestehend aus einer Außenwand 18 und einer Innenwand 20 auf. Die Innenwand ist aus einer Vielzahl von Wandelementen 22 (Fig.3) bzw. 24 (F i g. 4) zusammengesetzt Die gemeinsamen Merkmale der Wandelemente 22 und 24 in F i g. 3 und 4 bestehen darin, daß beide einen Basisabschnitt 22a bzw. 24a, mehrere vorstehende Stege 36 und drei Befestigungsmittel am stromabwärtigen Ende jedes Wandelementes aufweisen. Jedes Befestigungsmittel weist einen Zapfen 28 auf, und der jeweils mittlere Zapfen steht durch eine öffnung 30 der Außenwand 18 hindurch und ist mit dieser beispielsweise durch Schweißen verbunden. Die Zapfen auf beiden Seiten stehen durch eine öffnung 32 hindurch, und jeder dieser Zapfen ist mit einer Manschette 34 verschen. Auf diese Weise wird das stromabwärtige Ende eines jeden Wandelementes durch den mittleren Zapfen und durch die äußeren Zapfen so an der Außenwand festgelegt, daß das Wandelement sich begrenzt in axialer Richtung, in Umfangsrichtung und/oder in Radialrichtung gegenüber der Außenwand bewegen kann (F i g. 7,8 und 9).

Gemäß F i g. 3 besitzt der Basisabschnitt 22a einen nach innen gerichteten Flansch 22b, und dieser Flansch an jedem Wandelement liegt zwischen der Außenwand 18 und dem Basisabschnitt eines benachbarten Wandabschnitts, so daß das stromaufwärtige Ende eines jeden Wandabschnitts sich begrenzt relativ zur Außenwand bewegen kann. Bei dieser Anordnung strömt die gewöhnlich vom Triebwerkskompressor abgezapfte Kühlluft in den Raum zwischen Außen- und Innenwand Ober die öffnungen 38 in der Außenwand ein, und da der Flansch 22b ein Abblasen von Kühlluft in Richtung stromab bezüglich der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer verhindert, muß diese Kühlluft stromauf fließen, und sie wild in die Brennkammer über Öffnungen 40 im Basisabschnitt 22a eingeblasen.

Gemäß Fig.4 besitzt der Basisabschnitt 24a keinen

Flansch, aber er erstreckt sich weiter stromauf, so daß dieser Fortsatz zwischen der Außenwand und den am weitesten stromab liegenden Stegen 36 des benachbarten Wandabschnitts zu liegen kommt Auf diese Weise wird erreicht, daß sich das stromaufwärtige Ende eines jeden Wandabschnitts so bewegen kann, wie dies in Verbindung mit Fig,3 beschrieben wurde. Bei dieser Anordnung strömt die Kühlluft durch die öffnungen 38 und dann weiter stromab bezüglich der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer, und sie wird aus dem Wandaufbau in die Brennkammer zwischen benachbarten, am weitesten stromab liegenden Stegen 36 eines jeden Wandelementes eingeblasen.
Im folgenden wird auf die Fig.5, 6 und 7 Bezug genommen. Die vorstehenden Stege 36 sind in axial ausgerichteten Reihen angeordnet, wobei in benachbarten Reihen die Stege gestaffelt versetzt zueinander angeordnet sind. Jeder Steg besitzt eine abgerundete Vorderkante und eine gerade Hinterkante, und die Stege 36 und die Einlaßöffnungen 38 in der Außenwand sind relativ zueinander so angeordnet, daß jede Einlaßöffnung zwischen benachbarten Stegen einer Reihe zu liegen kommt Auf diese Weise wird die eintretende Kühlluft durch den benachbarten Steg von der Kühlluft abgeschirmt die bereits in die Strömungskanäle eingetreten ist welche von den Stegen zusammen mit Außen- und Innenwand des Wandaufbaus gebildet werden. Die Stege vergrößern außerdem die Oberfläche der Wandelemente.

Die Stege 36 bei dem Wandelement gemäß Fig.4 sind in ähnlicher Weise angeordnet mit dem Unterschied, daß wegen der im Wandaufbau in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Strömung das bezüglich der Hauptströmungsrichtung in der Brennkammer stromaufwärtige Ende eines jeden Steges abgerundet und das stromabwärtige Ende gerade ausgebildet sind, d. h. entgegengesetzt zu der Ausbildung nach F i g. 3.

Fig. 10 veranschaulicht wie die Wandelemente an der Außenwand befestigt werden können, um eine

Kühlleckströmung zwischen benachbarten Elementen

zu verringern. Die Wandelemente 22 sind in Reihen angeordnet und in Achsrichtung benachbarte Reihen sind relativ zueinander dachziegelartig gestaffelt

Die Wandelemente können sich in Umfangsrichtung

einfach überlappen, wie aus F i g. 12 ersichtlich. Es kann aber auch eine Überlappungsdichtung durch Verschweißung auf einer Seite eines jeden Wandelementes vorgesehen werden (Fig. 11), oder es kann ein Dichtstreifen 44 in einem Schlitz 46 eingelegt werden, der am Rand jedes Wandelementes vorgesehen ist wie dies aus F i g. 13 ersichtlich ist

Aus Gründen einer vereinfachten Herstellung kann jedes Wandelement in seiner vollen Größe gegossen werden, wobei ein Verfahren benutzt wird, bei dem das

Gießen durch Vakuum unterstützt wird.

Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben anhand eines Ausführungsbeispiels, bei dem das Innere des Wandaufbaus durch vorstehende Stege in Kühlluftkanäle aufgeteilt wurde Es ist jedoch auch möglich, eine

entsprechende Kühlung ohne derartige Stege zu erreichen, und die Kühlluftkanäle können in unterschiedlicher Form angeordnet werden, wobei unterschiedliche Ausgestaltungen von Stegen benutzt werden.

Der Wandaufbau fsmäß der Erfindung kann die Gesamtwandung der Brennkammer bilden, oder es können auch nur Teile dieser Brennkammerwand auf diese Weise ausgebildet werden.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wandaufbau für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, bestehend aus wenigstens einer äußeren und einer inneren Wand, von denen die äußere Wand perforiert ist, um Kühlluft in den Raum zwischen der äußeren und der inneren Wand einströmen zu lassen, wobei der Wandaufbau Auslässe besitzt, um die Kühlluft aus dem Raum zwischen den Wänden in die Brennkammer gelangen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand (20) aus mehreren Wandelementen (22; 24) besteht, daß jedes Wandelement an einem axialen Ende an einer Stelle (28,30) fest mit der äußeren Wand (18) verbunden ist und mit seinem gegenüberliegenden axialen Ende zwischen der äußeren Wand und dem Ende des anschließenden Wandelementes liegt, und daß die Verbindung eines jeden Wendelementes mit der äußeren Wand so beschaffen ist, daß mit Ausnahme der unversehiebüchen Befestigungsstelle eine Relativbewegung zwischen der äußeren Wand und dem Wandelement in axialer Richtung und in Umfangsrichtung möglich ist

Z Wandaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Wandelement (22; 24) die unverschiebliche Befestigungsstelle (28; 30) zwischen dem Wandelement und der äußeren Wand an einem axialen Ende in Umfangsrichtung in der Mitte des W, ndelementes angeordnet ist

3. Wandaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Wandelement zwei weitere Befestigungsstelleti (28,32) vorgesehen sind, an denen das Wandelement (22; 24) an der Außenwand (18) so befestigt ist, daß eine Relativbewegung zwischen den weiteren Befestigungsstellen und der Außenwand möglich ist

4. Wandaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Befestigungsstellen (28; 32) in Umfangsrichtung zu beiden Seiten der unverschieblichen Befestigungsstelle (28; 30) angeordnet sind. .

5. Wandaufbau nach Anspruch 4, bei welchem zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand in Axialrichtung verlaufende Stege angeordnet sind, zwischen denen die Kühlluft strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege nur an den inneren Wandelementen (22; 24) festgelegt und gegenüber der Außenwand verschiebbar sind, daß die den Befestigungsstellen gegenüberliegenden axialen Enden eines jeden Wandelementes zwischen der Außenwand (18) und einigen vorstehenden Stegen (36) des anschließenden Wandeiementes angeordnet sind, und daß die Kühlluftströmung durch den Raum zwischen äußerer und innerer Wand in Hauptströmungsrichtung der Brennkammer verläuft (Fig.4).

6. Wandaufbau nach Anspruch 4, bei welchem zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand in Axialrichtung verlaufende Stege angeordnet sind, μ zwischen denen die Kühlluft strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege nur an den inneren Wandelementen (22; 24) festgelegt und gegenüber der Außenwand verschiebbar sind, daß jedes Wandelement einen Flansch (22b) an dem den Befestigungsstellen gegenüberliegenden axialen Ende aufweist, daß der Flansch (22b) zwischen der Außenwand und dem Ende des anschließenden Wandelementes liegt und daß die Kühlluftströmung im Raum zwischen äußerer wnd innerer Wand entgegen der Hauptströmungsrichtung der Brennkammer verläuft und in die Brennkammer durch öffnungen (40) benachbart zum Flansch eingeblasen wird(Fig.3).