DE4315256A1 - Einrichtung zur Verteilung sowie Zu- und Abführung eines Kühlmittels an einer Wand eines Turbo-, insbesondere Turbo-Staustrahltriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere bei Turbinen-Staustrahltriebwerken, die Unterschall-, Überschall- und Hyperschall-Flugbetrieb ermöglichen sollen, müssen extrem hohe Wandtemperaturen beherrscht werden; diese werden z. B. durch die hohen Temperaturen der Staudruckluft (1500K und darüber) im Staustrahl- bzw. Hyperschallflugbetrieb hervorgerufen; von extremen Temperaturbelastungen und Kühlanforderungen sind dabei u. a. betroffen: Wand der variablen Einlaufgeometrie; Wände von Klappen oder Schie­ bern, die in Verbindung mit Zentralkörpern das stillgesetzte Tur­ botriebwerk luft-eintrittsseitig absperren, bzw. bei derartiger Ab­ sperrung die heiße Staudruckluft in einen äußeren Ringkanal des Stau­ strahltriebwerks leiten. Es müssen ferner Heißgastemperaturen an Wän­ den z. B. des Turbinengehäuses und eines Nachbrenners (Turbo-betrieb ohne/mit Nachbrenner), insbesondere extreme Heißgastemperaturen an Wänden einer für das Gesamttriebwerk, und damit auch für den Hyper­ schallbetrieb verantwortlichen variablen Schubdüse beherrscht werden, und zwar an Wänden des Düsengehäuses und z. B. an verstellbaren oder stationären Wandelementen, die den erforderlichen engsten Querschnitt der Schubdüse in Verbindung mit angepaßter Düsenkonvergenz/-divergenz bereitstellen sollen. Dabei kann das erforderliche Kühlmittel aus dem cryogen mitgeführten Treibstoff (Wasserstoff-H₂-flüssig) bereitge­ stellt werden, der z. B. unter Regenerativ-Kühlung den Rohrschlangen einer Heißgas-Schubdüsenwand zugeführt und dann gasförmig aufbereitet dem Verbrennungsprozeß zugeführt wird.

Ferner ist es zwecks genannter Wand- bzw. Bauteilkühlung bekannt, aus der Triebwerksumgebung (stromauf des Verdichters des Grund- bzw. Turbotriebwerks) entnommene Luft als Kühlluft zu verwenden, die über einen Kondensator geführt und beim Wärmetausch mit dem zugeführten Brennstoff (z. B. H₂) verflüssigt und entweder in diesem Zustand oder dampfförmig für die Bauteilkühlung zugeführt wird.

Aus dem behandelten Stand der Technik gehen keinerlei greifbare Maß­ nahmen hervor, auf welche vorzugsweise bautechnisch einfache und prak­ tische Art und Weise das betreffende Kühlmittel (z. B. H₂ oder ver­ flüssigte oder dampfförmige Kühlluft) zielgerecht einzelnen Kühlka­ nälen in Wandbauteilen so zuzuführen wäre, bzw. aus diesen wieder ab­ zuführen wäre, daß bei hoch-effektiver Kühlung eine vergleichsweise verlustarme und gegenüber der Triebwerksumgebung hermetisch abge­ dichtete Kühlmittelführung erzielt wird. Im Hinblick auf unter­ schiedliche örtliche Hoch-Temperaturbeanspruchungen wird es ferner notwendig sein, variable Kühleffektivitäten vorsehen zu müssen, wobei der kühltechnische Bauaufwand möglichst gering zu halten wäre. Ein schon vorgeschlagenes Konzept mit einzelnen Verteilerschläuchen - bzw. röhrchen, die jeweils für sich an einen eigenen Kühlkanal (zu- oder abfuhrseitig) anzuschließen wären, erscheint im zuletzt genannten Sin­ ne als äußerst bauaufwendig und störungsanfällig (laufende einzelne Dichtheits-Prüfung).

Die oben genannte Problemstellung soll in der zunächst wie folgt um­ rissenen Aufgabenstellung der Erfindung artikuliert werden, nämlich eine Einrichtung nach der eingangs genannten bekannten Art anzugeben, mit der bei vergleichsweise geringem Bauaufwand sämtliche Kühlkanäle zu- oder abfuhrseitig gleichzeitig bedarfsoptimal mit dem Kühlmittel versorgbar bzw. von diesem entsorgbar sind.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kenn­ zeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Rohrführungen können an jeder beliebigen bzw. gewünschten Stelle in Bezug auf die vorhandene Kühlkanalstruktur sowie Kühlmittel zu-/oder Abfuhr an der betreffenden Wand bzw. dem Wandbauteil angeordnet wer­ den.

Insbesondere durch Variation der Zu- und Abfuhröffnungen bzw. Durch­ brüche kann die Kühlmittelzu- oder -abfuhr vergleichsweise einfach gesteuert werden; bzw. können dadurch die erforderlichen Kühlmittel­ geschwindigkeiten und -mengen bzw. Verweilzeiten in den Kanälen be­ einflußt werden.

Die Erfindung eignet sich ferner besonders für gänzlich oder zonal im Gegenstrom verlaufende Führung des Kühlmittels.

Im Rahmen der Erfindung ist es z. B. möglich, daß über eine Rohrführung nur immer jeder zweite oder dritte aufeinander folgende Kühlkanal mit dem Kühlmittel beaufschlagbar ist.

Durch geeignete Wahl des Materials, der Rohrführungsgröße (Länge, Querschnitt) sowie der Rohrführungsform läßt sich die jeweilige Wärme­ dehnung optimal betrieblich anpassen.

Durch die hermetisch dichte Längsverschweißung oder -hartverlötung entfallen individuelle Schweiß und Dichtungs-Verbindungs-Techniken pro Kühlkanal. Es ergibt sich außerdem ein einfacher, kostengünstiger Herstellungsprozeß. Dies auch im Hinblick auf die Aufbiegbarkeit des Mantels einer Rohrführung auf die benötigte Schlitzbreite bzw. durch einen alternativ vornehmbares Abschneiden des etwa zylindrisch vorge­ fertigten Mantels einer Rohrführung, parallel zur Mantelachse entlang eines Teilumfanges.

Vorteilhaft wird lediglich pro Rohrführung eine einzige Abdichtstelle benötigt, nämlich dort, wo das Kühlmittel, z. B. H₂, am Austritt aus einer Rohrführung, also auf einer Endseite, in eine weitere Rohrlei­ tung abzuführen wäre, die z. B. mit dem Brenner eines Turbo-Staustrahl­ triebwerks in Verbindung steht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 15.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 eine gekühlte Schubdüsenwand in perspektivischer Ansicht und bezüglich der Einrichtung teilweise aufgeschnitten darge­ stellt,

Fig. 2 ein abgebrochener Abschnitt einer gekühlten Düsenwand per­ spektivisch und bezüglich der Einrichtung teilweise aufge­ schnitten dargestellt, hier mit örtlich voneinander getrennter zu- und abflußseitiger Doppelrohrführung an einem Endbereich der Düsenwand,

Fig. 3 eine Vorfertigungsphase des zylindrischen Mantels für eine Rohrführung, indem eine achsparallel geschnittene Um­ fangstrennung vorgenommen wird.

Fig. 4 den Mantel nach Fig. 3, entlang einer achsparallelen Biege- oder Knickstelle auf die erforderliche Schlitzbreite aufge­ weitet,

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 3 und 4 anderweitige Schlitzausbildung in der erforderlichen Länge und Breite, indem eine Umfangssektion des zylindrischen Mantels achsparallel abgeschnitten wird und

Fig. 6 eine rückwärtige Endansicht einer gekühlten Schubdüsenwand bezüglich einer Rohrführung der Einrichtung und der Kühlkanäle mit Durchbrüchen der Wand, in Querrichtung teilweise ge­ schnitten und aufgebrochen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Schubdüsenwand 1 mit zwei örtlich voneinander ge­ trennt daran angeordneten Rohrführungen 2, 3 bzw. einem "Verteilerrohr" und einem "Sammelrohr". Auf einer Seite, hier innen, ist die Schubdü­ senwand 1 der Strömung eines Heißgases H extrem hoher Temperatur aus­ gesetzt. Zweck Temperaturbeherrschung ist die Schubdüsenwand 1 gekühlt und weist mittels eines Kühlmittels, z. B. flüssigen Wasserstoffs (H₂) beaufschlagbare eine und andere Kühlkanäle 3 bzw. 4 auf, die in die Wand 1 integriert sind. Ober einen Längenabschnitt, hier von der Rohrführung 3 aus zum rechten Wandende hin zu verstehen, sind die ei­ nen und anderen Kühlkanäle 3 bzw. 4 fortlaufend einander entgegenge­ richtet bzw. im Gegenstrom vom Kühlmittel durchströmt (Pfeile F, G). Unter Bezug auf den genannten Längenabschnitt sind die einen und an­ deren Kühlkanäle 3 bzw. 4 parallel nebeneinander und in Längsrichtung innerhalb der Schubdüsenwand 1 angeordnet. Die jeweils anderen Kühlka­ näle 4 (Durchströmrichtung G) enden austrittsseitig in Durchbrüchen 5 an der Außenseite der Schubdüsenwand 1, wobei die Durchbrüche 5 über einen vom Mantel M der Rohrführung 3 ausgebildeten Längsschlitz L (s.h. auch Fig. 4 oder 5) mit dem Innern der Rohrführung 3 in Verbin­ dung stehen; die Abströmung des Kühlmittels über die Durchbrüche 5 in die Rohrführung 3 ist jeweils mit St bezeichnet. In mit der Rohrfüh­ rung 3 vergleichbarer Art und Weise sind eintrittsseitige Durchbrüche 5′ an der Außenseite der Schubdüsenwand 1, also hier am linken Wanden­ de vom Mantel M′ der Rohrführung 2 dicht abgedeckt, wobei die Pfeile St′ die Zuströmung des Kühlmittels über diese Durchbrüche 5′ in hier nur jeden zweiten aufeinander folgenden einen Kühlkanal 3 (Durchströmrichtung F) charakterisieren. Erfindungsgemäß kann - wie in Fig. 1 dargestellt - der Mantel M′ der Rohrführung 2 zugleich Abdeck­ mittel der hier z. B. linken zuströmseitigen Enden der einen Kühlkanäle 3 sein. Am hier einen klappenseitlichen Ende E wäre die Rohrführung 3 deckelartig verschlossen zu verstehen, wobei des gemäß St in die Rohrführung 3 abströmende Kühlmittel dann gemäß Pfeilrichtung St′′ über eine hermetisch dicht an die Rohrführung 3 angebundene Abflußleitung (nicht dargestellt) einem triebwerksgeeigneten weiteren Verbraucher zugeführt werden kann. Die andere Rohrführung 2 kann vom einen Ende aus gemäß Pfeil K vom Kühlmittel beaufschlagt werden über eine eben­ falls hermetisch abdichtend angeschlossene Zufuhrleitung (nicht dargestellt). Am zu Pfeil K gegenüberliegenden Ende soll die andere Rohrführung 2 wandseitlich deckelartig verschlossen sein. Die Zufuhr in und Verteilung des Kühlmittels auf die jeweils anderen Kühlkanäle 4 (Durchströmrichtung G) kann sinngemäß durch eine auf der rechten End­ seite außen an der Schubdüsenwand 1 befindliche Rohrführung erfolgen, die prinzipiell mit der schon behandelten anderen Rohrführung 2 an der linken äußeren Endseite der Schubdüsenwand 1 übereinstimmt.

Zumindest bezüglich der Rohrführungen 2 und 3 (Fig. 1) erkennt man, daß mit ihren Mänteln M′ bzw. M quer zur Kühlkanalerstreckung verlaufen und sich hier mit Abstand parallel einander gegenüberliegen.

Wenn man z. B. davon ausgeht, daß es sich bei dem Wandbauteil 1 nach Fig. 1 um eine schwenkbare Klappe einer Schubdüse mit qua­ dratischem oder rechteckigem Querschnitt handelt, die zusammen mit übrigen Klappen den jeweils engsten Querschnitt einstellt, so kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Maßnahmen in Bereichen hohen Wärmeaufkom­ mens, z. B. in der Nähe des Düsenhalses, eine erhöhte Kühlleistung be­ reitgestellt werden; es kann also der für die Wärmeabfuhr maßgebliche Wärmeübergangswiderstand lokal bzw. Abschnittsweise reduziert werden.

Fig. 2 verkörpert eine Alternative der Erfindung dahingehend, daß eine sogenannte "Doppelrohranordnung" am hier z. B. hinteren Ende der Schub­ düsenwand 1 ausgebildet und angeordnet ist, und zwar in fluidisch von­ einander getrennter Anordnung einer verteilerrohrartigen zu­ fuhrseitigen Rohrführung 20 an der Innenseite bzw. unten an der Schub­ düsenwand 1 und einer parallel dazu angeordneten sammelrohrartigen Rohrführung 30 an der Außenseite bzw. oben an der Schubdüsenwand 1, wobei hydro- bzw. aerodynamische Kriterien bzw. Zu- und Abströmungs- und -verteilungskriterien des Kühlmittels mit der Bezugs­ zeichennomenklatur nach Fig. 1 belegt sind. Dabei kann z. B. gemäß Fig. 2 - unter Verwendung eines integralen oder nachträglich einge­ schweißten Längsabschnitts LS beider Mäntel M, M′ der Rohrführungen 20, 30 zugleich eine rückwärtige, dichte Absperrung der Wand 1, und da­ mit der Kühlkanäle 3 bzw. 4 erzielt werden.

Gemäß Fig. 3 kann jede der zuvorbehandelten Rohrführungen aus einem zylindrischen Mantel M, z. B., vorgefertigt werden, der längs einer zur Achse A parallel verlaufenen Mantellinie an der Stelle S aufgetrennt wird. Hierauf kann der Mantel M zumindest entlang einer parallel zur Achse A bzw. zur aufgeweiteten Mantelmitte verlaufenden Biegelinie bzw. Biegekante K oder Sicke auf die erforderliche Breite B des Läng­ sschlitzes L aufgeweitet werden.

Nach Fig. 5 kann aber auch jede Rohrführung aus einem zylindrischen Mantel M gefertigt werden, von dem in Ausbildung des Längsschlitzes L in der erforderlichen Breite B ein Teilumfang U längs abgeschnitten wird.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unverän­ derte Bauteile und Funktionen verkörpert Fig. 6 einer Alternative, bei der die Schubdüsenwand 1 aus einem Grundelement 10 mit durch Rippen 11 beabstandeten Vertiefungen besteht, welche die Kühlkanäle 3 bzw. 4 ausbilden, indem Rippen 11 und Vertiefungen mit einem Deckelement 12 hermetisch dicht verschweißt sind (z. B. Stelle P), das Aussparungen oder Ausschneidungen für die Durchbrüche 5′ aufweist. Dabei ist ferner eine abdichtend fest mit der Rohrführung 2 verbundene Leitung 13 für die Zufuhr des Kühlmittels (Pfeil K) vorgesehen.

Mit SN sind insbesondere aus Fig. 2 ersichtliche Schweiß- oder Lotnäh­ te z. B. für die Rohrführung 30 bezeichnet, es kann also für alle Rohr­ führungen eine demgemäße, hermetisch abdichtende Verlötung oder Verschweißung am betreffenden Längsschlitz L (s.h. auch Fig. 4 oder 5) mit der Schubdüsenwand 1 vorgenommen werden.

Die Erfindung kann bei allen hochtemperaturbeanspruchten Wänden oder Wandbauteilen von Turbo- oder Turbo-Staustrahltriebwerken eingesetzt werden, also Bauteilen wie sie z. B. auch im einleitenden Teil der Beschreibung zum Stand der Technik angegeben worden sind.

Claims (15)

1. Einrichtung zur Verteilung sowie Zu- und Abführung eines Kühlmit­ tels an einer Wand eines Turbo-, insbesondere Turbo-Staustrahl­ triebwerks, die der Strömung eines Heißfluids ausgesetzt ist und von dem Kühlmittel beaufschlagbare Kühlkanäle aufweist, die in der Wand im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - an der Wand (1) örtlich voneinander getrennte Rohrführungen (2, 3) angeordnet sind,
• - ein Mantel (M′, M) jeder Rohrführung (2, 3) einen Längsschlitz (L) aufweist,
• - jede Rohrführung (2, 3) über den Längsschlitz (L) und Durchbrüche (5′, 5) in der Wand (1) ein- oder austrittsseitig an die Kühlka­ näle (3, 4) angeschlossen ist,
• - jede Rohrführung (3, 4) am Längsschlitz (L) abdichtend mit der Wand (1) verlötet oder verschweißt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohr­ führung (2, 3) auf einer Wandseite deckelartig verschlossen, auf der gegenüberliegenden Wandseite an eine Zu- oder Abflußleitung für das Kühlmittel angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrführungen (2, 3) sich parallel einander gegenüberliegend an zwei Endbereichen der Wand (1) ausgebildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rohrführungen (20, 30) für jeweilige Zu- oder Abführung des Kühlmittels zumindest an einem Endbereich einer Wand (1) parallel zueinander an der Außen- und Innenseite der Wand bzw. an der oberen und unteren Wandseite ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Längs­ abschnitt (LS) eines für beide Rohrführungen (20, 30) gemeinsamen Mantels (M′, M) einen hermetisch dicht verlöteten oder verschweißten Verschluß sämtlicher einer Kühlkanalenden in der Wand (1) aus­ bildet.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel zueinander angeordnete Rohrführungen (2, 3) an der Wand (1) vorgesehen sind, von denen die eine in einem Endbereich der Wand (1), die andere auf einer von beiden Wandseiten bzw. außen oder innen angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (1) in abwechselnder Folge einander entgegengerichtet vom Kühlmittel durchströmbare eine und andere Kühlkanäle (3, 4) angeordnet sind, von denen die einen Kanäle (3) eintrittsseitig über die Durchbrüche (5′) an die eine Rohrfüh­ rung (2), die anderen Kanäle (4) austrittsseitig über die Durch­ brüche (5) an die andere Rohrführung (3) angeschlossen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (5′, 5) der Kühlkanäle (3, 4) in Abstimmung auf die not­ wendige Kühleffektivität bei örtlicher unterschiedlicher Hochtempe­ raturbeaufschlagung der Wand unterschiedlich große Durchström­ querschnitte aufweisen.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in abwechselnder Folge einander entgegengerichtet durchströmter Kühlkanäle (3, 4), etwa parallel nebeneinander, auf mindestens einen Wandabschnitt eingeschränkt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter­ schiedliche große Anzahlen von Kühlkanälen, örtlich bündelweise über die Wand verteilt, in gleicher Richtung oder, fortlaufend ein­ ander entgegengerichtet, vom Kühlmittel durchströmt sind.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohrführungen (3, 30) aus einem zy­ lindrischen Mantel (M) gefertigt sind, von dem in Ausbildung des Längsschlitzes (L) in der benötigten Breite (B) ein Teilumfang (U) längs abgeschnitten ist.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohrführungen (3, 30) aus einem zy­ lindrischen Mantel (M) gefertigt sind, der längs einer achs­ parallelen Linie aufgetrennt und auf die erforderliche Breite (B) des Längsschlitzes (L) aufgeweitet wird.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Man­ tel (M) der Rohrführungen (3, 30) entlang zumindest einer ach­ sparallelen Biegelinie, -kante (K) oder Sicke auf die erforderliche Schlitzbreite (B) aufgeweitet wird.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (3, 4) einen quadratischen oder rechteckigen Durchströmquerschnitt aufweisen und die Wand (1) aus quadratischen oder rechteckigen Kühlkanälen (3, 4) zusammenge­ setzt ist, wobei die Durchbrüche (5′, 5) von örtlich fortgelassenen bzw. ausgeschnittenen Sektionen der Kühlkanalwände gebildet sind.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wand (1) aus einem Grundelement (10) mit durch Rippen (11) beabstandeten Vertiefungen besteht, die die Kühlkanäle (3; 4) durch Abdeckung der Rippen und Vertiefungen mit­ tels eines Deckelements (12) ausbilden, das Aussparungen oder Ausschneidungen für die Durchbrüche (5′) aufweist.