DE69204280T2

DE69204280T2 - Gasturbinenbrennkammer.

Info

Publication number: DE69204280T2
Application number: DE69204280T
Authority: DE
Inventors: Stephen Cooper; Peter Fry; Anthony Pidcock
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1991-03-22
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-02-04
Also published as: JPH06507468A; EP0576435A1; WO1992016798A1; DE69204280D1; GB9106085D0; EP0576435B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks und insbesondere auf die Konstruktion der Wand einer solchen Brennkammer.
Der Verbrennungsprozeß, der innerhalb der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks stattfindet, bewirkt, daß die Wände der Brennkammer extrem hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Die für die Brennkammerwandkonstruktion benutzten Legierungen sind normalerweise nicht in der Lage, diesen Temperaturen standzuhalten, ohne daß irgendeine Kühlung vorgenommen wird. In der Vergangenheit sind verschiedene Brennkammerwandausbildungen vorgeschlagen worden, bei denen zur Kühlung Druckluft benutzt wird, die vom Kompressor des Triebwerks abgezapft wird. Bei einer speziellen Wandausbildung, die in der Britischen Patentanmeldung Nr. 2 087 065A beschrieben ist, besteht die Wand aus zwei Teilen: einer kontinuierlich verlaufenden Außenwand und einer Innenwand, die aus mehreren teilweise überlappenden inneren Wandelementen besteht. Die Außenwand und die inneren Wandelemente werden im Abstand zueinander gehalten, und es wird Kühlluft über Löcher in der Außenwand in den Raum eingeführt, der zwischen diesen Wänden definiert ist. Die Kühlluft strömt über den Raum und wird über die Spalte ausgeblasen, die zwischen den überlappenden Abschnitten der inneren Wandelemente definiert sind. Die Kühlluft bewirkt dadurch eine Konvektionskühlung, wenn sie zwischen den inneren Wandelementen und der Außenwand strömt, und eine Filmkühlung der inneren Wandelemente, nachdem sie durch die Spalte zwischen den inneren Wandelementen ausgeblasen ist.
Es hat sich gezeigt, daß bei Brennkammerwänden dieser Bauart die Filmkühlung der inneren Wandelemente nicht so wirksam ist wie es normalerweise gewünscht wird. Dies kann zu einer Überhitzung und möglicherweise zu einer Beschädigung der freiliegenden Ränder der überlappenden Abschnitte der inneren Wandelemente führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammerwandkonstruktion für ein Gasturbinentriebwerk zu finden, bei der diese Filmkühlung eine verbesserte Wirksamkeit besitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die ringförmige Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks einen radial inneren Wandaufbau und einen radial äußeren Wandaufbau, wobei jeder Wandaufbau eine radiale Außenwand und eine radiale Innenwand besitzt und die radiale Innenwand aus mehreren diskreten Wandelementen besteht, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Wandelemente und die radiale Außenwand im Abstand zueinander zu halten, und wobei die radial äußere Wand gelocht ist, um eine Kühlmittelströmung in die Räume zu ermöglichen, die zwischen der radial äußeren Wand und den Wandelementen gebildet sind, und wobei jedes Wandelement gelocht ist, um das Kühlmittel aus diesen Räumen abzulassen, und wobei Mittel vorgesehen sind, um den Umfang jedes Wandelementes und die Außenwand miteinander zu verbinden, und diese Verbindungsmittel eine kontinuierliche Wand um den Umfang jedes Wandelementes herum definieren, wobei diese Wand integral mit jenem Umfang ist, so daß hierdurch eine diskrete Kammer zwischen jedem Wandelement und der radial äußeren Wand für die Kühlmittelströmung gebildet wird.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt der oberen Hälfte eines Fangasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt eines Teils der Brennkammerwand des in Fig. 1 dargestellten Gasturbinentriebwerks,
Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Ansicht eines Teils der Brennkammerwand gemäß Fig. 2 in größerem Maßstab gezeichnet,
Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B gemäß Fig. 4,
Fig. 6 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Brennkammer gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 weist das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Fangasturbinentriebwerk in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 11, einen Vortriebsfan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 18 und eine Abgasdüse 19 auf.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in herkömmlicher Weise, das heißt die durch den Einlaß 11 eintretende Luft wird durch den Fan 12 beschleunigt, und es werden zwei Luftströmungen erzeugt: Eine erste Luftströmung verläuft in den Zwischendruckkompressor 13, und eine zweite Luftströmung liefert den Vortriebsschub. Der Zwischendruckkompressor 13 verdichtet die von ihm angesaugte Luft, bevor diese Luft an den Hochdruckkompressor 14 abgegeben wird, wo eine weitere Verdichtung stattfindet.
Die vom Hochdruckkompressor 14 gelieferte Druckluft wird in die Verbrennungseinrichtung 15 eingeleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt wird und wo die Mischung verbrannt wird. Die sich hieraus ergebenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 und treiben diese an, bevor die Gase durch die Düse 19 ausgestoßen werden, um einen zusätzlichen Vortriebsschub zu erzeugen. Die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 treiben jeweils den Hochdruckkompressor 14, den Zwischendruckkompressor 13 und den Fan 12 über geeignete Verbindungswellen an.
Die Verbrennungseinrichtung 15 wird durch eine ringförmige Brennkammer 20 gebildet, die radial innere Wandaufbauten 21 und radial äußere Wandaufbauten 22 aufweist. Der Brennstoff wird in die Brennkammer 20 über mehrere (nicht dargestellte) Brennstoffdüsen eingespritzt, die am stromaufwärtigen Ende 23 der Brennkammer 20 angeordnet sind. Die Brennstoffdüsen sind in Umfangsrichtung im Abstand zueinander rund um das Triebwerk 10 herum angeordnet und dienen dazu, Brennstoff in die Luft einzusprühen, die vom Hochdruckkompressor 14 geliefert wird. Das sich ergebende Brennstoff/Luft-Gemisch wird dann innerhalb der Brennkammer 20 verbrannt.
Der Verbrennungsprozeß, der innerhalb der Brennkammer 20 stattfindet, erzeugt natürlich eine große Wärmemenge.Es ist daher notwendig zu gewährleisten, daß die inneren und äußeren Wandaufbauten 21 bzw. 22 in der Lage sind, dieser Hitze zu widerstehen und in normaler Weise zu arbeiten.
Der radial äußere Wandaufbau 22 ist deutlicher aus Fig. 2 ersichtlich. Es ist jedoch klar, daß der radial innere Wandaufbau 21 die gleiche allgemeine Ausbildung wie der radial äußere Wandaufbau 22 hat.
Gemäß Fig. 2 besteht der äußere Wandaufbau 22 aus einer Außenwand 24 und einer Innenwand 25. Die Innenwand 25 besteht aus mehreren einzelnen Wandelementen 26, die sämtlich die gleiche allgemein rechteckige Gestalt besitzen und benachbart zueinander angeordnet sind. Der Hauptteil eines jeden Wandelementes 26 besitzt einen gleichen Abstand von der Außenwand 24. Jedoch ist der Umfang eines jeden Wandelementes 24 mit einem umlaufenden Flansch 27 versehen, um das Wandelement 26 im Abstand zu der Außenwand 24 zu halten. Es ist daher ersichtlich, daß eine Kammer 28 zwischen jedem Wandelement 26 und der Außenwand 24 gebildet wird.
Jedes Wandelement 26 ist ein Gußteil und ist mit inneren Bolzen 29 versehen, die eine Befestigung an der Außenwand 24 ermöglichen.
Wenn das Triebwerk läuft, kann ein Teil der vom Hochdruckkompressor 14 gelieferten Luft über die äußere Oberfläche der Brennkammer 20 strömen. Diese Luft bewirkt eine Brennkammerkühlung, und ein Teil dieser Kühlluft wird in das Innere der Brennkammer 20 geleitet, um die Verbrennung zu unterstützen. Eine große Zahl von Löchern 30 ist in der Außenwand 24 vorgesehen, wie dies aus Fig. 3 erkennbar ist, damit ein Teil dieser Luft in die Kammern 28 einströmen kann. Die Luft strömt durch die Löcher 30 und trifft auf die radial äußeren Oberflächen der Wandelemente 26 auf, wie dies durch die Luftströmungspfeile 31 angegeben ist. Dies gewährleistet, daß jedes Wandelement 26 auf sehr wirksame Weise gekühlt wird. Dann wird die Luft aus den Kammern 28 über mehrere im Winkel angestellte Effusionslöcher 32 ausgeblasen, die in jedem Wandelement 26 vorgesehen sind. Die Effusionslöcher 32 sind so angestellt, daß sie allgemein stromab bezüglich der Hauptströmung durch die Brennkammer 20 angeordnet sind.
Die im Winkel angestellten Effusionslöcher 32, die deutlicher aus den Fig. 4 und 5 erkennbar sind, besitzen keine kreisförmige Querschnittsgestalt. Statt dessen besitzen sie alle eine sogenannte rennstreckenförmige ("race-track") Ausbildung, d. h. sie besitzen zwei parallele Seiten, die durch halbkreisförmige Abschnitte verbunden sind. Diese Gestalt gewährleistet zusammen mit der Neigung der Löcher 32, daß die Luft, die aus diesen Löchern austritt, einen Kühlluftfilm über der inneren Oberfläche eines jeden Wandelementes 26 bildet, d. h. über jener Oberfläche, die dem Verbrennungsprozeß ausgesetzt ist, der innerhalb der Brennkammer 20 abläuft. Dieser Kühlluftfilm trägt dazu bei, die Wandelemente 26 gegen die auf hoher Temperatur stehenden Gase innerhalb der Brennkammer 20 zu schützen.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Effusionslöchern 32 beschrieben, die einen rennstreckenförmigen Querschnitt besitzen. Es können jedoch auch abgewandelte Ausbildungen eine zufriedenstellende Kühlung des Wandelementes 26 bewirken.
Es ist demgemäß ersichtlich, daß jedes der Wandelemente 26 mit einer hochwirksamen Kühlung ausgestattet ist, nämlich: einer Aufprallkühlung und einer Filmkühlung. Die Wandelemente sind daher sicher gegen die Wirkungen der hohen Temperaturen innerhalb der Brennkammer 20 geschützt.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß keines der Wandelemente 26 Ränder aufweist, die dem Verbrennungsprozeß innerhalb der Brennkammer 20 unmittelbar ausgesetzt sind. Infolgedessen werden jene Überhitzungsprobleme vermieden, die dann auftreten, wenn die Wandelemente solche freiliegenden Ränder besitzen.
Es kann in gewissen Fällen erwünscht sein, die Wärmeaustauschbeziehung zwischen der Kühlluft, die durch die Kammern 28 strömt, und den Wandelementen 26 zu verbessern. Eine Möglichkeit, dies auf einfache Weise zu bewirken, besteht darin, Ständer 33 oder andere geeignete Vorrichtungen vorzusehen, um die Oberfläche der Wandelemente 26 zu vergrößern, die der Außenwand 24 zugewandt sind, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Diese Ständer 33 sind einstückig mit den Wandelementen 26 ausgebildet und greifen an der Außenwand 24 an oder enden kurz vor dieser Wand. Die Anordnung dieser Ständer 33, die im Mittelteil jedes Wandelementes 26 angeordnet sein sollten, führen zu einer Verminderung der schrägen Effusionslöcher 32 in jedem Wandelement 26. Infolgedessen werden die schräggestellten Effusionslöcher 32 in den Randbereichen der Wandelemente 26 konzentriert.

Claims

1. Ringbrennkammer (15) für ein Gasturbinentriebwerk mit einem radial inneren Wandaufbau (21) und einem radial äußeren Wandaufbau (22), wobei jeder Wandaufbau eine radial äußere Wand (24) und eine radial innere Wand (25) besitzt und die radial innere Wand (25) aus mehreren einzelnen Wandelementen (26) besteht, und wobei Mittel vorgesehen sind, um den Hauptteil der Wandelemente (26) im Abstand zu der radial äußeren Wand (24) zu halten, und wobei die radial äußere Wand (24) gelocht ist, damit ein Kühlmittel in die Räume einströmen kann, die zwischen der radial äußeren Wand (24) und den Wandelementen (26) gebildet sind, und wobei jedes der Wandelemente (26) gelocht ist, damit das Kühlmittel aus den Räumen durch diese Löcher abströmen kann, und wobei Mittel (27) vorgesehen sind, um den Umfang eines jeden Wandelementes (26) mit der radial äußeren Wand (24) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel (27) eine kontinuierlich um den Umfang eines jeden Wandelementes (26) umlaufende Wand definieren, die einstückig mit dem Umfang hergestellt ist, so daß eine gesonderte Kammer (28) zwischen jedem Wandelement (26) und der radial äußeren Wand (24) gebildet wird, durch die das Kühlmittel strömen kann.

2. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (30) in der radial äußeren Wand (24) so angeordnet sind, daß das Kühlmittel derart auf die Wandelemente (26) gerichtet wird, daß eine Aufprallkühlung erfolgt.

3. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (32) in den Wandelementen (26) so angeordnet sind, daß das Kühlmittel aus den gesonderten Kammern (28) derart ausströmt, daß eine Filmkühlung der Wandelemente (26) bewirkt wird.

4. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (32) in den Wandelementen (26) in Richtung der Strömung durch die Brennkammer geneigt sind, um diese Filmkühlung der Wandelemente (26) zu gewährleisten.

5. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (32) in den Wandelementen (26) einen rennstreckenförmigen Querschnitt besitzen.

6. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (26) derart an der Außenwand (24) angeordnet sind, daß sie allgemein benachbart zueinander liegen.

7. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsflansch (27) an jedem Wandelement (26) außerdem die Mittel bildet, um das zugeordnete Wandelement (26) im Abstand zu der Außenwand (24) zu halten.

8. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wandelemente (26) mit integralen Bolzen (29) versehen ist, um ihre Befestigung an der Außenwand (24) zu ermöglichen.

9. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wandelemente (26) mit mehreren Ständern (33) versehen ist, um die Wärmeaustauschbeziehung zwischen den Wandelementen (26) und der Kühlmittelströmung durch die Räume (28) zwischen den Wandelementen (26) und der Außenwand (24) zu verbessern.

10. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ständer (33) an der Außenwand (24) angreift.