DE3200972A1

DE3200972A1 - Brennereinsatz, insbesondere fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3200972A1
Application number: DE19823200972
Authority: DE
Inventors: James Albert 06248 Hebron Conn. Dierberger
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1981-01-22
Filing date: 1982-01-14
Publication date: 1982-08-12
Also published as: DE3200972C2; NL8200037A; IL64730A0; BE891859A; JPS57142422A; NL190855C; JPH031582B2; FR2498252B1; NL190855B; GB2093177B; FR2498252A1; SE8200307L; SE453612B; US4380906A; IT8219242A0; IT1150144B; KR880002469B1; AU545846B2; GB2093177A; KR830009358A

Description

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■ MENGES& PRAHL · 320097 2

Zugelassene Vertreter vor dem Europaischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

fcrhardtstiasse 12, D-BOOO München	8000 München 5	5	Dipl.-Ing Roll Menges Dipl.-Chem. Dr Horst Prahl	U 769
1			Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München	14.01.82
	IhrZeichen/Yourref
	Unser Zeichen/Our rel
	Datum/Date

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Brennereinsatz, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Brenner für Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere Kühlsysteme für jalousieartig aufgebaute Brennereinsätze.

Wegen der aggressiven Umgebung, denen der Brennereinsatz eines Gasturbinentriebwerks ausgesetzt ist, bringt dieser eines der Hauptwartungsprobleme des Triebwerks mit sich. Es sind bereits viele Systeme benutzt worden, um den Einsatz zu kühlen und dadurch seine Lebensdauer zu vergrößern und seine Neigung zur Rißbildung, die durch die starken Wärmespannungen hervorgerufen wird, zu verringern.

Den gegenwärtigen Stand der Technik beschreiben insbesondere die ÜS-PSen 3 978 662 und 4 077 205.

Beide Patentschriften zeigen Kühlsysteme für jalousieartig aufgebaute Brennereinsätze, wobei die US-PS 3 978 662 einen aus spanabhebend bearbeiteten Wandteilen aufgebauten Brenner-

einsatz und die US-PS 4 077 205 einen aus Blech bestehenden Brennereinsatz beschreibt. In jedem Fall trägt der Brennereinsatz eine Lippe, die sich über den Schlitz erstreckt/ der einen Film von Kühlluft bildet oder vereinigt, welcher an der Wand des Brennereinsatzes haftet, um eine kühlende Sperrschicht für die Brennerwand zu bilden. Es ist offenbar vorteilhaft, das Kühlsystem so auszulegen, daß sich der Film über eine möglichst große Strecke stromabwärts ausbreitet. Jede Vergrößerung in der Ausdehnung des vereinigten oder zusammengeballten Films ergibt deshalb einen Vorteil hinsichtlich der Lebensdauer des Brennereinsatzes.

Beispielsweise werden gemäß der vorgenannten US-PS 4 077 Stäbe oder Vertiefungen an der Lippe vorgesehen, um zu verhindern, daß die Lippe vollständig zusammenfällt. Gemäß der US-PS 3 9.78 662 sind für das Kühlsystem hinten angeordnete Kühllufteinlässe vorgesehen, so daß die Kühlluft um 180° gedreht wird, bevor sie in den Brenner austritt. Dieser Aufbau basiert auf dem statischen Druck, im Gegensatz zu dem Gesamtdruck, der bei der hier beschriebenen Erfindung ausgenutzt wird.

Eine Theorie, die die Begrenzung der Lebensdauer des Brennereinsatzes erklärt, besagt, daß der Drall- oder Wirbeleffekt der Kühlluft in dem zusammengeballten Film anhält. Das hat insgesamt die Auswirkung, daß ein durch die Wandteillippe erzeugter gleichmäßiger Film beeinträchtigt wird. Es scheint, daß örtlich begrenzte heiße Stellen neben der Drall- oder WibelstrÖmung ausgebildet werden, die Verziehen und Rißbildung verursachen.

Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß bei einigen Kühlsystemen gewisse Wandoberflächen des Brennereinsatzes in Problembereichen sowohl den heißesten als auch den kältesten Bedingungen ausgesetzt sind. Die hohe Temperaturdifferenz bringt offenbar hohe Wärmespannungen mit sich, die sich auf

den Brennereinsatz nachteilig auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen jalousieärtig aufgebauten Gasturbinenbrennereinsatz mit einer verbesserten Kühleinrichtung zu versehen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Erfindung die nachteiligen Auswirkungen der oben dargelegten Probleme beseitigt oder zumindest gemindert werden können. Aufgrund des Doppelschleifenkühlluftstroms wird die Drallkomponehte wesentlich verringert oder eliminiert, was einen gleichmäßigeren vereinigten Kühlfilm ergibt, der sich,wie Tests gezeigt haben, weiter stromabwärts ausbreitet als bei bekannten Kühlsystemen einschließlich denjenigen in den eingangs erwähnten US-Patentschriften. Darüber hinaus gestattet dieses System der Luft, einen bestimmten Wärmeinhalt aufzunehmen, der zu dem Versteifungsring geleitet wird, welcher der Kaltluftseite des Brenners ausgesetzt ist. Dadurch wird der Versteifungsring auf eine Temperatur erhitzt, die zwischen der Kaltlufttemperatur und der Temperatur des heißen Brenners liegt, was ein niedrigeres ΔΤ ergibt und offenbar die Wärmespannungen verringert.

Gemäß der Erfindung wird für den jalousieartig aufgebauten Brennereinsatz ein Schleifenkühlsystem mit doppelter Luftführung an der Auslaßlippe geschaffen, die die Kühlluft in einem Film vereinigt, der an der inneren Brennerwand bis in eine maximale Entfernung von der Auslaßlippe haftet. Die Einlaßöffnungen der Doppelluftführungsschleife sind den Verdichterauslaßgasen zugewandt, die den Triebwerksverdichter verlassen und in stromabwärtiger Richtung in Relation zu dem Strom von Gasen, die den Verdichter verlassen, strömen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer Teilschnittansicht den Brenner

einsatz nach der Erfindung und

Fig. 2 in einer vergrößerten Teilschnittansicht

die Einzelheiten der Erfindung.

Die Erfindung ist zwar in ihrer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit dem Einsatz eines Ringbrenners für ein Gasturbinentriebwerk dargestellt, sie kann jedoch auch bei anderen Arten von jalousieartig aufgebauten Brennereinsätzen, wie beispielsweise Zylindern oder Büchsen, verwendet werden. Zum besseren Verständnis von Gasturbinentriebwerksbrennern wird auf die eingangs erwähnten US-Patentschriften und auf die Brenner für die von der Pratt & Whitney Aircraft Group der Anmelderin hergestellten Triebwerksmodelle JT-8D und JT-9D verwiesen.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichneter Ringbrenner in einem Gasturbinentriebwerk vorgesehen, der die Wärmeerzeugungsvorrichtung des Triebwerks enthält. Bekanntlich findet in dem Brenner die Verbrennung des Brennstoffes statt, durch die ausreichend Energie zum Antrieb der Turbine und zum Abgeben von Leistung oder Schub, je nach dem, ob es sich um ein Turboprop-oder um ein Strahltriebwerk handelt, entwickelt wird.

Der Brenner 10 weist mehrere jalousielamellenartig angeordnete zylindrische oder konische Wandteile 12 auf, die in Längsrichtung hintereinander Ende an Ende angebracht sind und eine hohle Brennkammer begrenzen. Das Ende jedes Wandteils 12 trägt einen lippenartigen Teil, der dazu dient,

einen Kühlfilm zum Kühlen der benachbarten Wand des Einsatzes zu erzeugen. -. - ,·

Das Kühlsystem nach der Erfindung ist.am besten in Fig. 2 zu erkennen, die einen vergrößerten Teil eines Wandteils 12 zeigt. . -;.---.

Gemäß Fig. 2 steht eine Rippe 14 von dem Heißwandteil:16 des Wandteils 12 vor und ist zwischen der- Lippe 18; und· einem Einlaßflansch 20 angeordnet. Die Lippe 18, die Rippe 14 und der Flansch 20 sind, wie erwähnt, kreisförmig .und-können durch spanabhebende Bearbeitung oder Walzen hergestellt worden sein. Die Rippe 14 erfüllt eine Doppelfunktion, nämlich (1) die Lippe zu tragen, was die Notwendigkeit von Tragstäben beseitigt, die bei einigen bekannten Brennern: erforderlich sind, und (2) die Luft umzulenken. Weiter kann das-Ende als ein einstückiges, jalousieartig aufgebautes (louvered): Wandteil hergestellt sein oder die Kühlt-eile können gesondert hergestellt und mit dem übrigen Wandteii verschweißt werden. In-der bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, den gesamten Wandteil zu walzen oder zu gießen· und in den Brenner einzubauen. -.:■■.·'· ; ■ - -; ■--.·;,.,

Ein Abschnitt 30 des Wandteils 12"ist so gebogen, daß er einen Verschluß des Filmkühlabschnitts bildet und den Kühlluftstrom einschließt, so daß"die Verdichterauslaßluft in das Innere desselben über mehrere Einlaßöffnungen 32 eingelassen wird, die so bemessen-und angeordnet sind, daß die Luft auf die Vorderseite der Rippe 14 auftrifft. In dieser Konfiguration sind die Einlaßöffnungen 32 dem Gesamtdruck des Verdichterenddruckes ausgesetzt. Der Innenaufbau bewirkt, daß die Luft umgelenkt wird und um die Rippe strömt, wobei sie die Unterseite des gebogenen Teils 30 spült. Dieser Teil kann als"Versteifer benutzt werden, so daß er hilft, das Gebilde am Verziehen zu hindern. ·_: ,

Das Spülen des gebogenen Teils 30 leitet diesem Wärme zu und verringert die Wärmedifferenz an dem Metall des gebogenen Teils 30, der der Kühlluft an seiner Außenfläche und der Hitze aus dem Brenner an der Innenfläche ausgesetzt ist.

Die Lippe 18 und das Knie 34, die an dem hinteren Ende des Wandteils 12 vorgesehen sind, bilden einen ringförmigen Schlitz für die Luft, die über die Rippe nach Art einer doppelten Luftführung hinweggeht, um diese zu vereinigen oder zusammenzuballen und als einen Film in den Brenner abzugeben. Dieser Kühlluftfilm ist so gerichtet, daß er an der Innenwandfläche des Wandteils 12 haftet, um das Metall vor der starken Hitze des Brenners abzuschirmen, und sich soweit wie möglich stromabwärts ausbreitet, wie es durch die strichpunktierte Linie A dargestellt ist. Der Teil 22 ist, wie erwähnt, im Querschnitt konisch und unterstützt das Verstärken der Wärmeleitung in die tragende Rippe 20.

Aufgrund dieses Kühlprinzips tritt die ankommende wirbelnde Luft in einem Film aus, der im wesentlichen frei von jedweden Wirbeln und Dralleffekten ist, wodurch die Lebensdauer des Einsatzes vergrößert und ein gleichmäßigerer Temperaturgradient in dem zugeordneten Metall erzeugt wird. Außerdem werden die Wirbel, die durch die Wechselwirkung zwischen, der aus den Einlassen 32 austretenden Luft und dem Aufprall auf die Rippe 14 erzeugt werden, durch den Doppelschleifenströmungsweg gänzlich oder zumindest im wesentlichen eliminiert. Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem Doppelschleifenströmungsweg ergibt, besteht darin, daß dieser Aufbau die Verwendung einer zweckmäßig kurzen Lippe gestattet, ohne daß die Verweilzeit der Kühlluft in der Filmerzeugungsvorrichtung verringert wird. Die zusätzliche Erhitzung des Versteifungsabschnittes 30 dient zum Verringern der Wärmedifferenz, der dieser sich ausgesetzt sieht, und verringert dadurch dessen Wärmespannungen.

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Claims

Patentansprüche :

/1J Brennereinsatz aus jalousierartig angeordneten Wandteilen, eier eine Verbrennungszone begrenzt, dessen Außenseite der kälteren Luft und dessen Innenseite den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, wobei die kältere Luft aus stromaufwärtiger in stromabwärtiger Richtung relativ zu dem Strom der heißen Gase bei dem Verbrennungsprozeß strömt, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich radial nach außen erstreckender ringförmiger Plansch (20) an einem Ende eines der Wandteile (12) des Brennereinsatzes mit Abstand von einem Rand des Wandteils vorgesehen ist, daß der nächste benachbarte Wandteil (12) ein überlagertes Ende (30) hat, das an dem Flansch (20) anliegt und zusammen mit diesem einen äußeren ringförmigen Hohlraum begrenzt, der das Ende des Wandteils umgibt, daß eine sich radial nach außen erstreckende Rippe (14) an dem einen Ende des Wandteils mit Abstand zwischen dem Ende des Wandteils und dem Flansch und mit Abstand von dem überlagerten Ende (30) vorgesehen ist und zwei ringförmige Unterkammern begrenzt, daß das Ende des Wandteils, das der Rippe (14) benachbart ist, eine Lippe (18) hat, daß der nächste benachbarte Wandteil (12) mit Ab-

stand von der Lippe angeordnet ist, um einen ringförmigen Schlitz zu begrenzen, der mijt den Unterkammern in Verbindung steht, daß eine Einlaßöffnung (32) dem Strom kälterer Luft zugewandt ist, um kältere Luft in die Ringkammer einzulassen, damit die Luft auf die Rippe (14) auftrifft, ihre Richtung ändert und aus einer der Unterkammern in die andere Unterkammer und über den Schlitz in die Verbrennungszone strömt, wodurch die Kühlluft in den Unterkammern sich zu einem Film zusammenballt und als ein Film über den Schlitz austritt, der beim Abwärtsströmen in der Verbrennungszone an der Innenfläche des Brennereinsatzes haftet.
2. Brennereinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (32) mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand gebohrte Löcher in dem Flansch (20) aufweist.
3. Brennereinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (22) des Wandteils (12), der sich unmittelbar stromaufwärts des Flansches (20) befindet, auf eine zunehmende Dicke im Querschnitt von stromaufwärts nach stromabwärts konisch zuläuft.
4. Brennereinsatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der gebohrten Löcher (32) unter einem Winkel gegen die Mittellinie des Brennereinsatzes und so angeordnet ist, daß die Kühlluft auf den Fuß der Rippe (14) auftrifft.
5. Brennereinsatz aus jalousieartig angeordneten ringförmigen Wandteilen für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter und einem Brenner, wobei der Brennereinsatz insgesamt langgestreckt ist und eine Verbrennungszone begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wandteil (12) einen stromaufwärtigen Rand und einen stromabwärtigen Rand relativ zu der Strömung der Verbrennungsgase hat, daß der stromabwärtige Rand einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch

(20) hat, daß der stromaufwärtige Rand einen sich radial nach außen erstreckenden überlappenden Teil (30) hat, der eine Ringkammer begrenzt, die das stromabwärtige Ende des benachbarten Wandteils (12) umgibt, daß eine Rippe (14) sich von dem stromabwärtigen Rand aus kurz vor dem sich radial nach außen erstreckenden überlappenden Teil (30) erstreckt und zwei Unterkammern begrenzt, daß eine ümfangslippe (18) an dem stromabwärtigen Rand des Wandteils (12) gebildet und mit Abstand von dem stromaufwärtigen Ende des benachbarten Wandteils angeordnet ist, so daß ein ringförmiger Schlitz vorhanden ist, und daß mehrere in gegenseitigem ümfangsabstand angeordnete Einlaßöffnungen (32) in dem Flansch (20) dem Luftstrom aus dem Verdichter zugewandt sind, um die Luft auf die Rippe (14) zu leiten, damit diese gekühlt wird und damit die Luft dann umgelenkt wird, so daß sie auf den überlappenden Teil (30) auftrifft, um denselben zu erhitzen, wobei dann die Luft wiederumgelenkt wird und als ein Film zum Abschirmen des benachbarten Wandteils durch den ringförmigen Schlitz strömt.