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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Anmeldung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf Brennkammern für
Gasturbinentriebwerke.
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Zumindest
einige bekannte Gasturbinentriebwerke enthalten einen Kompressor
oder Verdichter, der verdichtete Luft einer Brennkammer zuführt, wo
die Luft mit Brennstoff gemischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase
zu erzeugen. Die Gase fließen
stromabwärts
zu einer oder mehreren Turbinen, die ihnen Energie entziehen, um
den Verdichter anzutreiben und Nutzenergie, wie z.B. zum Antrieb
eines Flugzeugs beim Flug, zu liefern.
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Wenigstens
einige bekannte, bei Gasturbinentriebwerken verwendete Brennkammern
enthalten typischerweise innere und äußere Flammrohre bzw. Brennkammerauskleidungen,
die an ihren stromaufwärtsseitigen
Enden durch eine Kappen- bzw. Domanordnung verbunden sind. Die Domanordnung
enthält
eine ringförmige
Brillenplatte oder Domplatte und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung mit
Abstand angeordneten Verwirbelungsanordnungen oder Bechern. Der
Brennstoff wird dem Dom zugeführt,
wo er mit Luft gemischt wird, die aus den Verwirbelungsanordnungen
austritt, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, das in die
Brennkammer geleitet wird. Bekannte Brennkammern enthalten eine
Leit- bzw. Prallplatte, die den während des Verbrennungsvorgangs
erzeugten hohen Temperaturen ausgesetzt ist, und Kühlungsluftkanäle, die der
Prallplatte Kühlungsluft
zuführen.
Die bekannten Kühlungsluftkanäle regulieren
nicht eine genaue Luftströmung
zu der Prallplatte, sondern die Kühlungsluft wird vielmehr durch
die zwischen den Rändern
der Domplatte und der Prallplatte gebildeten Spalten geführt bzw.
gepresst.
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In
wenigstens einer bekannten Brennkammer wird die Domanordnung durch
einen Hartlötvorgang
hergestellt, bei dem die Verwirbelungsanordnungen und Prallplatten
auf die Domplatte hartaufgelötet
werden. Der Hartlötvorgang
kann ein zeitaufwendiges und arbeitsintensives Verfahren sein, das die
Verwendung mehrerer Haltevorrichtungen und zahlreicher teurer Materialien
erfordern kann. Typischerweise können
wenigstens einige der Hartlötverbindungen
schwierig zu prüfen
sein und erhebliche Nachbearbeitung erfordern. Darüber hinaus
sind bei wenigstens einer bekannten Brennkammerdomanordnung Reparaturen
schwierig oder unmöglich,
so dass es die Reparatur einer hartgelöteten Komponente erfordert,
dass die Domanordnung einen Hartlötofen durchläuft, was
in unerwünschter
Weise Schäden
an den Verbindungen hervorrufen kann, an denen zuvor keine Reparatur
erforderlich war.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einer Ausführungsform
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Domanordnung für eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer
geschaffen. Das Verfahren enthält
die Bildung einer ringförmigen
Domplatte, die eine Vielzahl von darauf in Umfangsrichtung mit Abstand
angeordneten, im Wesentlichen kreisförmigen Öffnungen bzw. Löchern aufweist,
an jedem Loch das Verbinden einer Dichtungsplatte mit der Domplatte,
so dass eine in jeder Dichtungsplatte gebildete Öffnung im Hinblick auf das
entsprechende Loch im wesentlichen konzentrisch ausgerichtet ist, das
Verbinden einer Prallplatte mit jeder Dichtungsplatte, so dass eine
in jeder Prallplatte gebildete Öffnung
im Hinblick auf das entsprechende Loch im Wesentlichen konzentrisch
ausgerichtet ist, und das Verbinden einer Verwirbelungsanordnung,
die einen einstückig
aufgebauten Verwirbeler und Trichterkonus aufweist, mit jeder Dichtungsplatte,
so dass sich der Trichterkonus wenigstens teilweise durch die Prallplattenöffnung hindurch
erstreckt und Kühlungsluft durch
die in der Anordnung ausgebildeten Öffnungen zu dem Trichterkonus
hin geleitet werden kann.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird eine Domanordnung für
eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer geschaffen, die wenigstens
eine Verwirbelungsanordnung enthält,
die einen Primärverwirbeler
und einen Sekundärverwirbeler
aufweist. Der Sekundärverwirbeler
ist mit einem Trichterkonuns einstückig ausgebildet, und der Sekundärverwirbeler
enthält
einen darin ausgebildeten Kühlungskreis,
der Kühlungsluft
zu dem Trichterkonus hin leitet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird ein Gasturbinentriebwerk geschaffen. Das Gasturbinentriebwerk
enthält
eine Brennkammer, die wenigstens eine Domanordnung aufweist. Die
wenigstens eine Domanordnung enthält wenigstens eine Verwirbelungsanordnung,
die einen Primärverwirbeler
und einen Sekundärverwirbeler
aufweist. Der Sekundärverwirbeler
ist mit einem Trichterkonus einstückig ausgebildet. Der Sekundärverwirbeler
enthält
einen darin ausgebildeten Kühlungskreis,
um Kühlungsluft
zu dem Trichterkonus hin zu leiten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks,
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2 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennkammer, die mit
dem in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann,
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Domplatte, und
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4 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der in 2 gezeigten Domplatte.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10,
das einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 14 und
eine Brennkammer 16 aufweist. Das Triebwerk 10 enthält auch
eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20,
die in einer seriellen axialen Strömungsbeziehung angeordnet sind.
Der Verdichter 12 und die Turbine 20 sind durch
eine erste Welle 24 gekoppelt, und der Verdichter 14 und
die Turbine 18 sind durch eine zweite Welle 26 gekoppelt.
In einem Ausführungsbeispiel
ist das Gasturbinentriebwerk 10 ein CF34-3-Triebwerk, das
von General Electric Company, Cincinnati, Ohio, kommerziell erhältlich ist.
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Im
Betrieb strömt
die Luft von der stromaufwärts
gelegenen Seite 28 des Triebwerks 10 durch den
Niederdruckver dichter 12. Von dem Niederdruckverdichter 12 wird
die verdichtete Luft dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt. Die
hochverdichtete Luft wird danach der Brennkammeranordnung 16 zugeführt, wo
sie mit Brennstoff gemischt und gezündet wird. Die Verbrennungsgase
werden aus der Brennkammer 16 geleitet, um die Turbinen 18 und 20 anzutreiben.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Brennkammer, wie z.B. der Brennkammer 16,
die mit dem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden kann.
Die Brennkammer 16 enthält
ein inneres Flammrohr 30 und ein äußeres Flammrohr 32.
Das innere und äußere Flammrohr 30 und 32 sind
an dem stromaufwärtsseitigen
Ende 36 durch eine Domanordnung 40 verbunden.
Der in 2 gezeigte Querschnitt ist durch eine aus einer
Vielzahl von Verwirbelungsanordnungen 42 aufgenommen, die
an der Domanordnung 40 angebracht sind. Eine Brennstoffleitung 44 liefert
Brennstoff zu einer Brennstoffeinspritzeinrichtung (nicht gezeigt),
die den Brennstoff einem Einlass 46 der Verwirbelungsanordnung 42 zuführt. Der
Brennstoff wird in der Verwirbelungsanordnung 42 mit Luft
gemischt, und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird aus einem Auslass 48 der
Verwirbelungsanordnung 42 in die Brennkammer 16 eingeleitet.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Domplatte 52, die einen
Teil der Domanordnung 40 bildet. Die Domplatte 52 ist
ein ringförmiges
Element, das ein im Wesentlichen kreisförmiges Profil aufweist. Die
Domplatte 52 enthält
eine Vielzahl von Öffnungen
oder Löchern 54,
die zwischen einem inneren Radius R1 und
einem äußeren Radius
R2 der Domplatte 52 in Umfangsrichtung
mit Abstand angeordnet sind. Die Domplatte 52 weist eine
nach vorne oder stromaufwärts
gerichtete Seite 56 und eine nach hinten oder strom abwärts gerichtete
Seite 58 auf. Eine Buchse oder Dichtungsplatte 60 ist
bei jedem Loch 54 an der Domplatte 52 angebracht.
Die Domplatte 52 enthält
auch einen in Umfangsrichtung verlaufenden inneren Flansch 62 und
einen in Umfangsrichtung verlaufenden äußeren Flansch 64,
die zur Verbindung der Domanordnung 40 mit der Brennkammer 16 verwendet
werden. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Domplatte 52 durch
einen Stanzvorgang gebildet worden, und die Dichtungsplatte 60 ist
auf der Domplatte 52 hartaufgelötet. Das Hartlot wird auf die
hintere Seite 58 der Domplatte 52 aufgebracht
und fließt
auf die vordere Seite 56. Die Hartlötverbindung kann von der vorderen
Seite 56 visuell geprüft
werden, um sicherzustellen, dass die Hartlötverbindung vollständig ist.
Das Hartlöten schafft
eine strukturelle Festigkeit zwischen der Domplatte 52 und
der Dichtungsplatte 60.
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4 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der in 2 gezeigten Domanordnung 40. Die Domanordnung 40 enthält eine
Domplatte 52 mit einer Dichtungsplatte 60, einer
Verwirbelungsanordnung 42 und einer Prallplatte 68.
Die Domplatte 52, die Dichtungsplatte 60 und die
Prallplatte 68 sind an einer axialen Zentrallinie 70 der
Verwirbelungsanordnung 42 koaxial ausgerichtet. Die Verwirbelungsanordnung 42 enthält einen
Primärverwirbeler 74 und einen
Sekundärverwirbeler 76.
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Der
Primärverwirbeler 74 enthält einen
Körper 78,
der von allgemein zylindrischer Form ist und an einem vorderen Ende 80 einen
Brennstoffeinlass 46 aufweist. Der Brennstoffeinlass 46 öffnet sich
in einen Brennstoffeinlasskanal 82 in dem Körper 78.
Der Körper 78 enthält einen
Grundkörper 84 und
einen allgemein kreisförmigen
Flansch 86, der sich von dem Grundkörper 84 aus radial
auswärts
erstreckt. Der Flansch 86 liegt an dem Sekundärverwirbeler 76 an.
In dem Grundkörper 84 sind
eine Vielzahl von Durchgängen 88 ausgebildet.
Die Durchgänge 88 lassen
Luft in den Primärverwirbeler 74 hinein,
die sich mit Brennstoff mischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch zu
einem Verwirbelungsvorgang veranlasst.
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Der
Sekundärverwirbeler 76 enthält einen Venturirohrabschnitt 90,
von dem aus sich ein im Wesentlichen kreisförmiger Flansch 92 radial
erstreckt. Ein mit dem Sekundärverwirbeler 76 gekoppelter Haltering
(nicht gezeigt) hält
den Primärverwirbeler 74 in
gleitendem Kontakt mit dem Sekundärverwirbeler 76. Zwischen
dem Primärverwirbeler 74 und
dem Sekundärverwirbeler 76 ist
eine gewisse Bewegung zulässig,
um den Einbau einer Brennstoffeinspritzvorrichtung an dem Primärverwirbeler 74 zu
erleichtern. Ein Trichterkonusabschnitt 96 ist mit dem
Sekundärverwirbeler 76 einstückig ausgebildet.
Der Trichterkonusabschnitt 96 enthält einen Austrittskonus 98,
einen im Wesentlichen kreisförmigen
Mittelabschnitt 100 und einen im Wesentlichen kreisförmigen Flansch 102.
Eine Vielzahl von Verwirbelerflügeln
bzw. -schaufeln 104 erstreckt sich zwischen dem Flansch 92 und
dem Flansch 102. Die Flansche 92 und 102 bilden
einen Verwirbelerschaufelkanal 106, der das Venturirohr 90 umgibt.
Die Verwirbelerschaufeln 104 sind um den Venturirohrabschnitt 90 herum
in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet und so ausgerichtet, dass
sie die durch den Verwirbelungsschaufelkanal 106 strömende Luft
in eine Wirbelbewegung versetzen. Der Trichterkonusabschnitt 96 enthält einen
Kühlungsluftkreislauf,
der Kühlungsluft
gegen eine Unterseite 110 des Austrittskonus 98 leitet.
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Der
Venturirohrabschnitt 90 enthält eine Außenwand 112 und eine
Innenwand 114, die einen axialen Strömungspfad 116 bilden,
der sich entlang der axialen Zentrallinie 70 der Verwirbelungsanordnung 42 durch
den Venturirohrabschnitt 90 hindurch erstreckt. Der Venturirohrabschnitt 90 enthält einen Durchgang 118 und
einen Venturirohrausgang 120. Der Durchgang 118 weist
ein konvergierend-divergierendes Querschnittsprofil auf, das sich
von einer nach vorne gerichteten Oberfläche 122 des Flansches 92 zu
dem Venturirohrausgang 120 erstreckt. Der Venturirohrdurchgang 118 weist
einen minimalen Durchmesser D1 auf. Der
Venturirohrausgang 120 erstreckt sich in einen Durchgang 130 des
Trichterkonusabschnitts 96 hinein. Der Venturirohrausgang 120 weist
einen Außendurchmesser
D2 auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser
D3 des Durchgangs 130 des Trichterkonusabschnitts 96,
so dass ein Raum 132 den Venturirohrausgang 120 umgibt.
Der Raum 132 steht in Strömungsbeziehung mit dem Verwirbelungsschaufelkanal 106.
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Der
Austrittskonus 98 des Trichterkonus 96 enthält eine
Innenwand 134, die einen Trichterkonusströmungspfad 136 festlegt,
der sich entlang der axialen Zentrallinie 70 der Verwirbelungsanordnung 42 erstreckt.
Der Strömungspfad 136 erreicht
seinen Abschluss an einem Verwirbelerauslass 48. Der Austrittskonus 98 ist
einer Verbrennungszone (nicht gezeigt) innerhalb der Brennkammer 16 ausgesetzt. Der
Trichterkonusabschnitt 96 ist mit einem Kühlungskreislauf
zum Kühlen
des Austrittskonus 98 versehen. Der Flansch 102 enthält Luftlöcher 140,
die um den Umfang 142 des Flansches 102 herum
in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet sind. Innere Kanäle 144,
die in den Flansch 102 und den Mittelabschnitt 100 eingegossen
sind, leiten Kühlungsluft zu
Abgabelöchern 146,
die die Kühlungsluft
zu der Unterseite 110 des Austrittskonus 98 leiten,
um den Austrittskonus 98 und die Prallplatte 68 zu
kühlen.
In einer alternativen Ausführungsform
sind die inneren Kanäle 144 spanabhebend
in den Flansch 102 und den Mittelabschnitt 100 eingearbeitet.
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Die
Prallplatte 68 ist allgemein von zylindrischer Form und
enthält
einen Hitzeablenkabschnitt 150, der sich von einem axialen
Abschnitt 152, der mit der Dichtungsplatte 60 verbunden
ist, radial nach außen
erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Prallplatte 68 mit
der Dichtungsplatte 60 verschweißt. Die Schweißbefestigung
der Prallplatte 68 an der Dichtungsplatte 60 vereinfacht
die Reparatur und den Austausch der Prallplatte 68.
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Die
Domanordnung 40 wird hergestellt, indem zuerst eine Domplatte 52 gestanzt
wird, die eine Vielzahl von im Wesentlichen kreisförmigen Öffnungen
oder Löchern 54 aufweist.
Danach wird an jedem Loch 54 eine Dichtungsplatte 60 auf
die Domplatte 52 hartaufgelötet. Bei dem Hartlötvorgang
wird das Hartlot auf die hintere Seite 58 der Domplatte 52 aufgebracht.
Die Überprüfung der
Hartlötverbindung wird
visuell durchgeführt,
indem man das Vorhandensein des Hartlötfüllmaterials von der vorderen Seite 56 der
Domplatte 52 nach dem Hartlöterhitzungsvorgang feststellt
bzw. bestätigt.
In der beispielhaften Ausführungsform
ist die Verbindung Dichtungsplatte-Domplatte die einzige hartgelötete Verbindung
in der Domanordnung 40, was Wartung und Reparatur vereinfacht
und die Nachbearbeitung verringert. Nachdem die Dichtungsplatte 60 eingebaut worden
ist, wird eine Prallplatte 68 mit der Dichtungsplatte 60 verbunden.
In der beispielhaften Ausführungsform
wird die Prallplatte 68 mit der Dichtungsplatte 60 verschweißt. Die
Dichtungsplatte 60 und die Prallplatte 68 sind
so montiert, dass die Öffnungen
in der Dichtungsplatte 60 und der Prallplatte 68 mit
den Lö chern 54 in
der Domplatte 52 konzentrisch sind.
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Die
Domanordnung 40 wird durch Anbringen einer Verwirbelungsanordnung 42 vollendet,
die zu jeder Dichtungsplatte 60 eine einstückig ausgebildete
Trichterkonusanordnung 96 aufweist. Beim Verbinden der
Verwirbelungsanordnung 42 mit der Dichtungsplatte 60 wird
der Austrittskonus 98 der Trichterkonusanordnung 96 durch
die Öffnungen
in den Augen 54, der Dichtungsplatte 60 und der
Prallplatte 68 hindurch geführt. In der beispielhaften
Ausführungsform
wird die Verwirbelungsanordnung 42 mit der Dichtungsplatte 60 verschweißt.
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Während des
Betriebs wird dem Einlass 46 des Primärverwirbelers 74 Brennstoff
zugeführt.
Der Brennstoff wird mit Luft gemischt, und das Brennstoff-Luft-Gemisch
wird stromabwärts
durch den Venturirohrabschnitt 90 des Sekundärverwirbelers 76 geführt. Das
Brennstoff-Luft-Gemisch verlässt
den Venturirohrabschnitt 90 und wird mit verwirbelter Luft
aus dem Verwirbelerschaufelkanal 106 gemischt. Der Trichterkonusabschnitt 96 empfängt verwirbelte
Luft aus dem Verwirbelerschaufelkanal 106 und ein Brennstoff-Luft-Gemisch
aus dem Venturirohrabschnitt 90, das sich in die Öffnung 130 des
Trichterkonusabschnitts 96 hinein entlädt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch
wird radial nach außen
verbreitet, wenn es durch den Austrittskonus 98 aus der
Verwirbelungsanordnung 42 austritt und in eine Verbrennungszone
innerhalb der Brennkammer 16 eintritt. Die Kühlungsluft
wird durch den Flansch 102 geleitet und zwischen der Prallplatte 68 und
der Unterseite 110 des Austrittskonus 98 abgegeben.
Spezieller wird die Kühlungsluft
durch die Kanäle 144 in
dem Flansch 102 geführt
und an die Unterseite 110 des Austrittskonus 98 geleitet.
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Die
oben beschriebene Domanordnung für eine
Gasturbinentriebwerksbrennkammer ist kostengünstig und zuverlässig. Die
Domanordnung wird mit nur einer Hartlötverbindung hergestellt, was
die Wartung und Reparatur vereinfacht und die Nachbearbeitung während der
Anfangsmontage verringert. Die Unversehrtheit der Hartlötverbindung
kann nach dem Hartlötofenerhitzungsvorgang
visuell überprüft werden.
Die Domanordnung enthält
eine Verwirbelungsanordnung, die einen einstückigen Trichterkonus aufweist,
der einen Kühlungskreis
zum Kühlen
des Trichterkonus und der Prallplatte enthält. Als eine Folge davon werden
die Herstellungskosten der Domanordnung verringert, während die
Wartbarkeit und Zuverlässigkeit
verbessert werden.
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Eine
Domanordnung 40 für
eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer 16 wird geschaffen,
die wenigstens eine Verwirbelungsanordnung 42 enthält, die
einen Primärverwirbeler 74 und
einen Sekundärverwirbeler 76 aufweist.
Der Sekundärverwirbeler
ist mit einem Trichterkonus 96 einstückig ausgebildet, und der Sekundärverwirbeler
enthält
einen darin ausgebildeten Kühlungskreis 140, 144, 146,
der Kühlungsluft
zu dem Trichterkonus hin kanalisiert.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
von Brennkammerdomanordnungen sind oben im Detail beschrieben. Die
Anordnungen sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern vielmehr können
die Komponenten jeder Anordnung unabhängig und getrennt von anderen
hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Jede Komponente
der Domanordnung kann auch in Verbindung mit anderen Domanordnungskomponenten
verwendet werden.
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Während die
Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezielle Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung
innerhalb des Geistes und Bereiches der Ansprüche auch mit Abwandlungen in
die Praxis umgesetzt werden kann.
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- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 12
- Niederdruckverdichter
- 14
- Hochdruckverdichter
- 16
- Brennkammer
- 18
- Hochdruckturbine
- 20
- Niederdruckturbine
- 24
- welle
- 26
- Welle
- 30
- Inneres
Flammrohr
- 32
- Äußeres Flammrohr
- 36
- Stromaufwärtsseitiges
Ende
- 40
- Domanordnung
- 42
- Verwirbelungsanordnung
- 44
- Brennstoffleitung
- 46
- Einlass
- 48
- Auslass
- 52
- Domplatte
- 54
- Loch
- 56
- Vordere
Seite
- 58
- Hintere
Seite
- 60
- Dichtungsplatte
- 62
- Innerer
Flansch
- 64
- Äußerer Flansch
- 68
- Prallplatte
- 70
- Axiale
Zentrallinie
- 74
- Primärverwirbeler
- 76
- Sekundärverwirbeler
- 78
- Körper
- 80
- Vorderes
Ende
- 82
- Brennstoffeinlasskanal
- 84
- Grundkörper
- 86
- Kreisförmiger Flansch
- 88
- Durchgang
- 90
- Venturirohrabschnitt
- 92
- Kreisförmiger Flansch
- 96
- Trichterkonusabschnitt
- 98
- Austrittskonus
- 100
- Mittelabschnitt
- 102
- Kreisförmiger Flansch
- 104
- Verwirbelerschaufel
- 106
- Verwirbelerschaufelkanal
- 110
- Unterseite
- 112
- Außenwand
- 114
- Innenwand
- 116
- Axialer
Strömungspfad
- 118
- Durchgang
- 120
- Venturirohrausgang
- 122
- Nach
vorne gerichtete Oberfläche
- 130
- Durchgang
- 132
- Raum
- 134
- Innenwand
- 136
- Strömungspfad
- 140
- Luftloch
- 142
- Umfang
- 144
- Innerer
Kanal
- 146
- Abgabeloch
- 150
- Hitzeablenkabschnitt
- 152
- Axialer
Abschnitt