DE102013220482B3

DE102013220482B3 - Haltevorrichtung zur wärmeausdehnungskompensierenden, klemmenden Fixierung eines hitzebeständigen Wandelements einer Brennkammer

Info

Publication number: DE102013220482B3
Application number: DE201310220482
Authority: DE
Inventors: Tim Richter; Thomas Behrendt; Tobias Conzen
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-10-11

Abstract

Haltevorrichtung zur wärmeausdehnungskompensierenden, klemmenden Fixierung eines hitzebeständigen, insbesondere keramischen Wandelements (18) als insbesondere Wandisolationselement für eine vorzugsweise metallische Brennkammer, z. B. einer Gasturbine oder einem Flugtriebwerk, mit – einem Halteelement (16), – einer ersten Gruppe (30) von Federelementen (26) und einer zweiten Gruppe (32) von Federelementen (28), wobei die Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) einen Abstand zu den Federelementen (28) der zweiten Gruppe (32) aufweisen, – wobei jedes Federelement (26, 28) strangförmig ist und ein mit dem Halteelement (16) verbundenes Anbringungsende (34) sowie ein freies Ende (36) aufweist, – wobei jedes Federelement (26, 28) ferner mit einem Anlagebereich (38) versehen ist, wobei die Anlagebereiche (38) der ersten Gruppe (30) von Federelementen (26) und die Anlagebereiche (38) der zweiten Gruppe (32) von Federelementen (28) zwischen sich einen Aufnahmeraum (40) zur Aufnahme des Wandelements (18) unter Anlage der Federelemente (26, 28) in deren Anlagebereichen (38) an dem Wandelement (18) bei reversibler Aufspreizung der Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) bilden, – wobei die Anbringungsenden (34) der Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) von denen der Federelemente (28) der zweiten Gruppe (32) einen ersten Abstand aufweisen, – wobei bei in dem Aufnahmeraum (40) befindlichem Wandelement (18) die Anlagebereiche (38) der Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) von denen der Federelemente (28) der zweiten Gruppe (32) einen zweiten Abstand aufweisen und – wobei die Relation dieser beiden Abstände so gewählt ist, dass die Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) bei thermischer Ausdehnung des Halteelements (16) und des Wandelements (18) innerhalb einer vorgebbaren Betriebstemperatur stets mit einer vorgebbaren Mindestanlagespannung an dem Wandelement (18) anliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung zur wärmeausdehnungskompensierenden, klemmenden Fixierung eines hitzebeständigen, insbesondere keramischen Wandelements einer Brennkammer oder allgemeiner ausgedrückt, einer Heißgaskammer, z. B. einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks.
Brennkammern oder andere Heißgaskammern sind in hohem Maße thermischen Belastungen ausgesetzt. Um die Brennkammerwand vor diesen Belastungen zu schützen, ist es bekannt, die Brennkammerwand zu kühlen bzw. durch hitzebeständige Auskleidungselemente oder durch hitzebeständige Wandelemente zu schützen. Beispiele hierfür sind in DE 36 25 056 A1 , EP 0 895 027 B1 , EP 1 128 131 A1 und EP 1 635 118 A2 beschrieben.
Als feuerfeste Wandelemente haben sich insbesondere solche aus keramischem Werkstoff bewährt. Allerdings ist es nicht ganz unproblematisch, Wandelemente aus keramischen Werkstoffen mit metallischen Tragstrukturen dauerhaft und zuverlässig mechanisch zu verbinden. Hier sei insbesondere als ein Problem der deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizient dieser beiden Materialtypen genannt.
Aus GB 2 441 737 A und DE 43 19 843 A1 sind Klemmhalterungen für Bauteile von Möbelstücken bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Haltevorrichtung zur wärmeausdehnungskompensierenden, klemmenden Fixierung eines hitzebeständigen, insbesondere keramischen Wandelements einer Brennkammer, z. B. einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Haltevorrichtung zur wärmeausdehnungskompensierenden, klemmenden Fixierung eines hitzebeständigen, insbesondere keramischen Wandelements einer Brennkammer, z. B. einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, vorgeschlagen, wobei die Haltevorrichtung versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt also sinngemäß vor, das Wandelement federelastisch zu halten. Hierzu schlägt die Erfindung ein Halteelement vor, von dem zwei Gruppen von insbesondere geschwungenen Federelementen abstehen, wobei das zu fixierende Wandelement von den Federelementen beider Gruppen beidseitig klemmend eingeschlossen wird.
Jedes Federelement ist dabei vorzugsweise strangförmig ausgebildet, kann also band-, stab-, stift- oder zungenförmig ausgebildet sein. An ihren Anbringungsenden können die Federelemente entweder einstückig in das Halteelement übergehen oder aber auf andere Art und Weise mechanisch am Halteelement gehaltert sein.
Jedes Federelement ist darüber hinaus vorzugsweise nahe seinem freien Ende, das dem Halteelement gegenüberliegt, mit einem Anlagebereich versehen, der beispielsweise punkt-, linien- oder flächenförmig ausgebildet ist und innerhalb dessen das Federelement mit Vorspannkraft gegen das Wandelement drückt.
Die kammartig angeordneten Federelemente beider Gruppen können jeweils längs eines Bogens, einer Geraden, eines Kreises o. dgl. längs einer ringförmigen Linie angeordnet sein. Es ist möglich, dass das Halteelement mit seinen ”Federelementkämmen” ein einziges oder aber auch mehrere Wandelemente fixiert.
Erfindungsgemäß weisendie Anbringungsenden der Federelemente der ersten Gruppe von denen der Federelemente der zweiten Gruppe einen ersten Abstand auf, wobei bei in dem Aufnahmeraum befindlichem Wandelement die Anlagebereiche der Federelemente der ersten Gruppe von denen der Federelemente der zweiten Gruppe einen zweiten Abstand aufweisen und wobei die Relation dieser beiden Abstände so gewählt ist, dass die Federelemente beider Gruppen bei thermischer Ausdehnung des Halteelements und des Wandelements innerhalb einer vorgebbaren Betriebstemperatur stets mit einer vorgebbaren Mindestanlagespannung an dem Wandelement anliegen. Das Halteelement inklusive der Federelemente besteht zweckmäßigerweise aus einem metallischen Werkstoff, der ausreichend hitzebeständig ist. Das Halteelement dehnt sich in der Dimension, in der der Abstand der Anbringungsenden der Federelemente beider Gruppen liegt, thermisch bedingt aus. Damit verändert sich auch der Abstand der Anlagebereiche der Federelemente beider Gruppen. Die Dimensionierung dieser Abstände ist nun so gewählt, dass unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich das Wandelement nicht in dem gleichen Maße wie das Halteelement ausdehnt, die Federelemente immer noch mit ausreichender Spannkraft an dem Halteelement anliegen (und zwar über den gesamten zulässigen Temperaturbereich betrachtet, dem Halteelement und Auskleidungselement während des Betriebs der Brennkammer ausgesetzt sind).
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Federelemente beider Gruppen zumindest von ihren Anlagebereichen zu ihren Enden hin und insbesondere beidseitig ihrer Anlagebereiche von dem Aufnahmeraum wegweisend verlaufen. Insoweit bildet sich also zwischen den freien Enden der Federelemente beider Gruppen ein Einführbereich aus, der das Einschieben des Auskleidungselements zwischen die beiden ”Federelementkämme” erleichtert.
Für eine materialschonende Kontaktierung der Federelemente mit dem Wandelement ist es zweckmäßig, wenn die Federelemente beider Gruppen innerhalb ihrer Anlagebereiche vom Aufnahmeraum aus betrachtet konvex gekrümmt sind, wobei hierbei zweckmäßigerweise vorgesehen sein kann, dass die Federelemente beider Gruppen zwischen ihren Anbringungsenden und ihren freien Enden wellenförmig verlaufen, wobei die Wellenform der Federelemente der ersten Gruppe gegensinnig zur Wellenform der Federelemente der zweiten Gruppe unter Annäherung der Anlagebereiche der Federelemente beider Gruppen verlaufen.
Bei dem erfindungsgemäß gehaltenen Wandelement der Brenn- bzw. Heißgaskammer kann es sich sowohl um einen strukturellen Bestandteil der Kammerwand als auch um eine Auskleidung der Kammer handeln. Gemäß dieser zweiten Alternative kann das Wandelement also ein hitzebeständiges, insbesondere keramisches Auskleidungselement als insbesondere Wandisolationselement für eine vorzugsweise metallische Brennkammer oder, allgemein ausgedrückt, eine Heißgaskammer sein.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
1 schematisch eine Brennkammer beispielsweise einer Gasturbine,
2 einen Teilabschnitt eines in diesem Ausführungsbeispiel ringförmigen Halte- bzw. Klemmelements zur Fixierung eines oder mehrerer keramischer Auskleidungselemente in der Brennkammer und
3 die Darstellung des Halteelements, ohne dass von ihm ein Auskleidungselement gehalten ist.
1 zeigt einen Ausschnitt einer Turbine, und zwar deren Brennkammer 10, die ein Gehäuse 12 aufweist. Im Bereich des Einlasses 14 der Brennkammer 10 befindet sich ein in diesem Ausführungsbeispiel ringförmiges Halteelement 16, an dem ein oder mehrere keramische (Auskleidungs-)Wandelemente 18 gehalten sind. Durch das oder die keramischen Wandelemente 18 werden außenliegende Bauteile der Brennkammer 10 wie z. B. deren Gehäuse 12 vor einem Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen geschützt.
Abschnitte des Halteelements 16 sind in den 2 und 3 gezeigt. Danach weist das Halteelement 16 eine Basisplatte (in diesem Fall ein Basisring) 20 auf, von dessen beiden (Außen- und Innen-)Rändern 22, 24 eine Vielzahl von Stabfedern 26, 28 abstehen. Die Stabfedern 26 am (Außen-)Rand 22 der Basisplatte 20 bilden eine erste Gruppe 30 von Federelementen, während die Stabfedern 28 am (Innen-)Rand 24 der Basisplatte 20 eine zweite Gruppe 32 von Federelementen bilden. Jede Stabfeder 26, 28 weist dabei ein Anbringungsende 34 sowie ein freies Ende 36 auf, das dem mit der Basisplatte 20 verbundenen Anbringungsende 34 gegenüberliegt. Die Stabfedern 26, 28 sind wellenförmig geschwungen und weisen nahe ihrer freien Enden 36 Anlagebereiche 38 auf, in denen die Stabfedern 26, 28 an ihren einander zugewandten Innenseiten konvex gekrümmt sind.
Zwischen den Stabfedern 26, 28 bildet sich ein Aufnahmeraum 40 aus, der in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ist, aber auch geradlinig bzw. grundsätzlich beliebig gekrümmt geformt oder bogenförmig sein kann. Der Aufnahmeraum 40 weist einen Einführbereich 42 auf, der von den nach außen gebogenen freien Enden 36 der Stabfedern 26, 28 der beiden Gruppen 30, 32 gebildet ist. Im Bereich zwischen den Anbringungsenden 34 der Stabfedern 26, 28 befindet sich vorzugsweise noch ein Dichtelement 44 (beispielsweise als ”Dichtschnur” in Form z. B. eines Faserbündels oder eines mit keramischem Pulver gefüllten Fasergeflechts ausgeführt), an dem das bzw. die Auskleidungselemente 18 stirnseitig anliegt/anliegen. Das Dichtelement 44 kann von zwei von der Basisplatte 20 aufragenden Rippen 46 eingeschlossen sein.
Ein Wesensmerkmal der Erfindung ist in den beidseitig auf das zu haltende Bauteil (keramisches Auskleidungselement) wirkenden geschwungenen Stabfedern 26, 28 zu sehen. Die geschwungenen Stabfedern 26, 28 werden in großer Zahl in zwei Gruppen längs des Halteelements und damit beidseitig des zu haltenden bzw. zu führenden Bauteils angeordnet, um dieses Bauteil eingespannt zu halten. Über die Dicke, Länge sowie über die Anzahl der geschwungenen Stabfedern 26, 28 kann die Festigkeit der Einspannung an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden. Dehnt sich das Bauteil, auf dem das Halteelement montiert ist, im Vergleich zu dem zu haltenden bzw. führenden Bauteil aus, so wird die Bewegung durch die flexiblen Stabfedern 26, 28 ermöglicht. Die zentrierende Wirkung der Stabfedern 26, 28 bleibt dabei erhalten. Durch den Einsatz des Dichtelements 44 am Fuß des Halteelements 16 kann das zu haltende bzw. zu führende Bauteil auch dichtend am Halteelement 16 anliegen. Die auf das Dichtelement wirkende Andrückkraft für die Dichtung muss dabei durch eine zusätzliche axiale Kraft erfolgen, was hier nicht näher beschrieben werden soll. Die Fertigung des Halteelements mit den Stabfedern als einteiliges Bauteil erfolgt beispielsweise durch generatives Laserschweißen o. dgl. Metalldruckverfahren. Das Halteelement 16 selbst kann dann in beispielsweise der Brennkammer durch eine Verschraubung o. dgl. mechanische Verbindung fixiert werden.
Statt für ein Auskleidungselement einer Brennkammer kann die erfindungsgemäße Halterung auch für ein Brennkammerwandelement vorgesehen sein. Das insbesondere keramische Wandelement (bzw. Auskleidungselement) kann monolithisch oder faserverstärkt sein, also z. B. aus keramischen Fasern in einer ebenfalls keramischen Matrix bestehen.

Claims

Haltevorrichtung zur wärmeausdehnungskompensierenden, klemmenden Fixierung eines hitzebeständigen, insbesondere keramischen Wandelements (18) als insbesondere Wandisolationselement für eine vorzugsweise metallische Brennkammer, z. B. einer Gasturbine oder einem Flugtriebwerk, mit – einem Halteelement (16), – einer ersten Gruppe (30) von Federelementen (26) und einer zweiten Gruppe (32) von Federelementen (28), wobei die Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) einen Abstand zu den Federelementen (28) der zweiten Gruppe (32) aufweisen, – wobei jedes Federelement (26, 28) strangförmig ist und ein mit dem Halteelement (16) verbundenes Anbringungsende (34) sowie ein freies Ende (36) aufweist, – wobei jedes Federelement (26, 28) ferner mit einem Anlagebereich (38) versehen ist, wobei die Anlagebereiche (38) der ersten Gruppe (30) von Federelementen (26) und die Anlagebereiche (38) der zweiten Gruppe (32) von Federelementen (28) zwischen sich einen Aufnahmeraum (40) zur Aufnahme des Wandelements (18) unter Anlage der Federelemente (26, 28) in deren Anlagebereichen (38) an dem Wandelement (18) bei reversibler Aufspreizung der Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) bilden, – wobei die Anbringungsenden (34) der Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) von denen der Federelemente (28) der zweiten Gruppe (32) einen ersten Abstand aufweisen, – wobei bei in dem Aufnahmeraum (40) befindlichem Wandelement (18) die Anlagebereiche (38) der Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) von denen der Federelemente (28) der zweiten Gruppe (32) einen zweiten Abstand aufweisen und – wobei die Relation dieser beiden Abstände so gewählt ist, dass die Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) bei thermischer Ausdehnung des Halteelements (16) und des Wandelements (18) innerhalb einer vorgebbaren Betriebstemperatur stets mit einer vorgebbaren Mindestanlagespannung an dem Wandelement (18) anliegen.
Haltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) hitzebeständiges, federelastisches, metallisches Material aufweisen.
Haltevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) zumindest von ihren Anlagebereichen (38) zu ihren Enden (34, 36) hin und insbesondere beidseitig ihrer Anlagebereiche (38) von dem Aufnahmeraum (40) wegweisend verlaufen.
Haltevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) innerhalb ihrer Anlagebereiche (38) vom Aufnahmeraum (40) aus betrachtet konvex gekrümmt sind.
Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) zwischen ihren Anbringungsenden (34) und ihren freien Enden (36) wellenförmig verlaufen, wobei die Wellenform der Federelemente (26) der ersten Gruppe (30) gegensinnig zur Wellenform der Federelemente (28) der zweiten Gruppe (32) unter Annäherung der Anlagebereiche (38) der Federelemente (26, 28) beider Gruppen (30, 32) verlaufen.