-
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Ausgestaltungen von Gasturbinenbrennkammern bekannt, die jedoch insgesamt nach einem gleichen Grundprinzip aufgebaut sind. Dabei ist eine Brennkammeraußenwand vorgesehen, welche aus einem umgeformten Metallblech gefertigt ist. In diese äußere Brennkammerwand sind Prallkühllöcher eingebracht, üblicherweise mittels eines Bohrverfahrens. An der äußeren Brennkammerwand sind Schindeln befestigt, die mittels Bolzen und Schrauben fixiert sind. In gleicher Weise ist eine innere Brennkammerwand ausgebildet. Zur Aufhängung der Brennkammer dienen Flansche, welche mit einer Brennkammeraufhängung verbunden sind. Diese Teile sind beispielsweise als separate Schmiedeteile hergestellt und mit der äußeren bzw. der inneren Brennkammerwand verschweißt. Auch ein Brennkammerkopf, eine Kopfplatte sowie ein Hitzeschild sind jeweils als separate Bauteile hergestellt, meist als Gussteile. Die benötigten Kühllöcher im Hitzeschild werden ebenso mittels eines Bohrverfahrens hergestellt, wie Luftzuführlöcher in der Kopfplatte. Das Brennkammergehäuse wird mit dem Hitzeschild und dem Brennkammerkopf sowie der Kopfplatte verbunden, teils mittels Schraubverbindungen, teils durch Verschweißen.
-
Es ergibt sich, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Herstellungsweise eine sehr große Anzahl von Einzelteilen benötigt und einen sehr großen Aufwand für die Fertigung mit sich bringt. Es sind insbesondere für die vielen Bauteile viele unterschiedliche Fertigungsverfahren erforderlich, welche viele Fertigungsschritte benötigen. Hierdurch ergibt sich weiterhin der Nachteil, dass sich Ungenauigkeiten und Maßabweichungen in der Fertigung summieren. Auch durch die Notwendigkeit, eine Vielzahl von Kühlluftlöchern in der Brennkammerwand und den Schindeln auszubilden, ergibt sich ein hoher zusätzlicher Fertigungsaufwand. All dies führt auch zu sehr hohen Kosten bei der Herstellung einer Gasturbinenbrennkammer.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher Anwendbarkeit den erforderlichen Fertigungsaufwand reduzieren, die Präzision der Herstellung der Brennkammer erhöhen und zu einer deutlichen Kostensenkung führen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Kopfplatte sowie mit einer äußeren und einer inneren Brennkammerwand, wobei diese einwandig oder doppelwandig, d. h. mit in die Brennkammerwand integrierter Funktion der Schindel, ausgeführt sein kann, welche einstückig mittels eines DLD-Verfahrens ausgebildet ist. Entsprechend ist hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der Brennkammer vorgesehen, dass diese zumindest mit der Kopfplatte und der äußeren und der inneren Brennkammerwand einstückig mittels des DLD-Verfahrens (direct laser deposition, Laserauftragsschmelzverfahren) hergestellt wird.
-
In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Brennkammer einen U-förmigen Querschnitt aufweist und entweder einstückig mittels des DLD-Verfahrens hergestellt wird oder aus einzelnen, einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden, miteinander verschweißten Segmenten zusammengesetzt ist, welche jeweils mittels des DLD-Verfahrens hergestellt sind. Dabei umfassen die Segmente sinnvollerweise mindestens einen Brennkammersektor, können sich aber auch über mehrere Sektoren erstrecken, wobei als Brennkammersektor die sich wiederholende Teilung auf der Basis der Kraftstoffdüsen definiert ist.
-
Bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden DLD-Verfahren wird ein üblicherweise aus metallischen Komponenten bestehendes pulverartiges Grundmaterial mittels eines Lasers oder Elektronenstrahls schichtweise aufgeschmolzen, so dass ein dreidimensionales Werkstück erzeugt wird, welches eine hohe Präzision aufweist und nicht oder nur noch unwesentlich nachbearbeitet werden muss. Mittels des DLD-Verfahrens ist es insbesondere möglich, hochkomplexe Geometrien mit Ausnehmungen, Hohlräumen und/oder Hinterschneidungen zu erzeugen, so wie dies durch eine konventionelle Fertigung nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich wäre.
-
In besonders günstiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Brennkammerflansch und/oder eine Brennkammeraufhängung einstückig mit der Brennkammer mittels des DLD-Verfahrens hergestellt werden. Dabei kann es günstig sein, den Brennkammerflansch und/oder die Brennkammeraufhängung mit einem Aufmaß herzustellen und nachfolgend passend an die Einbausituation fertig zu bearbeiten.
-
Bei einem Aufbau der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer aus einzelnen, mit einem U-förmigen Querschnitt versehenen Segmenten kann es vorteilhaft sein, wenn an den Fügebereichen der Segmente stegartige Bereiche ausgebildet sind, welche ein Zusatz-Werkstoffvolumen für den nachfolgenden Schweißvorgang bilden. Somit ist es beim Fügen der einzelnen Segmente nicht erforderlich, Zusatzwerkstoff einzubringen. Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfachung des Schweißverfahrens.
-
Die Fügestellen können dabei in einer Ebene liegen, was fertigungstechnisch vorteilhaft ist, es ist aber auch denkbar, die Trennstellen der Sektoren den traditionellen Gestaltungsregeln für Schindeln folgen zu lassen, die keine Trennstellen durch Mischlöcher vorsehen. Die sich ergebenden Fügelinien stellen eine mehr oder weniger in Umfangsrichtung gebogene Line dar, die auf der Ober- und Unterseite gegenläufig sein kann.
-
Erfindungsgemäß sind auch Kühlluftlöcher, Löcher für Befestigungspunkte, Zumischlöcher, Löcher für Zündkerzen und/oder Löcher für Sensoren oder ähnliches, mittels des DLD-Verfahrens hergestellt. Weitere, zusätzliche Bearbeitungsschritte können somit gänzlich entfallen. Weiterhin ist es möglich, die einzelnen Löcher oder Ausnehmungen mit beliebigen Querschnitten und in beliebiger Orientierung zu erzeugen. Dies ermöglicht gestalterische Maßnahmen, die mittels konventioneller Fertigungsverfahren nicht oder nur bedingt realisierbar wären.
-
In günstiger Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer ist es möglich, einen Brennkammerkopf entweder als Vollring auszubilden und mit der Gasturbinenbrennkammer zu verbinden oder den Brennkammerkopf segmentiert herzustellen. Die mittels des DLD-Verfahrens hergestellte Kopfplatte ist bevorzugterweise mit formschlüssigen Positioniermitteln (Anschlagflächen, Federflächen und ähnlichem) versehen, um eine exakte Positionierung des Brennkammerkopfes zu gewährleisten.
-
Erfindungsgemäß ist somit weiterhin vorgesehen, dass die Segmente oder Teilsegmente nicht nur entweder die obere oder die untere Brennkammerwand umfassen, sondern auch zumindest einen Teil des Brennkammerkopfes und/oder der Kopfplatte und/oder des Hitzeschildes. Somit sind unterschiedlichste Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Brennkammer möglich, welche hinsichtlich des additiven Herstellungsverfahrens in optimaler Weise an die jeweilige Brennkammergeometrie anpassbar sind. In geeigneter Weise kann eine Montagemöglichkeit für die Brennerdichtung geschaffen werden, indem Ausnehmungen vorgesehen sind, durch welche die Brennerdichtung während des Montagevorgangs einschiebbar ist.
-
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die Segmente oder Teilsegmente, bezogen auf eine Brennkammermittelachse, zu teilen oder als Teilungsebene eine Ebene vorzusehen, welche oberhalb oder unterhalb der Brennkammermittelsachse angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer als Ringbrennkammer ausgebildet ist, welche zu der Maschinenachse geneigt ist. Es handelt sich somit bei der Brennkammer um eine Ringform, deren jeweilige Brennkammermittelachse in einem Winkel zur Triebwerksmittelachse der Gasturbine geneigt ist. Bezogen auf die Ringform der Brennkammer bilden somit die einzelnen Brennkammermittelachsen der jeweiligen Schnittansichten eine konusförmige Hüllkurve. Dies bedeutet, dass die einzelnen Brennkammermittelachsen auf einem um die Maschinenachse rotationssymmetrischen Konus angeordnet sind.
-
Der Begriff „obere und untere Teile der Brennkammer” beziehen sich auf die in den Ausführungsbeispielen gewählten Schnittansichten, welche entsprechend ihrer Einbaulage ausgerichtet sind und auf die Triebwerksmittelachse bezogen sind.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 ein Gasturbinentriebwerk zur Verwendung der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer,
-
2 eine vergrößerte schematisierte Detail-Schnittansicht einer Brennkammer gemäß dem Stand der Technik,
-
3 eine vereinfachte Teil-Schnittansicht des kopfseitigen Endbereichs einer erfindungsgemäßen Brennkammer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
-
4 eine Ansicht, analog 3, in Explosionsansicht,
-
5 eine vergrößerte Detail-Ansicht, analog den 3 und 4, eines abgewandelten Ausführungsbeispiels,
-
6 eine Ansicht analog 5, eines weiteren Ausführungsbeispiels,
-
7 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennkammerkopfs mit Kopfplatte,
-
8 eine schematische Seitenansicht zu dem Ausführungsbeispiel der 7,
-
9 eine vereinfachte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkammer mit voll integrierten Segmenten mit Kopfplatte, und
-
10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausgestaltungsvariante.
-
Das Gasturbinentriebwerk 110 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 110 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 111, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 112, einen Mitteldruckkompressor 113, einen Hochdruckkompressor 114, eine Brennkammer 115, eine Hochdruckturbine 116, eine Mitteldruckturbine 117 und eine Niederdruckturbine 118 sowie eine Abgasdüse 119, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksmittelachse 101 angeordnet sind.
-
Der Mitteldruckkompressor 113 und der Hochdruckkompressor 114 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 120 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 121 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 113, 114 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 122 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 125 vorstehen, die mit Naben 126 der Hochdruckturbine 116 bzw. der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt sind.
-
Die Turbinenabschnitte 116, 117, 118 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 123, die radial nach innen vom Gehäuse 121 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 116, 117, 118 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 124, die nach außen von einer drehbaren Nabe 126 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 125 und die darauf angeordneten Schaufeln 122 sowie die Turbinenrotornabe 126 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 124 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksmittelachse 101.
-
Die 2 zeigt in schematischer vergrößerter Darstellung eine Schnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Brennkammer umfasst ein Hitzeschild 2 sowie einen Brennkammerkopf 3, die, ebenso wie eine Brennerdichtung 4 als separate Bauteile gefertigt sind. Weiterhin weist die Brennkammer 1 eine Kopfplatte 13 auf, welche ebenfalls als separates Bauteil hergestellt ist. An die Kopfplatte 13 schließen sich eine äußere Brennkammerwand 30 sowie eine innere Brennkammerwand 31 an. Die Brennkammerwände 30 und 31 sind als separate Teile aus geformtem Metallblech gefertigt und mit gebohrten Prallkühllöchern versehen. Die Aufhängung der Brennkammer 1 erfolgt mittels einer Brennkammeraufhängung 25 und Brennkammerflanschen 26, welche ebenfalls als separate Teile, üblicherweise als Schmiedeteile hergestellt sind und mit den Brennkammerwänden 30 und 31 verschweißt sind.
-
Der Brennkammerkopf 3, die Kopfplatte 13 und das Hitzeschild 2, sind, wie erwähnt, als separate Bauteile hergestellt, üblicherweise mittels eines Gussverfahrens. In nachfolgenden Verfahrensschritten ist es erforderlich, Kühllöcher auszubilden, insbesondere im Hitzeschild. Luftdurchtrittslöcher in der Kopfplatte 13 werden ebenfalls üblicherweise gebohrt.
-
Zur thermischen Isolierung der äußeren und der inneren Brennkammerwand 30, 31 werden Schindeln 29 verwendet, welche einzeln hergestellt werden und mit Effusionslöchern versehen sind. Die Effusionslöcher werden üblicherweise gebohrt, während die Schindeln 29 als Gussteile hergestellt werden. Die Schindeln 29 werden mittels Bolzen 27 und Muttern 28 mit der äußeren und der inneren Brennkammerwand 30, 31 verschraubt oder auf andere Weise befestigt. Es ergibt sich somit, dass ein sehr komplexer Aufbau aus einer Vielzahl von einzeln hergestellten Bauelementen vorliegt. Sowohl zu deren Herstellung als auch zur Endmontage der Brennkammer ist ein erheblicher Arbeitsaufwand erforderlich, der hohe Kosten mit sich bringt. Zudem addieren sich Maßungenauigkeiten der einzelnen Bauteile, so dass besondere zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um präzise Dimensionierungen der Brennkammer zu realisieren.
-
Die 3 und 4 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungsvariante. Bei dieser ist die heiße Brennkammerwand 6 einstückig mit der kalten Brennkammerwand 7 ausgebildet, wobei, wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, eine Teilung der Brennkammerwände symmetrisch zu einer Brennkammermittellinie 42 erfolgt. Der Brennkammerkopf 3 ist nicht-geteilt ausgebildet und einstückig mit der oberen doppelwandigen Brennkammerwand hergestellt, während das Hitzeschild 2 und die Kopfplatte 13 einstückig mit der unteren doppelwandigen Brennkammerwand ausgebildet sind. Die 4 zeigt, dass beim Zusammenbau ein Abstandsring 36, die Brennerdichtung 4 sowie ein Befestigungsring 37 für die Brennerdichtung 4 montiert werden. Die Befestigung erfolgt dann mittels Schrauben 38 und Gewindebolzen 39. Die Schraube 38 wird in ein Gewinde 41 der Kopfplatte 13 eingeschraubt, während der Gewindebolzen 39 mittels einer Mutter 40 fixiert wird, so wie sich dies aus der Darstellung der 3 ergibt. Das Bezugszeichen 35 bezeichnet eine Treibstoffdüse.
-
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, den in den 3 und 4 gezeigten Aufbau umzukehren, so dass die untere Brennkammerwand den Brennkammerkopf 3 umfasst, während die obere Brennkammer die Kopfplatte 13 und das Hitzeschild 2 umfasst. In beiden Fällen müssen, wie sich aus den 3 und 4 ergibt, die Grundplatte 13 und die Brennerdichtung 4 zusammen mit dem Abstandsring 36 und dem Befestigungsring 37 montiert werden, bevor eine endgültige Montage erfolgt.
-
Die 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Brennerdichtung 4 L-förmig ausgebildet ist und mittels einer Aufnahme 43 an dem Hitzeschild 2 befestigt ist.
-
Die 6 zeigt in analoger Darstellung eine alternative Aufnahme der Brennerdichtung 4 in einer Doppel-L-Form. Erfindungsgemäß ergeben sich somit vielfältigste Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten, um die Brennerdichtung zu lagern und zu montieren.
-
Die 10 zeigt das den 5 und 6 zugrundeliegende Grundprinzip, bei welchem die Brennkammersegmente oder die gesamte Ringbrennkammer entlang der Brennermittellinie 42 unterteilt sind. Wie sich bereits aus den 5 und 6 ergibt, ist dabei der Brennkammerkopf 3 ebenso mittig geteilt, wie die Grundplatte 13. Auch das Hitzeschild 2 kann hälftig als integraler Bestandteil ausgebildet sein. Insbesondere aus der 10 ist deutlich ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Brennkammerformen besonders günstig für ein additives Herstellungsverfahren, beispielsweise ein DLD-Verfahren, ausgestaltet sind. Durch diese hälftige Ausbildung des Brennkammerkopfes 3 und des Hitzeschildes 2 ist es möglich, die Brennerdichtung 4 vor dem Zusammenfügen der oberen und der unteren Hälfte der Brennkammerwand in die untere Hälfte in eine geeignete, in die Kopfplatte integrierte Brennerdichtungsaufnahme 43 einzulegen und dann die obere Hälfte der Brennkammer zu montieren, so wie dies beispielsweise in 5 gezeigt ist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, analog 4 einen Befestigungsring 37 und einen Abstandsring 36 über ein Zugangsloch 45 (s. 7) im Brennkammerkopf 3 einzubauen. Die beiden Hälften der Brennkammer werden dann gegeneinander in geeigneter Weise montiert und gefügt, beispielsweise verschweißt. Alternativ hierzu ist es auch möglich, mittels einer separaten Kopfplatte 44 die Teile miteinander zu verschrauben. Hierzu sind am Brennkammerkopf 3 eine Mehrzahl von mit Gewindebohrungen für die Verschraubung der Kopfplatte 44 vorgesehen, so wie dies in 7 dargestellt ist. Die 7 zeigt die Kopfplatte 44 als separates Teil. In der mittleren Bildhälfte der 7 sind die beiden Hälften des Brennkammerkopfes 3 im vormontierten Zustand dargestellt, während die untere Bildhälfte der 7 die verschraubte Kopfplatte 44 zeigt.
-
Alternativ zu den beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ist es auch möglich, die Trennung nicht auf der Brennkammermittellinie 42, sondern in einer beliebigen anderen Stelle vorzunehmen.
-
Die 8 zeigt den montierten Zustand. Dabei ergeben sich insbesondere verdeutlichend die Gewindebohrungen 41 und die Schrauben 38, durch welche die Kopfplatte 44 an dem Brennkammerkopf 3 gehalten wird.
-
Die 9 zeigt nochmals eine Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennkammer unter Berücksichtigung der Ausführungsbeispiele der 5 bis 8.
-
Insgesamt erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen Brennkammer so, dass bei segmentierter Ausführung die Segmente zu einem Vollring verschweißt werden, beispielsweise mittels Laserschweißen. Die Brennkammeraufhängung 25 und der Brennkammerflansch 26 (s. 9) können mit Übergröße ebenfalls durch ein additives Verfahren (beispielsweise DLD) gefertigt und dann auf die finale Geometrie gedreht oder gefräst werden. Die Löcher in den Flanschen für die Verschraubung mit den Gehäusen werden nachträglich gebohrt, können jedoch auch durch das additive Verfahren erzeugt werden.
-
Durch das additive Fertigungsverfahren können die Kühllöcher beliebige Loch- und Kanalformen sowie Größen aufweisen, beispielsweise rund, elliptisch, rautenförmig, kanalförmig, wobei die Ausrichtung zur Wand senkrecht oder in beliebiger Neigung ausgebildet sein kann. Es ist auch möglich, spiralförmige oder sonstige Geometrien zur realisieren. Hierdurch kann eine effektive Luftzufuhr, insbesondere zur Kühlung, gewährleistet werden. Auch die Lage und die Anzahl der Zumischlöcher 5 ist beliebig wählbar, beispielsweise in mehreren Reihen, zueinander versetzt, mit unterschiedlichen Größen oder in sonstiger Ausgestaltung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennkammer
- 2
- Hitzeschild
- 3
- Brennkammerkopf
- 4
- Brennerdichtung
- 5
- Zumischloch
- 6
- heiße, innere Brennkammerwand
- 7
- kalte, äußere Brennkammerwand
- 13
- Kopfplatte
- 25
- Brennkammeraufhängung
- 26
- Brennkammerflansch
- 27
- Bolzen
- 28
- Mutter
- 29
- Schindel
- 30
- äußere Brennkammerwand
- 31
- innere Brennkammerwand
- 35
- Treibstoffdüse
- 36
- Abstandsring
- 37
- Befestigungsring
- 38
- Schraube
- 39
- Bolzen
- 40
- Mutter
- 41
- Gewindebohrung
- 42
- Brennkammermittellinie
- 43
- Aufnahme
- 44
- Kopfplatte
- 45
- Zugangsloch zum Brennerkopf
- 101
- Triebwerksmittelachse
- 110
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 111
- Lufteinlass
- 112
- Fan
- 113
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 114
- Hochdruckkompressor
- 115
- Brennkammer
- 116
- Hochdruckturbine
- 117
- Mitteldruckturbine
- 118
- Niederdruckturbine
- 119
- Abgasdüse
- 120
- Leitschaufeln
- 121
- Triebwerksgehäuse
- 122
- Kompressorlaufschaufeln
- 123
- Leitschaufeln
- 124
- Turbinenschaufeln
- 125
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 126
- Turbinenrotornabe
- 127
- Auslasskonus
