-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Montage einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, bei welchem eine Brennkammer, insbesondere eine Ringbrennkammer eines Gasturbinentriebwerks montiert wird. Dabei werden eine äußere und eine innere ringförmige Brennkammerwand in üblicher Weise gefertigt, beispielsweise aus Blechmaterialien. Die äußere und die innere Brennkammerwand können einwandig ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, diese doppelwandig auszubilden und auf der jeweiligen Innenseite mit Schindeln oder ähnlichen Bauelementen zu versehen.
-
Eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks weist eine ebenfalls ringförmige Kopfplatte auf, welche mit Ausnehmungen versehen ist, durch welche Brenner durchgeführt werden. Die Kopfplatte wird mit der äußeren und der inneren Brennkammerwand verbunden, um somit die Grundelemente der Brennkammer zu montieren. Nachfolgend wird ein Brennkammerkopf an der Kopfplatte, der äußeren Brennkammerwand oder der inneren Brennkammerwand befestigt.
-
Der Stand der Technik zeigt hierzu unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten. Diese sind beispielsweise in den US-Patenten
US 6,449,952 B1 und
7,765,809 B2 erläutert.
-
Wie in den 2 bis 5 gezeigt, erfolgt beim Stand der Technik die Montage so, dass zunächst eine äußere ringförmige Brennkammerwand 29 und eine innere, ringförmige Brennkammerwand 30 bereitgestellt werden, diese sind als Blechteile ausgebildet. Am einströmseitigen Ende ist eine bevorzugterweise ebenfalls aus Blech hergestellte Kopfplatte 31 angeordnet.
-
Die äußere Brennkammerwand 29 weist einen äußeren Flansch 41 auf, während die innere Brennkammwand 30 mit einem inneren Flansch 42 versehen ist. Die Flansche sind zur Längserstreckung der äußeren bzw. der inneren Brennkammerwand 29, 30 in einem Winkel angeordnet, um parallel zur Triebwerksachse 1 ausgerichtet zu sein. Erfindungsgemäß ist der Winkel zwischen dem äußeren Flansch 41 und der äußeren Brennkammwand 29 bzw. dem inneren Flansch 42 und der inneren Brennkammer 30 nicht erforderlich.
-
Die 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilbereich einer vollständig montierten Brennkammer gemäß dem Stand der Technik. In 2 ist eine Schnittansicht gemäß Schnitt A dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass die Kopfplatte 31 mit einem äußeren Flansch 43 und einem inneren Flansch 44 versehen ist. Diese beiden Flansche 43 und 44 erstrecken sich in montiertem Zustand parallel zu den Flanschen 41 und 42 der äußeren bzw. der inneren Brennkammerwand.
-
Weiterhin zeigt die 2 einen bevorzugterweise aus einem Blechmaterial geformten Brennkammerkopf 32, welcher mit einem äußeren Flansch 45 und einem inneren Flansch 46 versehen ist. Diese Flansche sind im montierten Zustand parallel zu den Flanschen 41 bis 44 ausgerichtet und werden mittels Schraubenbolzen 34 und Muttern 35 zusammen mit den Flanschen der äußeren Brennkammerwand 29 und der inneren Brennkammerwand 30 sowie der Kopfplatte 31 verschraubt. Die Verschraubung erfolgt dabei so, dass die Mittelachsen der Schraubenbolzen sich in einer Radialebene erstrecken, welche radial zur Triebwerksachse 1 ausgerichtet ist. Somit bilden die Flansche 41 bis 46 jeweils Zylinderflächen aus, um eine einfache Montage zu ermöglichen und um durch geringe Toleranzen Leckagen zu vermeiden.
-
Wie in den 2, 4 und 5 dargestellt, sind an der zum Innenraum der Brennkammer weisenden Seite der Kopfplatte 31 Hitzeschilder 38 montiert. Die Zahl der Hitzeschilder ist üblicherweise identisch mit der Anzahl der Treibstoffdüsen (nicht dargestellt). Die Verschraubung der Hitzeschilder 38 erfolgt mittels Gewindebolzen 39 und Muttern 40. Die Hitzeschilder werden vor der Montage der Kopfplatte 31 mit dieser verschraubt.
-
Die 2 zeigt somit gemäß Schnitt A von 3 einen fertig montierten Zustand mit einer Vielzahl von um den Umfang angeordneten Schraubenbolzen 34 und Muttern 35. Das Aufschrauben der Muttern 35 erfolgt durch nicht dargestellte Montageöffnungen des Brennkammerkopfes 32.
-
Die 3 zeigt eine Draufsicht, bei welcher ein Teilbereich der äußeren Brennkammerwand 29 dargestellt ist. Im montierten Zustand ergibt sich in der Draufsicht ein Blick auf den äußeren Flansch 45 des Brennkammerkopfes 32.
-
Wie sich bei dem Schnitt B gemäß 3 ergibt, weist der Flansch 45 des Brennkammerkopfes 32 am Umfang verteilt Ausnehmungen 47 auf. Diese dienen der Montage, so wie dies nachfolgend in Verbindung mit den 4 und 5 beschrieben wird.
-
Die 4 und 5 zeigen jeweils Schnitte B gemäß 3. Dabei ist in 4 der Brennkammerkopf 32 noch nicht montiert. Die 4 zeigt, dass die Montage dadurch erfolgt, dass zunächst am Umfang in den Bereichen, in denen der äußere Flansch 45 bzw. der innere Flansch 46 des Brennkammerkopfes mit der Aussparung 47 versehen sind, Gewindebolzen 48 und Muttern 49 verwendet werden, um die Flansche 41 und 42 der äußeren 29 und der inneren 30 Brennkammerwand miteinander zu verbinden. Diese Verbindung erfolgt, um die Brennkammerwände 29 und 30 sowie die Kopfplatte 31 zueinander ausrichten und positionieren zu können. Am Umfang sind einige der Aussparungen 47 an dem Brennkammerkopf 32 vorgesehen. Entsprechend der Zahl der Aussparungen 47 ergibt sich die Anzahl der zu verwendenden Gewindebolzen 48 bzw. Muttern 49.
-
Nachfolgend wird, wie in 5 gezeigt, der Brennkammerkopf 32 aufgeschoben, wobei die Aussparungen 47 so positioniert werden, dass sie mit dem Gewindebolzen 48 bzw. den Muttern 49 übereinstimmen. Hierbei ist es erforderlich, dass der Brennkammerkopf 32 sehr präzise gefertigt und bei der Montage positioniert werden muss, um Kollisionen mit den Gewindebolzen 48 zu verhindern.
-
Nachfolgend erfolgt eine Verschraubung der äußeren und inneren Flansche 45, 46 des Brennkammerkopfes 32 mit den Flanschen 41 bis 44 der Brennkammerwände 29, 30 und der Kopfplatte 31.
-
Es ergibt sich somit eine sehr arbeitsintensive Montage, welche mit hoher Präzision durchgeführt werden muss. Ein weiterer, wesentlicher Nachteil besteht darin, dass es erforderlich ist, an den Flanschen 45 und 46 des Brennkammerkopfes 32 um den Umfang verteilt eine Vielzahl von Aussparungen 47 vorzusehen. Dies führt zu einem fertigungstechnischen Aufwand, der mit Kosten verbunden ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Durchführbarkeit eine betriebssichere Montage der Brennkammer ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Kopfplatte mittels mehrerer punktartiger Schweißverbindungen mit der äußeren Brennkammerwand und mit der inneren Brennkammerwand verschweißt wird. Diese Schweißverbindungen dienen dazu, eine vorläufige Montage der Kopfplatte und der äußeren bzw. inneren Brennkammerwand auf einfache und schnelle Weise sicherzustellen. Es sind nicht, wie beim Stand der Technik erforderlich, zusätzliche Verschraubungen nötig, die montiert oder gesichert werden müssten. Vielmehr sind die punktartigen Schweißverbindungen selbst ausreichend, um eine Vormontage der äußeren und der inneren Brennkammerwand und des Brennkammerkopfes zu gewährleisten. Nach dieser Vormontage und der Verbindung der Kopfplatte und der beiden Brennkammerwände mittels der Schweißverbindungen wird der Brennkammerkopf in Position gebracht und in üblicher Weise mittels Schraubenbolzen und Muttern mit der durch die Schweißverbindungen vormontierten Anordnung aus äußerer Brennkammerwand, innerer Brennkammerwand und Kopfplatte verbunden. Für die Endmontage mit dem dann montierten Brennkammerkopf kann eine übliche Verschraubung verwendet werden, welche dazu dient, die einzelnen Flansche der Brennkammerwände, der Kopfplatte und des Brennkammerkopfes betriebssicher zu verspannen. Hierzu sind am Umfang eine Vielzahl von Schraubenbolzen und Muttern vorgesehen. Die endgültige Verschraubung kann in üblicher Weise durch Montageöffnungen in dem Brennkammerkopf erfolgen.
-
Erfindungsgemäß ist es somit nicht erforderlich, an dem Brennkammerkopf bzw. seinen Flanschen Ausnehmungen oder Aussparungen vorzusehen, welche, wie beim Stand der Technik, dazu dienen, die Bolzenverbindungen auszusparen oder zu umgehen, mit denen die Brennkammerwände und die Kopfplatte vorab vormontiert wurden.
-
Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn mindestens drei Schweißverbindungen erzeugt werden. Diese werden bevorzugterweise gleichmäßig am Umfang der Kopfplatte verteilt ausgebildet, beispielsweise in einem Abstand von 120°. Es ergibt sich somit, dass ein erheblicher Umfangsbereich der Kopfplatte sowie der zugeordneten Randbereiche oder Flanschbereiche der äußeren und der inneren Brennkammerwand nicht mit den erfindungsgemäßen punktartigen Schweißverbindungen versehen werden. Durch diese Maßnahme vereinfacht sich die Herstellung ganz erheblich, da nur eine sehr geringe Anzahl an Schweißverbindungen erzeugt werden muss. Weiterhin besteht nicht die Gefahr, dass durch die beim Schweißen eingebrachte Wärme ein Verzug der einzelnen Bauteile auftritt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schweißverbindungen jeweils an einem radial innenliegenden Bereich zwischen der Kopfplatte und der äußeren Brennkammerwand bzw. der inneren Brennkammerwand angebracht werden. Die Schweißverbindungen werden somit bei günstiger Ausgestaltung der Erfindung so positioniert, dass sich im montierten Zustand der Brennkammer kein Kontakt zwischen den Schweißverbindungen und dem Brennkammerkopf bildet. Somit wird der Brennkammerkopf durch die Schweißverbindungen nicht mechanisch belastet. Es besteht somit keine Gefahr eines Versagens, beispielsweise durch Rissbildung. Weiterhin ist sichergestellt, dass die Schweißverbindungen auch bei längerem Betrieb der Brennkammer nicht durch Reibung oder sonstigen Verschleiß gelöst werden können.
-
Die Schweißverbindungen, welche bevorzugterweise als Punktschweißung ausgebildet sind, sind, wie oben stehend erwähnt, an diskreten, beliebig wählbaren Umfangspositionen der Kopfplatte bzw. den Flanschen oder Randbereichen der Brennkammerwände vorgesehen. Wenn es erforderlich ist, die Brennkammer wieder zu demontieren, so können diese Schweißverbindungen in einfacher Weise lokal aufgetrennt werden, beispielsweise durch einen Fräsvorgang oder Schleifvorgang. Da um den Umfang ausreichender Raum vorliegt, welcher ursprünglich nicht mit Schweißverbindungen belegt wurde, ergibt sich die Möglichkeit, bei einer anschließenden Wiedermontage der Bauelemente an anderen Bereichen neue Schweißverbindungen auszubilden.
-
Besonders günstig ist es, wenn die punktförmigen Schweißverbindungen, welche im montierten Zustand nicht in Kontakt mit dem Brennkammer sein sollen, an Bereichen ausgebildet werden, bei welchen ein Axialversatz zwischen der Kopfplatte und der äußeren Brennkammerwand bzw. der inneren Brennkammerwand ausgebildet oder vorgesehen wurde. Dieser Axialversatz bildet einen taschenartigen Freiraum, in welchem die punktförmige Verschweißung erfolgen kann.
-
Die Schweißverbindungen können bevorzugt gleichmäßig und alternativ bevorzugt ungleichmäßig, d. h. beliebig, am Umfang verteilt werden. Weiter bevorzugt können die Schweißverbindungen an radial innenliegenden und alternativ bevorzugt an radial außenliegenden Bereichen angebracht werden.
-
Der Brennkammerkopf wird erfindungsgemäß bevorzugterweise mit einer Vielzahl von Schraubausnehmungen versehen, die an dem äußeren und dem inneren Flansch des Brennkammerkopfes angeordnet sind. Diese Schraubausnehmungen sind so angeordnet und dimensioniert, dass sie mit Schraubausnehmungen der Brennkammerwände und der Kopfplatte fluchten, sodass bei aufgeschobenem Brennkammerkopf die übliche Verschraubung erfolgen kann.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
-
2 eine vereinfachte Schnittansicht eines vorderen Bereichs einer fertig montierten Brennkammer gemäß dem Stand der Technik,
-
3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 2, welche dem Schnitt A entspricht,
-
4 eine vereinfachte Schnittansicht gemäß Schnitt B von 3 im vormontierten Zustand gemäß dem Stand der Technik,
-
5 eine Schnittansicht im fertig montierten Zustand gemäß Schnitt B von 3 gemäß dem Stand der Technik,
-
6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in analoger Darstellung der 2 in montiertem Zustand,
-
7 eine vereinfachte Unteransicht eines Flanschbereichs der gemäß 6 dargestellten äußeren Brennkammerwand, und
-
8 eine vereinfachte Schnittansicht, analog 6, gemäß Schnitt B von 7.
-
In den folgenden Ausführungsbeispielen werden gleiche Teile wie in den 2 bis 5 mit gleichen Bezugsziffern versehen, sodass auf eine nochmalige detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
-
Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
-
Der Mitteldruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Kerntriebwerksgehäuse 21 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
-
Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenrotorschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenrotorschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
-
Die 6 bis 8 zeigen in vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
-
Es wird zunächst auf die 7 Bezug genommen. Diese zeigt einen Teilbereich der Flanschverbindung zwischen der äußeren Brennkammerwand 29 und dem äußeren Flansch 43 der Kopfplatte 31. Die 7 zeigt dabei in vereinfachter Darstellung eine Vielzahl von gleichmäßig am Umfang verteilt ausgebildeten Schraubausnehmungen 37, durch welche im fertigmontierten Zustand (6 und 8) Schraubenbolzen 34 mit zugehörigen Muttern 35 durchgeführt werden. Es versteht sich, dass die Schraubausnehmungen 37 in den Flanschen 43 und 44 der Kopfplatte 31, in den Flanschen 41 und 42 der Brennkammerwände 29 und 30 sowie in den Flanschen 45 und 46 des Brennkammerkopfes 32 ausgebildet sind und so zueinander positioniert sind, dass sich eine fluchtende Anordnung ergibt, um die Schraubenbolzen 34 durchführen zu können.
-
Die 7 zeigt eine Schnittansicht A, bei welcher, wie in 7 schematisch dargestellt, eine punktförmige Schweißverbindung 33 zwischen dem Flansch 41 der äußeren Brennkammer 29 und dem Flansch 43 der Kopfplatte 31 ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ist in 6 in der Schnittansicht verdeutlicht.
-
Aus 6 ergibt sich, dass im vormontierten Zustand die Flansche 41 und 43 der äußeren Brennkammerwand 29 und der Kopfplatte 31 mit den in 7 gezeigten, gleichmäßig am Umfang verteilten punktförmigen Schweißverbindungen verbunden werden, um eine Vormontage der Brennkammer vorzunehmen. In analoger Weise wird der innere Flansch 44 der Kopfplatte 31 mit dem Flansch 42 der inneren Brennkammerwand 30 verbunden. Da diese punktförmige Schweißverbindung 33 nur der Vormontage dient, sind am Umfang verteilt nur eine geringe Anzahl an Schweißverbindungen 33 vorgesehen, beispielsweise drei Schweißverbindungen 33, die gleichmäßig verteilt am Umfang angeordnet sind und somit einen Abstand von 120° zueinander aufweisen (bezogen auf die Mittelachse der Kopfplatte 31).
-
Aus der 6 ist weiterhin ersichtlich, dass die Schweißverbindung 33 so positioniert und ausgebildet ist, dass sie sich nicht in Kontakt mit den Flanschen 45 und 46 des Brennkammerkopfes 32 befindet. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Axialversatz 36 zwischen den Flanschen 43 und 44 der Kopfplatte 31 und den Flanschen 41 und 42 der Brennkammerwände 29 und 30 vorgesehen ist. Die Flansche 43 und 44 der Kopfplatte 31 sind somit in Axialrichtung kürzer, als die Flansche 41 und 42 der Brennkammerwände 29 und 30. Durch diese sehr einfache konstruktive Lösung werden die Schweißverbindungen 33 an Stellen angebracht, an welchen sie zum einen die weitere Montage nicht stören und an welchen sie zum anderen nicht in Kontakt mit dem Brennkammerkopf 32 bzw. dessen Flanschen 45 und 46 kommen können. Infolgedessen ist es auch nicht erforderlich, die Schweißverbindungen 33 nachzuarbeiten, beispielsweise zu glätten oder zu beschleifen. Auch hierdurch ergibt sich eine einfache, kostengünstige Montage, welche mit geringem Aufwand versehen ist.
-
Es versteht sich, dass zur Vormontage des Brennkammerkopfes 31 an den Brennkammerwänden 29 und 30 hilfsweise die Schraubenbolzen 34 durch die Schraubausnehmungen 37 der Flansche 43 und 44 der Kopfplatte 31 und die Flansche 41 und 42 der Brennkammerwände 29 und 30 eingesteckt werden können, um eine vorläufige Zuordnung vorzunehmen, während die Schweißverbindungen 33 ausgebildet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammer
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Kerntriebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenrotorschaufeln
- 25
- Nebenstromkanal
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- Äußere Brennkammerwand
- 30
- Innere Brennkammerwand
- 31
- Kopfplatte
- 32
- Brennkammerkopf
- 33
- Schweißverbindung
- 34
- Schraubenbolzen
- 35
- Mutter
- 36
- Axialversatz
- 37
- Schraubausnehmung
- 38
- Hitzeschild
- 39
- Gewindebolzen
- 40
- Mutter
- 41
- Äußerer Flansch
- 42
- Innerer Flansch
- 43
- Äußerer Flansch
- 44
- Innerer Flansch
- 45
- Äußerer Flansch
- 46
- Innerer Flansch
- 47
- Aussparung
- 48
- Gewindebolzen
- 49
- Mutter
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 6449952 B1 [0004]
- US 7765809 B2 [0004]
