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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennerdichtung einer Gasturbine sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Brennerdichtung mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Grundkörper, welcher an einer Einströmseite eine ringförmige Einlauflippe und an seiner Abströmseite einen Trichter aufweist, wobei ein Innendurchmesser der Einströmseite größer ausgebildet ist als ein Innendurchmesser einer axial vor dem Trichter angeordneten Dichtfläche, wobei um den Umfang verteilt in dem Grundkörper Kühlkanäle ausgebildet sind.
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Eine Brennerdichtung der oben stehenden Art wird verwendet, um Treibstoffdüsen einer Brennkammer einer Gasturbine gegenüber einer Kopfplatte und/oder einem Hitzeschild der Brennkammer abzudichten. Dabei steht insbesondere der Trichter der Brennerdichtung in den Brennraum vor und ist den dort herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt. Infolgedessen ist es erforderlich, die Brennerdichtung und insbesondere den Trichter ausreichend zu kühlen. Bei einer nicht ausreichenden Kühlung besteht die Gefahr, dass der Trichter mit der an ihm ausgebildeten trichterförmigen Lippe abbrennt.
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Nachfolgend wird der der Erfindung zu Grunde liegende Stand der Technik anhand der 2 und 3 beschrieben. Dabei zeigt die 2 eine vereinfachte Axial-Schnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer mit Brennerdichtung. In 3 ist eine schematische Schnittansicht, analog 2, der Brennerdichtung gezeigt.
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Die in 2 dargestellte Brennkammer umfasst eine Brennkammerwand 1 mit einer Kopfplatte 2, welche mittels eines Hitzeschilds 3 gegen den Brennraum geschützt ist. An der Innenseite der Brennkammerwand 1 sind Schindeln 7 angeordnet, welche mittels Bolzen 10 und Muttern 11 mit der Brennkammerwand 1 verschraubt sind und diese gegenüber dem Brennraum abschirmen.
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Bei der in 2 gezeigten Konstruktion handelt es sich um eine Ringbrennkammer. Es versteht sich, dass diese, bezogen auf eine Radialrichtung basierend auf einer Triebwerksmittelachse eine äußere und eine innere Brennkammerwand aufweist. Dies wird aus Gründen der Vereinfachung in 2 im Einzelnen nicht erläutert.
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In der Brennkammerwand 1 sind Zumischlöcher 8 vorgesehen, welche auch die Schindeln 7 durchgreifen und zur Zufuhr von Mischluft dienen. Die Brennkammerwand ist mit Prallkühllöchern 12 versehen, die Schindeln 7 weisen Effusionskühllöcher 13 auf. All dies ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auf eine detaillierte weitergehende Beschreibung verzichtet werden kann.
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Die 2 zeigt weiterhin, dass das Hitzeschild 3 mit Kühllöchern 14 versehen ist, durch welche Kühlluft, welche durch Kühlluftlöcher 15 der Kopfplatte 2 strömt, zur Kühlung des Hitzeschilds 3 Verwendung findet. Das Hitzeschild 3 ist, wie in 2 dargestellt, mittels Bolzen 10 und Muttern 11 an der Kopfplatte 2 gelagert.
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Sowohl die Kopfplatte 2 als auch das Hitzeschild 3 weisen eine Ausnehmung auf, in welcher eine Brennerdichtung 6 angeordnet ist. Durch die Brennerdichtung 6 wird von außen eine nur schematisch dargestellte Treibstoffdüse 5 eingeführt. Diese wird durch eine Ausnehmung des Brennkammerkopfes 4 durchgeführt und in der Brennerdichtung 6 positioniert.
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Um die Treibstoffdüse 5 gegenüber der Brennkammer in geeigneter Weise zu lagern und abzudichten, befindet sich zwischen der Kopfplatte 2 und dem Hitzeschild 3 schwimmend gelagert die Brennerdichtung 6. Diese erlaubt eine Bewegung der Treibstoffdüse 5 relativ zu der Brennkammer und hat gleichzeitig den Zweck, die Treibstoffdüse 5 so zu platzieren, dass keine Leckage zwischen der Treibstoffdüse 5 und der Kopfplatte 2 beziehungsweise dem Hitzeschild 3 entsteht. Die 2 zeigt durch die gestrichelten Linien in vereinfachter Darstellung den Strömungsweg von Kühlluft, welche aus dem Innenraum des Brennkammerkopfes 4 entlang der Brennerdichtung 6 strömt.
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Die 3 zeigt den Aufbau der Brennerdichtung 6 gemäß dem Stand der Technik in vereinfachter Darstellung. Die Brennerdichtung 6 umfasst eine Einlauflippe 18, an die sich in axialer Richtung (bezogen auf eine Mittelachse der Treibstoffdüse 5) ein Durchmesserbereich mit einem größeren Innendurchmesser anschließt. Hierdurch ergeben sich Strömungswege, um die in 3 gestrichelt dargestellte Kühlluftströmung einzuleiten und durch Kühllöcher 9 abzuführen. Die Kühllöcher 9 sind in Axialrichtung vor einer Dichtfläche 16 angeordnet. Die Dichtfläche 16 liegt dichtend gegen die Treibstoffdüse 5 an. In Axialrichtung anschließend an die Dichtfläche 16 ist ein Trichter 17 (trichterförmige Lippe) vorgesehen, welcher sich in den Innenraum der Brennkammer erstreckt, so wie dies in 2 dargestellt ist. Weiterhin umfasst die Brennerdichtung 6 einen Ringsteg 19, welcher zur Befestigung und Lagerung der Brennerdichtung 6 an der Kopfplatte 2 beziehungsweise dem Hitzeschild 3 dient.
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Die Brennerdichtung 6 ist stromauf zum Brennkammerkopf 4 weisend aerodynamisch günstig ausgebildet, um die Einströmung der Kühlluft (s. 3) zu verbessern. Hierzu dient die Einlauflippe 18, welche die Strömung aus dem Brennkammerkopf 4 günstig zur Treibstoffdüse 5 leitet. Auch stromab zum Brennraum weisend weist die Brennerdichtung 6 eine trichterförmige Formgebung (Trichter 17) auf, um der Strömung aus der Treibstoffdüse die Möglichkeit zu geben, sich radial möglichst weit zu öffnen. Der Trichter 17, welcher in den Brennraum vorsteht, muss ausreichend gekühlt werden, um ein Abbrennen zu verhindern. Hierzu wird gemäß dem Stand der Technik die Kühlluft durch die diskreten Kühlluftlöcher 9 geleitet. Die Kühllöcher 9 dienen dazu, die Strömung aus dem Brennkammerkopf 4 radial nach außen von der Innenseite der Brennerdichtung 6 zu deren Außenseite zu leiten und den Trichter 17 von seiner Rückseite aus zu umströmen. Hierdurch wird der Trichter 17 durch die Kühlluft an seiner Rückseite gekühlt, bevor die Kühlluft zwischen Hitzeschild 3 und Brennerdichtung 6 in den Brennraum strömt.
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Es erweist sich als nachteilig, dass der Trichter 17 der Brennerdichtung 6 nur an seiner Rückseite, welche dem Brennraum abgewandt ist, gekühlt wird. Hierdurch kann nicht ausreichend sichergestellt werden, dass der Trichter 17 und damit die Brennerdichtung 6 überhitzt und verschleißt, beispielsweise durch Abbrand. Somit muss die Brennerdichtung 6 bei Verschleiß ausgetauscht werden. Dies erfordert umfangreiche Montagearbeiten, die kostenintensiv und zeitaufwendig sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die aus der Brennerdichtung 6 ausströmende Luft nicht zur Kontrolle von Emissionen der Brennkammer genutzt werden kann, da die Luftführung sehr unbestimmt und ungezielt erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennerdichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und sowohl eine verbesserte Kühlung als auch eine verbesserte Luftführung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Brennerdichtung zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Kühlkanäle jeweils in dem Grundkörper im Bereich der Dichtfläche und des Trichter ausgebildet sind und jeweils in einem axial nach außen weisenden Bereich des Trichters in einem Austrittsloch münden.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Brennerdichtung mittels eines additiven Herstellverfahrens hergestellt wird, beispielsweise mittels eines Laserauftragsverfahrens (DLD) oder eines ähnlichen Verfahrens.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die Möglichkeit geschaffen worden, insbesondere den Bereich der Dichtfläche und des Trichters der Brennerdichtung intern zu kühlen. Hierzu dienen die erfindungsgemäßen Kühlkanäle, welche durch ein additives Verfahren einfach und kostengünstig realisierbar sind. Derartige Kühlkanäle können nicht durch ein herkömmliches Bohrverfahren erzeugt werden, da ihr Verlauf und ihre Geometrie sehr komplex sind. Die Kühlkanäle sind dabei so ausgebildet, dass sie, in Strömungsrichtung, bezogen auf die Treibstoffdüse 5, gesehen, im Inneren der Brennerdichtung im Bereich der Dichtfläche angeordnet sind und an der zum Brennraum weisenden Seite des Trichters münden. Hierdurch kann die durch die Kühlkanäle strömende Kühlluft an der Außenseite des Trichters, welche dem Brennraum zugewandt ist, ausströmen und in effektiver Weise die Oberfläche des Trichters kühlen. Weiterhin kann die Luftströmung so gestaltet werden, dass die austretende Luft zur Reduzierung von Emissionen in den Innenraum der Brennkammer eingeleitet wird.
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Um die Luftströmung durch die Kühlkanäle zu optimieren, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kühlkanal jeweils ein Eintrittsloch aufweist, welches in einem Bereich des größeren Innendurchmessers des Grundkörpers der Brennerdichtung angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Eintrittsloch an einer stromauf liegenden Seite des Dichtbereichs positioniert ist. Hierdurch kann die Kühlluft durch den Bereich mit dem größeren Innendurchmesser in die Brennerdichtung einströmen und in optimaler Weise in die Kühlkanäle eingeleitet werden.
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Das Austrittsloch des jeweiligen Kühlkanals ist bevorzugterweise so gestaltet, dass sich ein Kühlluftfilm an der Außenseite des Trichters ausbildet und auf diesen anliegt, um eine Filmkühlung des Trichters zu gewährleisten. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Austrittsloch in eine radial nach außen weisende Richtung, bezogen auf den Trichter, angeordnet ist. Hierdurch ist eine gezielte Führung der Kühlluft möglich.
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Der Kühlkanal kann erfindungsgemäß in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Er kann sich geradlinig, mit einem Winkel zur Mittelachse der Brennerdichtung oder gekrümmt oder spiralförmig erstrecken. Der Kühlkanal kann auch aus mehreren geradlinigen Abschnitten oder unterschiedlichen gebogenen oder gekrümmten Abschnitten zusammengesetzt sein. Es ergeben sich erfindungsgemäß somit verschiedenste Varianten, um eine optimale Kühlung der Brennerdichtung, insbesondere des Dichtbereichs und des Trichters sicherzustellen.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, den Querschnitt des Eintrittslochs und/oder des Austrittslochs so auszugestalten, dass eine optimierte Durchströmung erfolgt. Die Löcher können kreisförmig, elliptisch, rautenförmig oder tropfenförmig ausgebildet sein.
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Weiterhin kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, die Kühlkanäle hinsichtlich ihrer Querschnittsform zwischen dem Eintrittsloch und dem Austrittsloch variabel auszubilden, beispielsweise mit einem elliptischen Eintrittsloch und einem runden Austrittsloch. Der Querschnittsverlauf des jeweiligen Kühlkanals kann zwischen dem Eintrittsloch und dem Austrittsloch konstant ausgestaltet sein. Es ist jedoch auch möglich, den Kühlkanal in Richtung des Austrittsloches aufzuweiten, sodass das Eintrittsloch einen engsten Querschnitt bildet und der Kühlkanal als Diffusor wirkt. Es ist alternativ auch möglich, den Kühlkanal düsenartig auszugestalten und somit das Austrittsloch mit einer geringeren Querschnittsfläche auszugestalten, als das Eintrittsloch. Der Querschnitt des Kühlkanals kann auch so ausgebildet sein, dass das Eintrittsloch hinsichtlich seines Querschnitts den kleinsten Bereich darstellt und sich der Kühlkanal im Querschnitt aufweitet. Er kann dabei eine Kavität bilden und sich zum Austrittsloch hin wiederum verjüngen.
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Insgesamt sind die Ausgestaltung des Kühlkanals sowie dessen Verlauf bevorzugterweise so gewählt, dass der Auslass der Kühlluft möglichst radial an dem Trichter beziehungsweise der Lippe des Trichters erfolgt und die austretende Kühlluft nach außen strömt.
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Die Brennerdichtung weist bevorzugterweise eine Anzahl von Kühllöchern zwischen zehn bis vierzig auf. Der engste Lochdurchmesser (Eintrittsloch oder Austrittsloch) beträgt beispielsweise bei einem kreisförmigen Querschnitt 0,5 mm bis 1 mm und/oder hat eine Fläche von 0,8 mm2 bis 3 mm2.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen verbessert sich die Kühlung der Brennerdichtung, sodass sich ein geringerer Verschleiß und geringere Wartungskosten ergeben. Zusätzlich resultiert die erfindungsgemäße Luftführung in einer verbesserten Emissionskontrolle. Hierdurch können insbesondere Ruß-Emissionen reduziert werden.
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Mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann die Brennerdichtung mit sehr komplexen Geometrien der Kühlkanäle sowie deren Eintritts- und Austrittslöchern hergestellt werden. Dies ist mit anderen Herstellungsverfahren nicht möglich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein Gasturbinentriebwerk zur Verwendung der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer,
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2 eine vereinfachte Axialschnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine vergrößerte Detailansicht der in 2 gezeigten Brennerdichtung,
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4 Schnittansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Brennerdichtung und der Kühlkanäle in analoger Darstellung zu 3,
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5 unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten in Ansicht A gemäß 4,
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6 unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten in Ansicht A oder B gemäß 4,
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7 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels analog 4,
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8 und 9 perspektivische Ansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Brennerdichtung.
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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.
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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 Kerntriebwerksgehäuse 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 beziehungsweise der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt sind.
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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.
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Die 4 zeigt unterschiedliche erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele der Brennerdichtung 6 in analoger Darstellung zu 3. Dabei ist insbesondere ersichtlich, dass angrenzend an den Bereich größeren Innendurchmessers, durch welchen die Kühlluft einströmt (s. 3) in Axialrichtung vor der Dichtfläche 16 ein Eintrittsloch 20 eines Kühlkanals 22 angeordnet ist. Die Ausströmung der Luft aus dem Kühlkanal 22 erfolgt durch ein Austrittsloch 21.
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Die unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten der 4 zeigen, dass das Austrittsloch 21 jeweils an der dem Brennraum zugewandten Seite des Trichters 17 positioniert ist. Hierdurch tritt die Kühlluft an der heißen Seite des Trichters 17 aus und kann sich als Kühlluftfilm auf die Oberfläche des Trichters auflegen.
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Die Ausführungsbeispiele der 4 zeigen, dass der Kühlkanal 22 in unterschiedlicher Weise dimensioniert und hinsichtlich seiner Geometrie ausgebildet sein kann. Gemäß 4a ist der Kühlkanal 22 bogenförmig gekrümmt, die 4b zeigt eine s-förmige Krümmung, ähnlich der Ausgestaltung gemäß 4c. Gemäß 4d ist das Austrittsloch 21 mit einem vergrößerten Querschnitt versehen. Die 4e zeigt einen Querschnitt des Kühlkanals 22, welcher in seinem mittleren Bereich eine Kavität 23 aufweist. Gemäß 4f ist das Austrittsloch 21 an einem radial außen liegenden Bereich des Trichters 17 positioniert. Die 4g zeigt eine gestufte, aus geradlinigen Komponenten zusammengesetzte Querschnittsform des Kühlkanals 22, während 4h ein Ausführungsbeispiel zeigt, bei welchem der Kühlkanal 22 wendelartig ausgebildet ist, um die Kühlung der Brennerdichtung 6 beziehungsweise des Trichters 17 zu optimieren.
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Die 4g zeigt Ansichten A und B, welche in den 5 und 6 zu Grunde gelegt sind. Die 5a zeigt jeweils runde Eintrittslöcher 20, an welche sich geradlinige (5a), schräg gestellte (5b), bogenförmige (5c), gewendelte (5d), diffusorartig erweiterte (5e) oder mit einer Kavität 23 versehene (5f) Verläufe der Kühlkanäle 22 anschließen.
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Die 6 zeigt in Ansicht A beziehungsweise Ansicht B mögliche Ausgestaltungen der Eintrittslöcher 20 und der Austrittslöcher 21. Diese können kreisrund (6a), oval (6b und 6c) oder rautenförmig (6d) ausgestaltet sein.
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Die 7 zeigt zur Verdeutlichung eine perspektivische Teil-Schnittansicht der erfindungsgemäßen Brennerdichtung, aus welcher sich insbesondere die Anordnung des Eintrittslochs 20, des Austrittslochs 21 sowie des Kühlkanals 22 ergibt.
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Die 8 und 9 zeigen jeweils perspektivische Darstellungen unterschiedlicher Ausgestaltungsvarianten, welche sich insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung und Dimensionierung des Eintrittslochs 20 und des Austrittslochs 21 unterscheiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkammerwand
- 2
- Kopfplatte
- 3
- Hitzeschild
- 4
- Brennkammerkopf
- 5
- Treibstoffdüse
- 6
- Brennerdichtung
- 7
- Schindel
- 8
- Zumischloch
- 9
- Kühlloch
- 10
- Bolzen
- 11
- Mutter
- 12
- Prallkühlloch
- 13
- Effusionskühlloch
- 14
- Kühlloch
- 15
- Kühlluftloch
- 16
- Dichtfläche
- 17
- Trichter
- 18
- Einlauflippe
- 19
- Ringsteg
- 20
- Eintrittsloch
- 21
- Austrittsloch
- 22
- Kühlkanal
- 23
- Kavität
- 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
- Kerntriebwerksgehäuse
- 122
- Kompressorlaufschaufeln
- 123
- Leitschaufeln
- 124
- Turbinenschaufeln
- 125
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 126
- Turbinenrotornabe
- 127
- Auslasskonus
