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Die Erfindung betrifft insbesondere eine Brennkammerbaugruppe mit einer Brennerdichtung und einem Hitzeschild sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennkammerbaugruppe.
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Bei einer Brennkammer für ein Triebwerk, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, ist es bekannt, eine Treibstoffdüse zur Einspritzung eines Treibstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum der Brennkammer mittels einer Brennerdichtung an der Brennkammer zu lagern. Die Brennerdichtung weist hierfür einen Lagerabschnitt auf, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und der eine durchgehende Durchgangsöffnung aufweist, in der die Treibstoffdüse positioniert wird. Brennraumseitig ist ferner ein Hitzeschild vorgesehen, das bei bestimmungsgemäßer Montage an die Brennkammer des Triebwerks innerhalb des Brennraums liegt und ein Durchgangsloch aufweist, durch das sich der Lagerabschnitt der Brennerdichtung erstreckt. Dabei ragt der Lagerabschnitt der Brennerdichtung mit einem Öffnungsrand durch das Durchgangsloch des Hitzeschilds hindurch, sodass der, bezogen auf die Längsachse, radial nach außen weisende und sich damit in axialer Richtung aufweitende Öffnungsrand der Brennerdichtung hinter dem Hitzeschild liegt. Öffnungswinkel und Durchmesser des Öffnungsrandes am Ende der Durchgangsöffnung sind dadurch limitiert, dass der Hitzeschild bei der Montage der Brennkammerbaugruppe an die Brennkammer über den Öffnungsrand geschoben werden muss. So wird üblicherweise die Brennkammerdichtung vom Brennraum aus an der Brennkammer, z.B. an einer Kopfplatte der Brennkammer, angeordnet, bevor dann nachfolgend der Hitzeschild angebracht wird, um die Brennkammerbaugruppe an der Brennkammer zu fixieren.
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Gleichwohl es im Hinblick auf die Verbesserung der Vermischung von Kraftstoff und Luft von Vorteil wäre, den im Brennraum liegenden Öffnungsrand der Brennerdichtung mit möglichst großem Öffnungswinkel und möglichst großem Durchmesser zu gestalten, ist dies angesichts des notwendigen Hitzeschildes nur erheblich eingeschränkt möglich. Die Vermischung in der Primärzone lässt sich somit bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerbaugruppen über eine konstruktive Anpassung des Öffnungsrandes der Brennerdichtung nur bedingt verbessern.
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Es besteht somit Bedarf für eine in dieser Hinsicht verbesserte Brennkammerbaugruppe für ein Triebwerk, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk.
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Diese Aufgabe wird sowohl mit einer Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 1 als auch mit einem Herstellungsverfahren nach Anspruch 19 gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Brennkammerbaugruppe vorgeschlagen, die wenigstens Folgendes aufweist:
- - eine Brennerdichtung mit einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Lagerabschnitt der eine (sich entlang dieser Längsachse erstreckende) Durchgangsöffnung für die Positionierung einer Treibstoffdüse an einer Brennkammer eines Triebwerks aufweist, wobei
- (a) der Lagerabschnitt einen, bezogen auf die Längsachse, radial nach außen weisenden (und damit sich in axialer Richtung aufweitenden) Öffnungsrand an einem Ende der Durchgangsöffnung aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Montage an die Brennkammer des Triebwerks innerhalb eines Brennraums der Brennkammer liegt, und
- (b) an dem Lagerabschnitt mindestens ein sich, bezogen auf die Längsachse, radial nach außen erstreckender Steg ausgebildet ist,
und - - einen Hitzeschild, der bei bestimmungsgemäßer Montage an der Brennkammer des Triebwerks innerhalb des Brennraums der Brennkammer liegt und ein Durchgangsloch aufweist, durch das sich der Lagerabschnitt der Brennerdichtung erstreckt.
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Erfindungsgemäß bilden die Brennerdichtung und der Hitzeschild eine Baueinheit, bei der der Hitzeschild zumindest teilweise zwischen dem radial nach außen weisenden Öffnungsrand und dem mindestens einen sich radial nach außen erstreckenden Steg aufgenommen ist, sodass ein (zerstörungsfreies) Trennen des Hitzeschildes von der Brennerdichtung entlang der Längsachse ausgeschlossen ist.
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Die Brennerdichtung und der Hitzeschild bilden hier somit eine vorab herzustellende integrale Baueinheit, die an eine Brennkammer, z.B. im Bereich einer Kopfplatte der Brennkammer zu montieren ist, ohne dass der Hitzeschild unabhängig von der Brennerdichtung angebracht werden könnte. Der Hitzeschild ist vielmehr zwischen dem durch die Brennerdichtung ausgebildeten Öffnungsrand und dem mindestens einen durch die Brennerdichtung ausgebildeten, sich radial nach außen erstreckenden Steg an der Brennerdichtung gehalten, sodass ein Entfernen des Hitzeschildes ohne Zerstörung der Brennerdichtung nicht möglich ist. Der Hitzeschild kann folglich nicht über den Öffnungsrand oder den Steg hinweg entlang der Längsachse relativ zu der Brennerdichtung verlagert werden.
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Indem der Hitzeschild und die Brennerdichtung einer integrale Baueinheit bilden, bei der der Hitzeschild zwischen den zwei radial vorstehenden Abschnitten der Brennerdichtung (Öffnungsrand und Steg) aufgenommen ist, sodass ein zerstörungsfreies Trennen der beiden Komponenten voneinander nicht möglich ist, stellt sich die Frage einer nachträglichen Montage des Hitzeschilds an die Brennerdichtung nicht mehr. Die Gestaltung des Öffnungsrandes und insbesondere seines Öffnungswinkel und seines Durchmessers werden nicht mehr dadurch limitiert, dass der Hitzeschild mit seinem Durchgangsloch über den Öffnungsrand geschoben werden muss. Indem eine vorgefertigte Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild bereitgestellt wird, bei der die beiden vorgenannten Komponenten nicht zerstörungsfrei voneinander getrennt werden können, ist auch die Montage dieser Komponenten an die Brennkammer erleichtert.
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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild additiv gefertigt ist, zum Beispiel mittels eines Lasersinterverfahrens. Die Brennerdichtung und der Hitzeschild werden somit in einem gemeinsamen Fertigungsprozess additiv hergestellt, zum Beispiel schichtweise aufgebaut, sodass auf etwaige Erfordernisse zur Montierbarkeit des Hitzeschildes an die Brennerdichtung keine Rücksicht mehr genommen werden muss.
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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Brennerdichtung an dem Hitzeschild schwimmend gelagert ist. Gleichwohl Brennerdichtung und Hitzeschild eine (integrale) Baueinheit bilden, ist in dieser Ausführungsvariante folglich die Brennerdichtung relativ zu dem Hitzeschild weiterhin wenigstens axial verlagerbar gehalten. Derart ist im Betrieb des Triebwerks eine axiale Verlagerung der Brennerdichtung relativ zu dem an der Brennkammer fixierten Hitzeschild möglich. Die schwimmende Lagerung der Brennerdichtung an dem Hitzeschild kann ferner auch einschließen, dass die Brennerdichtung, bezogen auf die Längsachse des Lagerabschnitts, radial verlagerbar an dem Hitzeschild gehalten ist.
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In einer Ausführungsvariante weist die Durchgangsöffnung der Brennerdichtung an ihrem (im montierten Zustand) innerhalb des Brennraums liegenden Ende durch den radial nach außenweisenden Öffnungsrand einen Durchmesser auf, der größer ist als ein Durchmesser des Durchgangsloches in dem Hitzeschild. Ein (End-) Durchmesser des Öffnungsrandes ist somit größer als ein maximaler Durchmesser des Durchgangsloches in dem Hitzeschild. Bei an die Brennkammer montierter Brennkammerbaugruppe und dem hiermit definierten montierten Zustand stellt somit die Brennerdichtung - im Anschluss an eine Austrittsöffnung der Treibstoffdüse - einen Öffnungsrand größeren Durchmessers bereit, als dies bei bisher in der Praxis umgesetzten Brennkammerbaugruppe der Fall ist oder möglich wäre.
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In einer Ausführungsvariante kann sich der Öffnungsrand (axial beabstandet zu dem Hitzeschild) bis auf Höhe eines radial äußersten Randes des Hitzeschildes oder über diesen radial äußersten Rand des Hitzeschildes hinaus radial nach außen erstrecken. Derart überdeckt der Öffnungsrand der Brennerdichtung vom Brennraum aus entlang der Längsachse gesehen den Hitzeschild vollständig. In einer solchen Variante kann somit der weiter nach außengezogene Öffnungsrand der Brennerdichtung zumindest teilweise die Funktion eines Hitzeschildes übernehmen. Die Gestaltung und Ausdehnung des Hitzeschildes innerhalb des Brennraums kann hierbei dann stark vereinfacht werden. Beispielsweise können etwaige Kühlnoppen, Kühlrippen und/oder Kühllöcher an dem Hitzeschild entfallen. Gegebenenfalls kann insbesondere in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Brennerdichtung im Bereich des Öffnungsrandes mit Kühlluftlöchern respektive einer internen Kühlung versehen ist, insbesondere mit Kühlluftlöchern und/oder einer internen Kühlung wie sie in der
DE 10 2016 212 649.0 beschrieben sind.
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In einer Ausführungsvariante verläuft der Öffnungsrand unter einem Öffnungswinkel im Bereich von 20° bis 50° zu der Längsachse der Brennerdichtung. Für einen Öffnungswinkel α gilt hier dann somit zum Beispiel 20° ≤ α ≤ 50°. Eine durch den Öffnungsrand definierte innere Mantelfläche der Durchgangsöffnung, in die die Treibstoffdüse eingesteckt wird, verläuft hier somit an ihrem in den Brennraum ragenden Ende unter einem Winkel von 20° bis 50°, zum Beispiel unter einem Öffnungswinkel von 20°, 30°, 40° oder 50°, zu der Längsachse. Der Öffnungsrand kann sich hierbei entlang der Längsachse kontinuierlich aufweiten und einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.
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Insbesondere zur Einsparung zusätzlicher Komponenten und ferner zur genaueren Positionierung der Brennerdichtung über den Hitzeschild kann der Hitzeschild einen Umgriffsabschnitt ausbilden, der den mindestens einen sich radial nach außen erstreckenden Steg der Brennerdichtung umgreift. Über diesen Umgriffsabschnitt sind somit der Hitzeschild und die Brennerdichtung in einer definierten Lage zueinander gehalten, indem sich zumindest ein Abschnitt des Hitzeschildes über den radial nach außen erstreckenden Steg der Brennerdichtung hinweg erstreckt und diesen umgreift.
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In einer möglichen Weiterbildung definiert der Umgriffsabschnitt einen Spalt, in dem der mindestens eine sich radial nach außen erstreckende Steg der Brennerdichtung zumindest teilweise (formschlüssig) aufgenommen ist. Dieser Spalt verläuft beispielsweise kreissegmentförmig oder kreisförmig um die Längsachse. Beispielsweise kann der Spalt als Ringspalt an einem um die Längsachse umlaufenden Umgriffsabschnitt des Hitzeschildes ausgebildet sein. Die Tiefe des Spalte kann grundsätzlich so bemessen sein, dass die Brennerdichtung noch radial bezüglich des Hitzeschildes verlagerbar ist.
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Grundsätzlich kann die Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild über den Hitzeschild an einem den Brennraum berandenden Brennkammerbauteil fixiert sein. Dieses Brennkammerbauteil ist beispielsweise Teil der Brennkammerbaugruppe und im Bereich eines Brennkammerkopfes der Brennkammer vorgesehen. Zum Beispiel handelt es sich bei diesem Brennkammerbauteil um eine Kopfplatte der Brennkammer. Zur Fixierung der Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild kann der Hitzeschild beispielsweise Befestigungselemente ausbilden, die Befestigungsöffnungen an dem Brennkammerbauteil durchgreifen. An dem Hitzeschild können somit zum Beispiel Bolzen ausgebildet sein, die durch Befestigungsöffnungen an einer Kopfplatte des Brennkammerkopfes gesteckt werden und über hieran aufgedrehte Muttern die Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild an der Kopfplatte fixieren.
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Bei einer vorstehend erläuterten Ausführungsvarianten, bei der der Hitzeschild einen Umgriffsabschnitt für den Umgriff des mindestens einen sich radial nach außen erstreckenden Stegs aufweist, kann eine Stirnseite des Umgriffsabschnitts dem Brennkammerbauteil zugewandt sein, an dem die Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild fixiert wird. Die Baueinheit grenzt hier somit über eine Stirnseite des Umgriffsabschnitts an das Brennkammerbauteil an und kommt hiermit, gegebenenfalls nach im Betrieb des Triebwerks möglicher thermischer Ausdehnung, über die Stirnseite des Umgriffsabschnitts mit dem Brennkammerbauteil zur Anlage. Ein an dem Hitzeschild ausgebildeter Umgriffsabschnitt kann somit ein vorderes Positionierungsteil, zum Beispiel in Form eines Positionierungsringes, ersetzen, das üblicherweise bei bisher in der Praxis üblichen Brennkammerbaugruppen auf einer dem Brennraum zugewandten Seite einer Kopfplatte zwischen der Kopfplatte (als Brennkammerbauteil) und der Brennerdichtung und insbesondere einem hieran ausgebildeten radial vorstehenden Steg vorgesehen wird.
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In einer Ausführungsvariante ist dann zur Lagerung der Brennerdichtung an dem Brennkammerbauteil und zur Anlage der Baueinheit an dem Brennkammerbauteil auch lediglich der Hitzeschild genutzt. Hier ist folglich keine separates (vorderes oder hinteres) Positionierungsteil vorgesehen, das zwischen einem Abschnitt des Hitzeschildes und dem Brennkammerbauteil oder einem Abschnitt des Hitzeschildes und der Brennerdichtung angeordnet würde. Eine solche Brennkammerbaugruppe ist somit beispielsweise positionierungsringfrei.
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Alternativ hierzu kann die Baueinheit auch mit mindestens einem separaten Positionierungsteil kombiniert sein. Die Brennkammerbaugruppe umfasst in einer derartigen Ausführungsvariante beispielsweise mindestens ein separates und damit keinen Teil der Baueinheit aus Hitzeschild und Brennerdichtung bildendes Positionierungsteil, das zwischen dem sich radial nach außen erstreckenden Steg der Brennerdichtung und einem Abschnitt des Brennkammerbauteils, an dem die Baueinheit fixiert wird, angeordnet ist. Bei dem Positionierungsteil handelt es sich somit beispielsweise um einen (vorderen) Positionierungsring, der vor der Anbringung der Baueinheit aus Hitzeschild und Brennerdichtung von dem Brennraum aus an dem Brennkammerbauteil angeordnet wird.
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Der Öffnungsrand kann grundsätzlich bezüglich der Längsachse symmetrisch ausgebildet sein, zum Beispiel kreisringförmig mit gleichbleibender Wandstärke. Der Öffnungsrand ist jedoch auf eine solche Gestaltung nicht festgelegt und kann beispielsweise auch bezüglich der Längsachse asymmetrisch ausgebildet sein. Eine solche asymmetrische Gestaltung schließt insbesondere lokal unterschiedliche Wandstärken und/oder Wendepunkte im Verlauf ein.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen der Hitzeschild und/oder die Brennerdichtung mindestens ein Kühlluftloch und/oder mindestens eine Kühlrippe oder Kühlnoppe auf.
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Zur Reduzierung der zu verwendenden Befestigungselemente für die Fixierung der Brennkammerbaugruppe an einer Brennkammer, an der mehrere Treibstoffdüsen anzuordnen sind, zum Beispiel bei einer Ringbrennkammer eines Gasturbinentriebwerks, kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Brennkammerbaugruppe mindestens zwei Brennerdichtungen umfasst und der Hitzeschild mindestens zwei Durchgangslöcher aufweist, durch die sich jeweils ein Lagerabschnitt einer der mindestens zwei Brennerdichtungen erstreckt. Hier werden somit beispielsweise zwei oder mehr Brennerdichtungen mit einem einzelnen Hitzeschild mit zwei Durchgangslöchern kombiniert.
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Die vorgeschlagene Lösung schließt im Übrigen die Bereitstellung eines Triebwerks, insbesondere eines Gasturbinentriebwerks mit mindestens einer erfindungsgemäßen Brennkammerbaugruppe ein.
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Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennkammerbaugruppe mit einer Brennerdichtung und einem Hitzeschild. Die Brennerdichtung weist auch hier einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Lagerabschnitt auf, der eine Durchgangsöffnung für die Positionierung einer Treibstoffdüse an einer Brennkammer eines Triebwerks aufweist. Der Hitzeschild liegt ferner bei bestimmungsgemäßer Montage an die Brennkammer des Triebwerks innerhalb des Brennraums der Brennkammer vor und weist (mindestens) ein Durchgangsloch auf, durch das sich der Lagerabschnitt der Brennerdichtung erstreckt. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun ferner vorgesehen, dass die Brennerdichtung und der Hitzeschild additiv als Baueinheit gefertigt werden, bei der die Brennerdichtung und der Hitzeschild nicht zerstörungsfrei voneinander trennbar sind.
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In Analogie zu einer erfindungsmäßen Brennkammerbaugruppe wird hier somit vorgeschlagen, eine Baukammerbaugruppe herzustellen, bei der die Brennerdichtung und der Hitzeschild eine (integrale) Baueinheit bilden, wodurch zusätzliche Freiheitsgrade insbesondere in Bezug auf einen im Brennraum liegenden Öffnungsrand der Brennerdichtung gewonnen werden können und/oder die Montage der Brennerdichtung und des Hitzeschildes an die Brennkammer vereinfacht werden kann.
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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Brennerdichtung und der Hitzeschild derart additiv gefertigt werden, dass der Hitzeschild an der Baueinheit zumindest teilweise zwischen (a) einem durch die Brennerdichtung ausgebildeten und, bezogen auf die Längsachse, radial nach außen weisenden Öffnungsrand der Durchgangsöffnung und (b) mindestens einem durch die Brennerdichtung ausgebildeten und sich, ebenfalls bezogen auf die Längsachse, radial nach außen erstreckenden Steg aufgenommen ist. Der Hitzeschild befindet sich somit nach der additiven Fertigung, zum Beispiel mittels Lasersinterns, zwischen zwei radial vorstehenden Abschnitten der Brennerdichtung, über die der Hitzeschild hinweg nicht zerstörungsfrei von der Brennerdichtung getrennt werden kann.
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In einer Ausführungsvariante kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass die Brennerdichtung und der Hitzeschild derart additiv gefertigt werden, dass der Hitzeschild und die Brennerdichtung an der fertiggestellten Baueinheit, bezogen auf die Längsachse, axial, gegebenenfalls auch radial, zueinander verlagerbar sind.
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Grundsätzlich kann mittels einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Brennkammerbaugruppe hergestellt werden. Dementsprechend gelten für Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Brennkammerbaugruppe vorstehend und nachstehend erläuterte Vorteile und Merkmale auch für Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und umgekehrt.
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Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigen:
- 1A-1B jeweils ausschnittsweise Schnittansichten entlang zweier Schnittlinien A-A und B-B (vergleiche 9,10 und 14) einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Brennkammerbaugruppe im Bereich eines Brennkammerkopfes einer Brennkammer;
- 2A-2B in mit den 1A und 1B übereinstimmenden Ansichten eine zweite Ausführungsvariante;
- 3A-3B in mit den 1A und 1B übereinstimmenden Ansichten eine dritte Ausführungsvariante;
- 4A-4B in mit den 1A und 1B übereinstimmenden Ansichten eine vierte Ausführungsvariante;
- 5A-5B in mit den 1A und 1B übereinstimmenden Ansichten eine fünfte Ausführungsvariante;
- 6A-6B in mit den 1A und 1B übereinstimmenden Ansichten eine sechste Ausführungsvariante;
- 7A-7B in mit den 1A und 1B übereinstimmenden Ansichten eine siebte Ausführungsvariante;
- 8A-8B schematisch ein additives Herstellungsverfahren für die Herstellung einer integralen Baueinheit aus Brennerdichtung und Hitzeschild entsprechend der 4A und 4B entlang der Schnitte A-A und B-B;
- 9 eine Rückansicht auf zwei Hitzeschilde einer Brennkammerbaugruppe mit je einer Brennerdichtung unter Darstellung der unterschiedlichen Schnittlinien A-A und B-B für die Schnittansichten der 1A bis 7B;
- 10 eine Rückansicht auf ein Hitzeschild einer Brennkammerbaugruppe mit zwei Durchgangsöffnungen für je eine Brennerdichtung mit Darstellung der unterschiedlichen Schnittlinien A-A und B-B für die Schnittansichten der 1A bis 7B;
- 11 ein Triebwerk, in dem eine Brennkammerbaugruppe entsprechend den 1A bis 10 zum Einsatz kommt;
- 12 ausschnittsweise und in vergrößertem Maßstab die Brennkammer des Triebwerks der 11;
- 13 in Querschnittsansicht den grundsätzlichen Aufbau einer Brennkammer aus dem Stand der Technik in nochmals gegenüber der 12 vergrößertem Maßstab;
- 14 eine Rückansicht auf zwei Hitzeschilde einer Brennkammerbaugruppe mit Darstellung der unterschiedlichen Schnittlinien A-A und B-B;
- 15A-15B Schnittansichten einer Brennkammerbaugruppe des Standes der Technik entlang der Schnittlinien A-A und B-B der 14.
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Die 11 veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein (Turbofan-) Triebwerk T, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Rotationsachse oder Mittelachse M hintereinander angeordnet sind und das Triebwerk T als Turbofan-Triebwerk ausgebildet ist. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung mittels eines Fans F angesaugt. Dieser in einem Fangehäuse FC angeordnete Fan F wird über eine Rotorwelle S angetrieben, die von einer Turbine TT des Triebwerks T in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 111 und einen Hochdruckverdichter 112 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt einerseits in einem Primärluftstrom F1 dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits, zur Erzeugung des Schubs, in einem Sekundärluftstrom F2 einem Sekundärstromkanal oder Bypasskanal B. Der Bypasskanal B verläuft hierbei um ein den Verdichter V und die Turbine TT umfassendes Kerntriebwerk, das einen Primärstromkanal für die durch den Fan F dem Kerntriebwerk zugeführte Luft umfasst.
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Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in einen Brennkammerabschnitt BKA des Kerntriebwerks, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 113, eine Mitteldruckturbine 114 und einen Niederdruckturbine 115 auf.
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Die Turbine TT treibt dabei über die bei der Verbrennung frei werdende Energie die Rotorwelle S und damit den Fan F an, um über die die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch die Abgase aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Austrittskonus C auf.
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12 zeigt einen Längsschnitt durch den Brennkammerabschnitt BKA des Triebwerks T. Hieraus ist insbesondere in eine (Ring-) Brennkammer BK des Triebwerks T ersichtlich. Zur Einspritzung von Kraftstoff respektive eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einen Brennraum 23 der Brennkammer BK ist eine Düsenbaugruppe vorgesehen. Diese umfasst einen Brennkammerring, an dem entlang einer Kreislinie um die Mittelachse M mehrere Treibstoffdüsen 17 angeordnet sind. Hierbei sind an dem Brennkammerring die Düsenaustrittsöffnungen der jeweiligen Treibstoffdüsen 17 vorgesehen, die innerhalb der Brennkammer BK liegen. Jede Treibstoffdüse 17 umfasst dabei einen Flansch, über den eine Treibstoffdüse 17 an ein Außengehäuse 22 des Brennkammerabschnitts BKA geschraubt ist.
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Die 13 zeigt in nochmals gegenüber der 12 vergrößertem Maßstab und in Schnittdarstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennkammer BK und insbesondere die hierbei vorgesehene Gestaltung einer Brennerdichtung 4 und eines Hitzeschildes 2 im Bereich eines Brennkammerkopfes 3 der Brennkammer BK. Die dargestellte Brennkammer BK ist hierbei beispielsweise eine (Voll-) Ringbrennkammer, wie sie in Gasturbinentriebwerken eingesetzt wird.
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Die Brennkammer BK ist im Inneren des Außengehäuses 22 angeordnet. Die Brennkammer BK umfasst (radial) äußere und (radial) innere Brennkammerwände 1a und 1b. Diese Brennkammerwände 1a, 1b sind je nach Konstruktion gegenüber dem Brennraum 23 gegebenenfalls mit einer zweiten Wand 6 abgeschirmt. Diese zeite Wand 6 kann zum Beispiel mittels Bolzen 10 und Muttern 11 mit den inneren und äußeren Brennkammerwänden 1a, 1b verbunden sein. Die Brennkammerwände 1a und 1b weisen üblicherweise Kühllöcher 12 und Mischluftlöcher 7 auf. Ebenso kann die innere Wand 6 mit Effusionskühllöchern 13 versehen sein. Über einen Arm 8 und einem Flansch 9 ist die äußere Brennkammerwand 1a mit dem Außengehäuse 22 verbunden.
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In einem bezogen auf eine Längsachse L vorderen Ende der Brennkammer BK ist ein Brennkammerkopf 3 mit einem Brennkammerbauteil in Form einer Kopfplatte 5 vorgesehen. Über diesen Brennkammerkopf 3 und die Kopfplatte 5 sind die äußeren und inneren Brennkammerwände 1a und 1b miteinander verbunden. Die hier dargestellte Kopfplatte 5 weist Kühllöcher 15 auf. Ferner ist an der Kopfplatte 25 ein Durchgangsloch ausgebildet, das Zugang zu dem Brennraum 23 gewährt und dem die Treibstoffdüse 27 vorgesehen wird.
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Hierbei sorgt eine Brennerdichtung 4 für die Positionierung der Treibstoffdüse 27 in der Kopfplatte 5 und insbesondere dem Durchgangsloch der Kopfplatte 5. Die gegebenenfalls ebenfalls mit Kühllöchern 16 versehene Brennerdichtung 4 ist hierbei schwimmend gelagert und wird bei der dargestellten Ausführungsvariante aus dem Stand der Technik mithilfe eines vorderen Positionierungsteils in Form eines vorderen Positionierungsringes 24 und mithilfe eines hinteren Positionierungsteils in Form eines hinteren Positionierungsringes 28 an der Kopfplatte 5 positioniert. Ferner ist die Brennerdichtung 4 mit einem in dem Brennraum 23 liegenden Hitzeschild 2 verschraubt. Hierfür bildet der Hitzeschild 2 Bolzen 17 aus, die durch Befestigungsöffnungen an der Kopfplatte 5 geführt sind und auf die von der Seite des Brennkammerkopfes 3 aus Muttern 11 aufgeschraubt sind. Der Zugang für die Montage der Muttern 11 ist dabei über im Brennkammerkopf 3 vorgesehene Löcher 19 ermöglicht. Entsprechend der Darstellung der 13 kann der Hitzeschild 2 grundsätzlich ebenfalls über Kühlluftlöcher 14 und Kühlrippen oder Kühlnoppen 29 verfügen. Die Bolzen 17 können Im Übrigen auch als separate Bauteile ausgeführt und mithin nicht von dem Hitzeschild 2 ausgebildet sein. Derartige Bolzen 17 werden dann beispielsweise von der Seite des Brennkammerkopfes 3 aus in Gewindeöffnungen des Hitzeschildes 2 eingedreht.
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In der Rückansicht der 14 sind ausschnittsweise zwei entlang des Umfangs der Brennkammer 23 aufeinander folgende Hitzeschilde 2 dargestellt sowie die Anordnung der Bolzen 17 in Relation zu einem Durchgangsloch 26 des jeweiligen Hitzeschildes 2, durch das sich die Brennerdichtung 4 mit einem Lagerabschnitt 41 für die Positionierung der Treibstoffdüse 17 erstreckt.
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Wie anhand der Schnittdarstellungen der 15A und 15B entlang der in der 14 gezeigten Schnittlinien A-A und B-B gezeigt ist, ragt die Brennerdichtung 4 hierbei mit dem Lagerabschnitt 41 durch die Durchgangsöffnung 26 des jeweiligen Hitzeschildes 2, wenn die Brennkammerbaugruppe bestimmungsgemäß montiert ist. Der Lagerabschnitt 41 ragt dann mit einem das brennraumseitige Ende einer Durchgangsöffnung 400 für die Positionierung der Treibstoffdüse 17 bildenden Öffnungsrand 40 in den Brennraum 23 hinein. Dieser Öffnungsrand 40 weitet sich entlang der Längsachse L, entlang der sich der Lagerabschnitt 41 erstreckt, ist zu einem Durchmesser D auf und weist somit radial nach außen.
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Für die bestimmungsgemäße Positionierung und Lagerung der Brennerdichtung 4 an der Kopfplatte 5 bildet der Lagerabschnitt 41 an seiner äußeren Mantelfläche einen ringförmig umlaufenden und sich radial nach außen erstreckenden Steg 42 aus. Der sich radial nach außen erstreckende Steg bildet somit einen (ringförmigen) Überstand respektive Radialsteg 42 an der Brennerdichtung 4 aus. Der Radialsteg 42 ist dabei zwischen den zwei Positionierungsringen 24 und 28 formschlüssig aufgenommen und hierüber schwimmend an der Kopfplatte 5 gelagert. Die Brennerdichtung 4 ist somit im Betrieb des Triebwerks T in axialer Richtung (bezüglich der Längsachse L) relativ zu der Kopfplatte 5 verlagerbar gehalten und kann sich auch in radialer Richtung ausdehnen.
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Um eine bestimmungsgemäße Positionierung der Brennerdichtung 4 an der Kopfplatte 5 sicherzustellen, stützt sich der mit der Kopfplatte 5 verschraubte Hitzeschild 2 einerseits an einer dem Brennraum 23 zugewandten Innenseite der Kopfplatte 5 ab. Ein radial außen liegender Außenrand 2b des Hitzeschildes 2 liegt hierfür an der Innenseite der Kopfplatte 5 an, wenn die Brennkammerbaugruppe bestimmungsgemäß montiert ist. Ferner bildet der Hitzeschild 2 eine radial innen liegenden Innenrand 2a aus, an dem der hintere Positionierungsring 28 anliegen kann. Der vorstehende Radialsteg 42 der Brennerdichtung 4 ist somit teilweise zwischen den beiden vorderen und hinteren Positionierungsringen 24 und 28 aufgenommen, während der hintere Positionierungsring 28 zumindest teilweise zwischen dem vorstehenden Radialsteg 42 und dem Innenrand 2a des Hitzeschildes 2 liegt.
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Bei einer Montage der Brennkammerbaugruppe, die anhand einer Montagereihenfolge mit den Schritten 1. bis 5. in den 15A und 15B skizziert ist, muss folglich zunächst vom Brennraum 23 aus 1. der vordere Positionierungsring 24 eingelegt und an der Kopfplatte 5 angeordnet werden. Im Anschluss folgt dann 2. die Brennerdichtung 4 von der Seite des Brennraums 23 aus, bevor 3. der hintere Positionierungsring 28 eingelegt wird. Zum Schluss folgt dann 4. die Anordnung des Hitzeschildes 2, der 5. von der Seite des Brennkammerkopfes 3 aus mittels der Bolzen 17 und Muttern 11 mit der Kopfplatte 5 fest verschraubt wird, um die Brennkammerbaugruppe an der Kopfplatte 5 zu fixieren. Die einzelnen Komponenten, vorderer Positionierungsring 24, Brennerdichtung 4, hinterer Positionierungsring 28 und Hitzeschild 2 werden somit nacheinander entlang einer ersten Anbringungsrichtung R1 von dem Brennraum 23 aus an der Kopfplatte 5 und insbesondere deren Durchgangsloch angeordnet. Im Anschluss erfolgte dann entlang einer entgegengesetzten Anbringungsrichtung R2 das Ansetzen der Muttern 11 und damit die Fixierung des Hitzeschildes 2 der Kopfplatte 5, wodurch die Brennerdichtung 4 bestimmungsgemäß positioniert und schwimmend gelagert ist.
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Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerbaugruppe der 15A und 15B ist entsprechend der vorstehend skizzierten Montagereihenfolge zwingend notwendig, den Durchmesser D des Öffnungsrandes 40 am Ende des Lagerabschnitts 41 zumindest geringfügig kleiner auszuführen als das Durchgangsloch 26 des Hitzeschildes 2. Andernfalls kann der Hitzeschild 2 mit seinem Durchgangsloch 26 nicht über den Öffnungsrand 40 geschoben und der Hitzeschild 2 an der Kopfplatte 5 verschraubt werden. Ein größerer Durchmesser des Öffnungsrandes 40 ist dabei aber grundsätzlich mit Blick auf die Führung des Treibstoff-Luft-Gemisches aus der in die Durchgangsöffnung 400 des Lagerabschnitts 41 eingesteckten Treibstoffdüse 27 wünschenswert, um Rußemissionen im Betrieb des Triebwerks T zu reduzieren. So würde über einen sich stärker, d.h. bis auf einen größeren Durchmesser aufweitenden Öffnungsrand 40 die Führung des Treibstoff-Luft-Gemisches und die Vermischung in der Primärzone verbessert. Ferner wäre eine Erleichterung der vorstehend skizzierten Montage wünschenswert.
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Hier schafft die erfindungsgemäße Lösung Abhilfe.
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In den in den beigefügten 1A bis 7B, 8A bis 8B, 9 und 10 dargestellten Ausführungsvarianten ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, die Brennerdichtung 4 und den Hitzeschild 2 additiv gemeinsam in einem Fertigungsprozess als integrale Baueinheit herzustellen. Hierüber sind die Brennerdichtung 4 und Hitzeschild 2 in den dargestellten Ausführungsvarianten untrennbar derart miteinander verbunden, das der Hitzeschild 2 zumindest teilweise zwischen dem radial nach außen weisenden Öffnungsrand 40 und dem sich radial nach außen erstreckenden Radialsteg 42 aufgenommen ist.
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Durch die Integration der Brennerdichtung 4 und des Hitzeschildes 2 in einer Baueinheit entfällt die Limitierung, dass der Durchmesser D des Durchgangsloches 26 in dem Hitzeschild 2 vom Durchmesser des Öffnungsrand des 40 nicht überschritten werden darf. So veranschaulicht beispielsweise die Ausführungsvariante der 1A und 1B eine erste Ausführungsvariante einer Brennkammerbaugruppe, bei der Öffnungsrand 40 gegenüber der bisher aus dem Stand der Technik der 15 A und 15B bekannten Variante deutlich stärker aufgeweitet ist, und zwar auf einen Durchmesser Do. Der Durchmesser Do ist deutlich größer ist als der Durchmesser D des Durchgangsloches 26 in dem Hitzeschild 2 und übersteigt diesen z.B. um wenigstens 5%. Der Öffnungsrand 40 verläuft hier ferner unter einem Öffnungswinkel α im Bereich 20° und 50°, z.B. im Bereich von 35° bis 50° und insbesondere von etwa 40° zu der Längsachse L. Auch hierdurch lässt sich die Führung des Treibstoff-Luft-Gemisches und die Vermischung in der Primärzone verbessern.
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Bei der Montage der Brennkammerbaugruppe wird nun lediglich von der Brennraumseite aus ein gegebenenfalls noch vorhandener vorderer Positionierungsring 24 eingelegt, bevor dann die Baueinheit aus Brennerdichtung 4 und Hitzeschild 2 an der Kopfplatte 5 angesetzt und anschließend fixiert wird (Montageschritte 1., 2. und 3. in den 1A und 1B). Bei der Ausführungsvariante der 1A und 1B ist dementsprechend ein hinterer Positionsring 28 in den Hitzeschild 2 integriert, sodass der Hitzeschild 2 mit einem Positionierungsabschnitt 20a an seinem Innenrand 2a dem Randsteg 42 der Brennerdichtung 4 unmittelbar gegenüberliegt. Wie in der 1A und 1B ferner angedeutet ist, kann der Hitzeschild 2 auch den vorderen Positionsring 24 integrieren und folglich den Radialsteg 42 umgreifen. Dies ist nachfolgend insbesondere unter Verweis auf die Ausführungsvariante 3A und 3B näher erläutert.
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Bei der Ausführungsvariante der 2A und 2B bleibt der Positionierungsring 24 ebenfalls erhalten. Der Hitzeschild 2 und die Brennerdichtung 4 sind jedoch ebenfalls als additiv gefertigte Baueinheit ausgebildet. Der der Öffnungsrand 40 der Brennerdichtung 4 weist ferner einen Öffnungswinkel α zwischen 20° und 50° auf. Ferner erstreckt sich der sich aufweitende Öffnungsrand 40 mit vergleichsweise großer axiale Länge in den Brennraum 23 hinein, um das Treibstoff-Luft-Gemisch aus der Treibstoffdüse 17 gezielt in das Innere des Brennraums 23 zu führen. Die radiale Erstreckung des Öffnungsrandes 40 führt dann auch hier zu einem größeren Durchmesser als beim Durchgangsloch 26 im Hitzeschild 2 und dem Durchgangsloch in der Kopfplatte 5.
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Bei der Ausführungsvariante der 3A und 3B ist der Hitzeschild 2 mit einem Umgriffsabschnitt 2c ausgeführt, der den Radialsteg 42 der Brennerdichtung 4 umgreift. Der Umgriffsabschnitt 2c definiert einen kreisförmig umlaufenden Ringspalt 200, in dem der Radialsteg 42 formschlüssig aufgenommen ist. Der Umgriffsabschnitt 2c stellt hierbei aber weiterhin insbesondere eine axiale Verlagerbarkeit der Brennerdichtung 2 entlang der Längsachse L im Betrieb des Triebwerks T sicher, sodass die Brennerdichtung 2 auch hier schwimmend gelagert ist.
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Bei der in dieser Hinsicht mit der Ausführungsvariante der 3A und 3B übereinstimmenden Ausführungsvariante der 4A und 4B ist in Ergänzung vorgesehen, dass die Kontur des Hitzeschädels 2 der Kontur des Öffnungsrandes 40 folgt. Hierfür ist dann auch ein Anlageabschnitt 21b des Außenrandes 2b zur Anlage an einem radial äußeren Bereich der Kopfplatte 5 (auf der dem Brennraum 23 zugewandten Innenseite der Kopfplatte 5) mit einer größeren axialen Länge ausgebildet.
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Bei der Ausführungsvariante der
5A und
5B ist der Öffnungsrand
40 der Brennerdichtung
4 soweit radial nach außen gezogen, dass der Öffnungsrand
40 die Funktion des Hitzeschildes
2 (zumindest teilweise) übernimmt. Der Öffnungsrand
40 erstreckt sich hierbei mindestens bis zu dem radial äußersten Außenrand
2b des Hitzeschildes
2, sodass der Öffnungsrand
40 vom Brennraum
23 aus entlang der Längsachse
L gesehen den Hitzeschild
2 vollständig überdeckt. Indem der Öffnungsrand
40 die Funktion des Hitzeschild
2 (zumindest teilweise) übernimmt, kann dieser mit Kühlluftlöchern
14 bzw. einer entsprechenden internen Kühlung entsprechend der
DE 10 2016 212 649.0 ausgestaltet sein. Das Hitzeschild
2 kann ferner einfacher gestaltet werden, beispielsweise ohne Kühlluftlöcher
14 und/oder ohne Kühlrippen oder Kühlnoppen
29.
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Die 6A und 6B sowie 7A und 7B veranschaulichen Weiterbildungen der Ausführungsvarianten der 5A und 5B respektive der 3A und 3B. Hierbei veranschaulichen die dargestellten Weiterbildungen, dass es in Abweichung von den Ausführungsvarianten der 5A und 5B sowie 3A und 3B nicht zwingend ist, dass der Öffnungsrand 40 symmetrisch zur Längsachse L ausgebildet ist. So kann der Öffnungsrand 40 auch asymmetrisch ausgebildet sein und lokal unterschiedliche Wandstärken und/oder Wendepunkte im Verlauf aufweisen.
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Anhand der 8A und 8B ist schematisch ein additives Herstellungsverfahren für die Baueinheit aus Hitzeschild 2 und Brennerdichtung 4 veranschaulicht. Hierbei wird auf einer Grundplatte 30, zum Beispiel als Teil einer Lasersintermaschine, die Baueinheit schichtweise aufgebaut. Dabei werden Bauteilbereiche und Bauteilabschnitte, die nicht in direktem Kontakt zu anderen Bauteilabschnitten oder -bereichen oder der Grundplatte 30 stehen (insbesondere diejenigen Abschnitte und Bereiche, die unter einem Winkel kleiner 40° zu der Längsachse L aufgebaut werden) mithilfe einer oder mehrerer Stützkonstruktionen 31 abgestützt. Eine solche Stützkonstruktion 31 kann dabei beispielsweise ebenfalls additiv schichtweise mit aufgebaut werden, bildet dann aber an der fertig gestellten Baueinheit aus Hitzeschild 2 und Brennerdichtung 4 keinen Teil der Brennkammerbaugruppe und wird hierfür beispielsweise wieder entfernt.
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Wie anhand der Schnitte in den 9 und 10 für jeweils zwei unterschiedliche Rückansichten auf unterschiedliche Brennkammerbaugruppen veranschaulicht ist, können die Ausführungsvarianten der 1A bis 7A Teil einer Brennkammerbaugruppe sein, bei der je Treibstoffdüse 17 und damit je Brennerdichtung 4 genau ein Durchgangsloch 26 aufweisender Hitzeschild 2 zur Verschraubung an der Kopfplatte 5 vorgesehen ist (9). Alternativ kann die Brennkammerbaugruppe einen Hitzeschild 2 umfassen, an dem zwei Durchgangslöcher 26 für je eine von mindestens zwei Brennkammerdichtungen 4 vorgesehen ist. Hierüber lässt sich die Anzahl der zu verwendenden Befestigungselemente, hier in Form der Bolzen 17, die für die Fixierung einer Kopfplatte 5 notwendig sind, deutlich reduzieren.
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Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass sowohl etwaige Kühllöcher oder Kühlluftlöcher
14 in der Brennerdichtung
4 und/oder dem Hitzeschild
2 als auch etwaige Kühlrippen oder Kühlnoppen
29 an dem Hitzeschild
2 integral im Wege eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein können. In diesem Zusammenhang sei ebenfalls darauf verwiesen, dass insbesondere Kühllöcher und Kühlkanäle entsprechend der
DE 10 2016 212 649.0 an der Brennerdichtung
4 und/oder dem Hitzeschild
2 ausgebildet sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- (äußere / innere) Brennkammerwand
- 10
- Bolzen (Befestigungselement)
- 11
- Mutter
- 111
- Niederdruckverdichter
- 112
- Hochdruckverdichter
- 113
- Hochdruckturbine
- 114
- Mitteldruckturbine
- 115
- Niederdruckturbine
- 12
- Kühlloch
- 13
- Effusionskühlloch
- 14
- Kühlluftloch
- 15
- Kühlloch
- 16
- Kühlloch
- 17
- Bolzen
- 19
- Loch
- 2
- Hitzeschild
- 200
- Ringspalt
- 22
- Außengehäuse
- 23
- Brennraum
- 24
- Vorderer Positionsring
- 26
- Durchgangsloch
- 27
- Treibstoffdüse
- 28
- Hinterer Positionsring
- 29
- Kühlrippe /-noppe
- 2a
- Innenrand
- 20a
- Positionierungsabschnitt
- 2b
- Außenrand
- 21b
- Anlageabschnitt
- 2c
- Umgriffabschnitt
- 3
- Brennkammerkopf
- 30
- Grundplattte
- 31
- Stützkonstruktion
- 4
- Brennerdichtung
- 40
- Öffnungsrand
- 400
- Durchgangsöffnung
- 41
- Lagerabschnitt
- 42
- (ringförmiger) Überstand / Radialsteg
- 5
- Kopfplatte (Brennkammerbauteil)
- 6
- Wand
- 7
- Mischluftloch
- 8
- Arm
- 9
- Flansch
- A
- Auslass
- B
- Bypasskanal
- BK
- Brennkammer
- BKA
- Brennkammerabschnitt
- C
- Autrittskonus
- D, Do
- Durchmesser
- E
- Einlass / Intake
- F
- Fan
- F1, F2
- Fluidstrom
- FC
- Fangehäuse
- L
- Längsachse
- M
- Mittelachse / Rotationsachse
- R1, R2
- Einbaurichtung
- S
- Rotorwelle
- T
- (Turbofan-)Triebwerk
- TT
- Turbine
- V
- Verdichter
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016212649 [0013, 0053, 0057]
