DE1250196B - Anordnung des Düsenkörpers von hakenförmigen Brennstoffeinspritzdüsen an der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F02c

Deutsche Kl.: 46f-14

Nummer: 1250196

Aktenzeichen: D 482171 a/46 f

Anmeldetag: 16. September 1965

Auslegetag: 14. September 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung des Düsenkörpers von hakenförmigen Brennstoffeinspritzdüsen an der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken durch einen am Düsenkörper vorgesehenen Befestigungsflansch, der lösbar mit der Brennkammeraußenwand verbunden ist, wobei das Düsenmundstück im Flammenhalter eingesetzt ist.

Bei Brennkammern von Gasturbinentriebwerken sind, wie die schweizerische Patentschrift 276 515 (F i g. 5) zeigt, Brennstoffeinspritzvorrichtungen bekannt, die im wesentlichen aus einem dem Flammenhalter zugeordneten Düsenmundstück, aus einem außen an der Brennkammerwand befestigten Fitting und aus zwei zwischen dem letzteren und dem Düsenmundstück verlaufenden, in der Mitte ihrer Länge um etwa 80° abgekrümmten Brennstoffzulaufrohren bestehen. Der Fitting weist dabei einen herstellungstechnisch teueren kugelzonenförmigen Befestigungsteil auf, der in einem innen kugelzonenförmig gestalteten Lager winkelbeweglich angeordnet ist. Das vordere, zylindrische Ende des Düsenmundstücks ist in axialer Richtung verschiebbar in einer Zentriernabe des Flammenhalters gelagert, an deren Außenumfang Schaufeln zur Erzeugung einer Drallströmung des zentral eintretenden Teiles der Primärluft vorgesehen sind.

Bei dieser bekannten Anordnung treten Schwierigkeiten in der Beherrschung der während des Betriebes auftretenden Wärmespannungen und Ausdehnungsunterschiede zwischen der Einspritzvorrichtung bzw. dem Befestigungsteil und den Brennkammerwänden sowie zwischen dem Flammenhalter bzw. der Zentriernabe und dem Düsenmundstück auf, so daß diese Bauteile einer nicht unerheblichen Belastung ausgesetzt sind. Die beiden Brennstoffzulaufrohre sind durch ihre Abkrümmung zwar geeignet, in bestimmtem Umfang Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen der Brennkammer und der Düsenvorrichtung aufzunehmen. Es darf jedoch nicht außer acht gelassen werden, daß der eine Blechkonstruktion darstellende und vor allen Dingen thermisch hochbelastete und dadurch festigkeitsmäßig geschwächte Flammenhalter gegenüber den durch den ständigen Brennstoffstrom und durch den Strom der primären und sekundären Verdichterluft (Verbrennungsluft) intensiv gekühlten Brennstoffzulaufrohren vergleichsweise nachgiebiger ist. Hinzu kommt, daß die Brennstoffzulaufrohre durch den hohen Brennstoffdruck (100 bis 120 atü) bei einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser sehr starkwandig und damit äußerst steif sind, so daß ihre abgekrümmte Gestaltung nicht als »Ausdehnungs-Anordnung des Düsenkörpers von hakenförmigen Brennstoffeinspritzdüsen an der Brennkammer
von Gasturbinentriebwerken

Anmelder:

Daimler-Benz Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Untertürkheim, Mercedesstr. 136

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Werner Bruder, Neckarrems;

Christian Schmitz, Engelberg, Post Schorndorf

schleife« aufgefaßt werden kann. Zur Aufnahme der in Rede stehenden Ausdehnungsunterschiede verziehtet man, wie die Ausführung nach der schweizerischen Patentschrift 276515 zeigt, auf eine in axialer Richtung feste Fixierung des Düsenmundstückes in der Nabe des Flammenhalters, was aber noch den Nachteil mit sich bringt, daß die Einspritzdüsenmündung bei verschiedenen Betriebstemperaturen, d. h. in verschiedenen Leistungsbereichen ihre Stellung gegenüber dem Flammenhalter verändert, so daß der Verbrennungsablauf über den ganzen Lastbereich nicht optimal abläuft.

Bei der Installierung von sogenannten Hakendüsen tritt außerdem der Nachteil ein, daß sich mit zunehmender Betriebstemperatur bzw. größer werdenden Wärmeausdehnungen der radial um das Düsenmundstück befindliche Luftringspalt oder die innerhalb des nabenförmigen Düsenhalters vorgesehenen sternförmigen Luftdurchlaßöffnungen durch exzentrische Versetzungen des Düsenmundstücks verändern, wodurch Störungen im Verbrennungsablauf eintreten, wie Verkokungen an der Düsenmündung, örtliche Überhitzungen, Schwierigkeiten beim Anlassen, möglicherweise Verlöschen der Flamme und ähnliche Erscheinungen. Ferner besteht durch große Wärmespannungen die Gefahr der Rißbildung an der Brennkammeraußenwand und am Befestigungsflansch des Düsenkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Anordnungen von Einspritzdüsenkörpern und die damit verbundenen ,Schwierigkeiten und Gefahrenmomente zu vermeiden.

Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Befestigungsflansch des Düsenkörpers zur elastischen Aufnahme der Aus-

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dehnungsunterschiede zwischen dem Brennkammersystem und dem Düsenkörper als einen in axialer Richtung zur Flanschebene nachgiebigen Dehnkörper zu gestalten.

In Ausführung der Erfindung weist der Befestigungsflansch einen verhältnismäßig dünnwandigen Dehnkragen auf, der mit einer Abrundung mit verhältnismäßig großem Krümmungsradius in einen verstärkten Flanschfuß übergeht.

F i g. 1 den vorderen Teil einer Brennkammer mit der Anordnung des Einspritzdüsenkörpers,
Fig. la eine Einzelheit nach Fig. 1,
Fig. 2 eine weitere, besondere Ausführungsvariante des Befestigungsflansches und

F i g. 3 eine Ausführung, wonach der Befestigungsflansch ein eigenes, mit dem Düsenkörper lösbar verbundenes Bauteil darstellt.

Der hakenförmige Einspritzdüsenkörper 11 weist

Um den Dehnkragen des Befestigungsflansches für io gemäß der F i g. 1 einen Befestigungsflansch 12 auf, axiale Dehnungen besonders geeignet zu machen und mit dem er auf der Außenwand 13 der Brennkammer auch in geringen Grenzen winkelbeweglich zu ge- 14 bzw. auf einem an der Außenwand 13 vorgesehestalten, kann er gekrümmt oder halbwellenförmig nen Lagerbock 15 durch Schrauben 16 lösbar beausgebildet sein. festigt ist. Das Düsenmundstück 17 sitzt in einer Um von der Zentriernabe des Flammenhalters 15 Nabe 18 des Flammenhalters 19 und ist dort in und dem Düsenkörper selbst die auf den Befesti- radialer sowie in axialer Richtung über einen gungsflansch einwirkenden Belastungen fernzuhalten, Distanzring 20 fixiert. Dessen hintere Stirnfläche wird ferner gemäß weiterer Ausgestaltung der Er- stützt sich an einer auf dem Umfang des Düsenfindung das hintere Ende des in der Längsachse der mundstücke 17 befindlichen Abstufung 28 ab. Die Düsenmündung sich erstreckenden Teiles des haken- 20 Nabe 18 des Flammenhalters 19 ist an ihrem Innenförmigen Düsenkörpers durch senkrecht zu dieser umfang sternartig ausgebildet, wobei durch die vorAchse wirksame, in der Düsenkörperebene liegende, handenen Sternlücken die Brennstoffzerstäuberluft 29 an der inneren Luftführung angebrachte Höcker ab- strömt. Die Sternzacken 30 bilden einen radialen gestützt Diese Höcker fangen also die senkrecht zur Bund 30 a, der einen axialen Anschlag für das vor-Befestigungsflanschebene auftretende Reaktionskräfte 25 dere Stirnende des Distanzringes 20 darstellt, durch ab, so daß die Zentrierung des Düsenmundstücks dessen Länge die Stellung der Düsenmündung 31 entlastet ist, während die Dehnungsdifferenzen zwi- zum Flammenhalter bestimmt werden kann. Der Besehen dem Düsenkörper und der Brennkammer- festigungsflansch 12 besteht aus einem verhältnisaußenwand nur durch den Befestigungsflansch auf- mäßig dünnwandigen Dehnkragen 21 und einem vergenommen werden und darin zum Abklingen korn- 3° stärkten Flanschfuß 22. Der Übergang zwischen dem

men. In Richtung der Längsachse der Düsenmündung bilden diese Abstützhöcker dagegen kein Hindernis.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht

Dehnkragen 21 und dem Flanschfuß 22 erfolgt festigkeitsgerecht durch eine Abrundung 23 mit verhältnismäßig großem Krümmungsradius.

Die Anordnung des Düsenkörpers 11 erfolgt bei

darin, die Anordnung des Düsenkörpers bzw. seine 35 kaltem Triebwerk bzw. kalter Brennkammer derart, Befestigung so vorzunehmen, daß die Wärinedeh- daß im Befestigungsflansch 12 bzw. im Dehnkragen nungen und -spannungen während des Betriebes
kompensiert oder zumindest reduziert werden, um

Maximalspannungen von vornherein zu vermeiden.

21 eine VorSpannkraft V erzeugt wird, die etwa die Hälfte der maximalen Wärmeausdehnung bzw. der Wärmespannung W während des Betriebes des

Um dies zu erreichen, wird in weiterer Ausgestal- 40 Triebwerkes beträgt. Bei steigender Erwärmung der tung der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß Brennkammer dehnt sich nämlich diese bzw. deren bei kaltem Triebwerk bzw. kalter Brennkammer der Außenwand 13 stärker aus als der Einspritzdüsen-Befestigungsflansch eine der Wärmespannung wäh- körper 11, der laufend vom durchströmenden Brennrend des Betriebes entgegengerichtete Vorspannung stoff gekühlt wird, so daß durch die entgegengesetzt aufweist. Zweckmäßig ist es, die Vorspannung so zu 45 gerichtete Wärmespannung W (maximal aufwählen, daß sie die Hälfte der maximalen Wärme- tretende Wärmespannung) die Vorspannkraft V aufspannung beträgt, so daß die absolute Höchstspan- gehoben wird und eine wirksame Restwärmespannung der im Bereich der Anordnung eingesetzten nung Wr übrigbleibt, die in jedem Fall kleiner ist Bauteile nur mehr die Hälfte der maximalen Be- als die maximale Wärmespannung W. Die Größe der triebsspannung beträgt, und während der mittleren 50 Vorspannung V kann bestimmt werden durch eine Belastung des Triebwerkes die absolute Spannung zwischen den Flanschfuß 22 und den Sitz 24 gelegte um den Wert Null oder nur etwas darüber liegt. Distanzscheibe 25. Diese dient auch zum Ausgleich

• Um die gewünschte Vorspannung für den Be- von Fertigungsungenauigkeiten. Um von der Nabe festigungsflansch ohne wesentliche Umstände zu er- 18 des Flammenhalters 19 und dem Düsenkörper 11 reichen, kann zwischen der Unterseite des Flansch- 55 die auf den Befestigungsflansch 12 einwirkenden Befußes und dessen Sitz auf der Brennkammeraußen- lastungen fernzuhalten, ist das hintere Ende 32 des in wand eine Distanzscheibe mit einer entsprechenden der Längsachse L der Düsenmündung 31 sich er-Höhe (Dicke) eingelegt werden. streckenden Teiles des hakenförmigen Düsenkörpers

Ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung 11 durch senkrecht zu dieser Achse L wirksame, in besteht darin, den Befestigungsflansch als eigenes 60 der Düsenkörperebene (Zeichnungsebene) liegende, Bauteil auszubilden und mit dem Düsenkörper lös- an der Luftführung 33 angebrachte Höcker 34 abbar zu verbinden. Diese Maßnahme bringt den gestützt. Die Höcker 34 fangen also die senkrecht Vorteil mit sich, daß sowohl für den Düsenkörper zur Ebene des Befestigungsflansches 12 auftretenden als auch für den Befestigungsflansch der geeignetste Reaktionskräfte ab, so daß die Zentrierung des Werkstoff gewählt werden kann, wie z. B. für den. 65 Düsenmundstückes 17 voll entlastet ist, während die letzteren Bauteil Federstahl. Dehnungsdifferenzen zwischen dem Düsenkörper 11

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der und der Brennkammeraußenwand 13 nur durch den Erfindung dargestellt. Es zeigt Befestigungsflansch 12 aufgenommen werden und

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darin zum Abklingen kommen. In Richtung der Längsachse L der Düsenmündung 31 bilden diese Abstützhöcker 34 dagegen kein Hindernis.

Wie aus der F i g. 2 hervorgeht, ist hierbei der Dehnkragen 21a des Befestigungsflansches 12 gekrümmt bzw. halbwellenförmig ausgebildet. Durch diese Gestaltung ist er gut dafür geeignet, sich unter Einwirkung von Wärmespannungen bzw. -dehnungen elastisch zu verformen, und zwar hauptsächlich in axialer Richtung zur Flanschebene, aber auch in geringen Grenzen winkelbeweglich.

Nach der F i g. 3 ist der Befestigungsflansch 112 als eigener Bauteil ausgeführt und mit dem Kopf 26 des Düsenkörpers 11 durch Schrauben 27 lösbar verbunden. Der Befestigungsflansch 112 kann hierbei aus Federstahl hergestellt sein, so. daß er dadurch seiner Aufgabe besonders gut gerecht werden kann.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Anordnung des Düsenkörpers von hakenförmigen Brennstoffeinspritzdüsen an der Brennkammer von Gasturbinentriebwerken durch einen am Düsenkörper vorgesehenen Befestigungsflansch, der lösbar mit der Brennkammeraußenwand verbunden ist, wobei das Düsenmundstück im Flammenhalter eingesetzt ist, dadurch ge-, kennzeichnet, daß der Befestigungsflansch (12 bzw. 112) des Düsenkörpers (11) zur elastischen Aufnahme der Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Brennkammersystem und dem Düsenkörper (11) als ein in axialer Richtung zur Flanschebene nachgiebiger Dehnkörper gestaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsflansch (12 bzw. 112) einen dünnwandigen Dehnkragen (21 bzw. 21a) aufweist, der mit einer Abrundung (23) mit großem Krümmungsradius in einen verstärkten Flanschfuß (22) übergeht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnkragen (21a) des Befestigungsflansches (12) gekrümmt oder halbwellenförmig ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei kaltem Triebwerk bzw. kalter Brennkammer (14) der Befestigungsflansch (12 bzw. 112) eine der während des Betriebes auftretenden Wärmespannungen (W) entgegengerichtete Vorspannung (F) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (F) des Befestigungsflansches (12 bzw. 112) die Hälfte der maximalen Wärmespannung (W) beträgt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterseite des Flanschfußes (22) und dessen Sitz (24) eine Distanzscheibe (25) mit entsprechender Höhe zum Bestimmen der beabsichtigten Vorspannung (F) und zum Ausgleich von Fertigungsungenauigkeiten eingelegt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsflansch (112) als eigener Bauteil ausgeführt und mit dem Kopf (26) des Düsenkörpers (11) lösbar verbunden ist. ■

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsflansch (112) aus hochelastischem Werkstoff, wie Federstahl, hergestellt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Ende (32) des in der Längsachse (L) der Düsenmündung (31) sich erstreckenden Teiles des hakenförmigen Düsenkörpers (11) durch senkrecht zu dieser Achse (L) wirksame, in der Düsenkörperebene liegende, an der Luftführung (33) angebrachte Hocker (34) abgestützt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 276 515.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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