DE2227960C3 - Ringbrennkammer für ein Gasturbinenstrahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer Ringwand, die teilweise aus einem kreisförmigen Keramikring besteht, wobei die Kammer und der Keramikring je mit einer ersten kegelstumpfförmigen Fläche und einer zweiten Ringfläche versehen sind, die sich mit einer radialen Richtungskomponente erstreckt, und wobei die erste und zweite Fläche des Keramikrings der ersten und zweiten Fläche der Kammer gleichen und an der ersten und zweiten Fläche der Kammer anliegen.

Durch Verwendung von Keramikmaterialien ist man in der Lage, den Wirkungsgrad bei Gasturbinen zu erhöhen, weil diese Werkstoffe eine erhöhte Temperaturbeanspruchung zulassen. Derartige mit Keramikmaterial ausgerüstete Brennkammern für Gasturbinen sind beispielsweise aus der DT-PS 7 68 103 und DT-PS 21 647 bekannt. Schwierigkeiten bereitet bei derartigen aus Keramikmaterial bestehenden Teilen die 6$ Schaffung eines zufriedenstellenden Trägeraufbaus, weil die Keramikwerkstoffe äußerst spröde sind, und geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Bei der an zweiter Stelle genannten bekannten Verbrennungskammer erfolgt die Festlegung der Keramikteile durch Längsführungsplatten» die gleichgefoitrite Kanten der Steine umgreifen. Im Falle der in der DT-PS 7 68103 beschriebenen Brennkammer ist die Halterung der Auskleidung im Einzelnen nicht beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Keramikeinsatz bei einer derartigen Brennkammer auf einfache Weise dauerhaft und zuverlässig so festeulegen, daß ein Springen der Keramikteile nicht zu befürchten ist

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer '. Ringbrennkammer der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß der Keramikring sowohl in axialer ^Richtung als auch in radialer Richtung durch Kompression zwischen der ersten, und zweiten Fläche der Kammer gehaltert ist, wobei Federn die ersten und zweiten Flächender Kammer aufeinander drücken. Auf diese Weise wird eine bis zu einem gewissen Grad nachgiebige Lagerung ermöglicht, die einen Ausgleich hinsichtlich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen zuläßt, und das Auftreten unzulässig hoher mechanischer Spannungen im Keramikkörper vermeidet

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise abgebrochene schematische Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Ringbrennkammer,

Fig.2 in größerem Maßstab einen Schnitt der Ringbrennkammer gemäß Fig. 1,

Fig.3 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ringbrennkammer,

Fig.4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkammer.

Das in F i g. 1 dargestellte Gasturbinenstrahltriebwerk 10 besteht aus einem Kompressor 11, einer Verbrennungseinrichtung 12, einer Turbine 13 und einer Schubdüse 14. In der Höhe der Verbrennungseinrichtung ist das Gehäuse des Triebwerks aufgebrochen dargestellt um die Ringbrennkammer 15 erkennen zu lassen, die im einzelnen in F i g. 2 dargestellt ist.

In Fig.2 ist ein äußeres Gehäuse 16 und ein zusammengesetztes inneres Gehäuse 17 gezeigt, zwischen denen die ringförmige Brennkammer liegt. Hierdurch wird ein Mundstück 18 gebildet, durch das Primärluft dem Brennraum zugeführt wird und die Außenwand 19 und die Innenwand 20 definieren zwischen sich den Brennraum. Diese Wände bestehen aus zusammengeschweißten metallischen Ringen und sind mit Löchern zum Durchtritt von Wandkühlluft versehen und es sind außerdem einzelne Mischtrichter für den Eintritt von Primärluft und Verdünnungsluft vorgesehen, die für die Verbrennung erforderlich sind. Weitere einzelne Mischtrichter liefern Verdünnungsluft, durch welche die heißen Gase verdünnt werden.

Die Brennkammer ist außerdem mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung und einer Zündvorrichtung versehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Am stromunterseitigen Ende der Kammer ist die Strömungsfläche vermindert, bevor das Gas durch eine Reihe von Düsenleitschaufeln 21 strömt. Diese QuerSchnittsverminderung wird hauptsächlich durch die geneigte Oberfläche des inneren Teils 22 der Ausströmdüse bewirkt. Da diese Oberfläche eine Ablenkung der heißen Gase bewirkt, stellt dies eine der heißesten

Riehen innerhalb der Brennkammer dar und deshalb Gesteht bei der Äusführungsform nach F i g. 2 der Teil 22 aus heißgepreßtem Silizium-Nitrid.

Der Teil 22 besteht im wesentlichen aus einem kegelstumpffönnigen Ring, dessen innerer Umfang als S im wesentlichen radial verlaufender Flansch ausgebildet ist, der eine in Strömungsrichtung nach hinten weisende radiale Oberfläche 23 aufweist, und außerdem eine nach stromaufwärts gerichtete kegelstumpfförniige Oberfläche 24 besitzt Um diesen Teil 22 in seiner Lage zu halten, stößt die Stirnfläche 24 gegen eine entsprechende kegelstumpfförmige Oberfläche 25, die von einem Teil des inneren Gehäuses 17 getragen wird.Tatsächlich ist diese Fläche 25 nicht vollständig ringförmig, sondern durch radiale Schlitze unterbrochen. Diese mit den Schlitzunterbrechungen versehene Stirnfläche 25 ist an einem Ring 26 ausgebildet, der von einem zylindrischen Fortsatz 27 eines am Gehäuse 17 verbolzten Flansches 28 getragen wird. Der Fortsatz 27 ist dünn und flexibel ausgebildet, um eine relative Radialbewegung zwischen dem heißen Ring 26 und dem kühleren Flansch 28 zuzulassen.

Um den Teil 22 gegen die Stirnfläche 25 zu pressen, stößt ein Ring 29, dessen Oberfläche 30 in gleicher Weise ausgenommen ist, wie die Stirnfläche 25, gegen die Stirnfläche 23 und wird gegen diese über eine gewellte Federscheibe 31 gedruckt die ihrerseits gegen einen Flansch 32 mittels einer Justierscheibe 33 und eines statischen Dichtungsrings 34 abgestützt ist. Der Flansch 32 ist am Flansch 28 verbolzt und demgemäß drückt die gewellte Unterlegscheibe 31 den Ring 29 gegen die Stirnfläche 25 und hält den Teil 22 in seiner Lage. Da die Stirnfläche 25 kegelstumpfförmig ist, wird der Teil 22 nicht nur axial festgelegt sondern es wird ihm auch eine radiale Abstützung verliehen.

Die Stirnflächen 25 und 30 sind ausgenommen und auf diese Weise wird die Berührungsfläche und infolgedessen die Wärmeübertragung zwischen den keramischen Teilen und den Metallteilen vermindert

Eine differentielle Ausdehnung und Zusammenziehung zwischen den verschiedenen Teilen wird durch die Elastizität der Federscheibe ermöglicht. Ein kleiner radialer Zwischenraum liegt zwischen dem Ring 29 und der Unterlegscheibe 31 und dem Fortsatz 27, so daß eine geringe Neigung und eine Anpassung bei geringen Mißausrichtungen möglich wird.

Für eine Kühlung der Metallteile benachbart zu dem Teil 22 ist Vorsorge getroffen. Kühlluft von den Düsenleitschaufeln wird in zwei Ströme benachbart zu dem Trägergehäuse 35 der Düsenleitschaufeln aufgeteilt, und zwar in einen Hauptstrom und einen kleinen Abzapfstrom durch die Löcher 36 im Teil 35, um den Hitzeschild 37 zu kühlen und eine Vereinigung mit dem Hauptstrom durch die Düsenleitschaufeln wieder herbeizuführen. Der Teil 37 bildet eine statische Dichtung mit dem Teil 34 am inneren Umfang und ist am äußeren Umfang durch die Festlegeeinrichtung der Düsenleitschaufeln gehaltert

Der Flansch 26 wird durch Luft gekühlt, die zwischen der stromobersehigen Oberfläche und dem Flansch 38 auf den Teil 17 hindurchtritt Diese Luft tritt durch Löcher 39 in den Teil 26 in die Brennkammer ein. Der Ring 29, die wellenförmige Unterlegscheibe 31 und benachbarte Teile werden durch Luft gekühlt, die durch Löcher 40 in den Teil 27 und über die gewellte Scheibe 3t hindurch und dann in den Brennkammerauslaß benachbart zu der inneren Plattform der Düsenleit-In F ig.3 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt bei welcher der Hauptteil der Kammer identisch der Kammer gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist, während nur der Tragaufbau für den Teil 22 geändert ist Infolgedessen wird nur dieser Teil des Aufbaus beschrieben.

Wiederum ist der Teil 22 mit einem radial verlaufenden inneren Flansch ausgestattet auf dem die Fläche 24 ausgebildet ist Wiederum stößt dieser Teil 22 gegen die mit Ausnehmungen versehene Fläche 25 des Rings 26, der in gleicher Weise, wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2, getragen wird. In diesem Fall wird die Stirnfläche 23 jedoch nicht zur Festlegung benujzt und stattdessen ist eine ringförmige Oberfläche 41 am äußeren Umfang des Teils 22 vorgesehen. Diese Stirnfläche lagert gegen eine entsprechend mit Ausnehmungen versehene Stirnfläche 42, die an einem Fortsatz 43 ausgebildet ist Der Fortsatz weist einen inneren Abschnitt 44 mit einer Ringfläche auf, die jener des Teils 29 in Fig.2 gleicht Wiederum ist eine gewellte Unterlegscheibe 31 vorgesehen, die den Teil 44 und infolgedessen den gesamten Fortsatz 43 gegen die Stirnfläche 24 drückt. Wiederum wird die Unterlegscheibe 31 von dem verbolzten Flansch 32 und der Abstandsscheibe 33 und der statischen Dichtung 34 getragen.

Es ist ersichtlich, daß das Prinzip bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 gleich ist dem Prinzip des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2, aber in diesem Fall wird der Teil 22 nicht vom inneren Umfang über Ausleger getragen, sondern er ist über im wesentlichen die gesamte Länge getragen, die zwischen der. Stirnflächen 41 und 24 eingeklemmt ist. Wiederum können Kühlluftströmungen, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2, vorgesehen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 besteht ein größerer Teil der Brennkammer aus Silizium-Nitrid. Die Wandung 19 und das Eintrittsmundstück 18 der Brennkammer sind identisch ausgebildet, wie bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen, jedoch weist die Wandung 20 einen stromoberseitigen Abschnitt 45 auf, der nur aus Metallteilen besteht, wie dies bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall war, wobei jedoch ein stromunterseitiger Abschnitt 46 vorgesehen ist der aus einer Außenwand 47 aus Metall und einer Innenwand 61 aus Silizium-Nitrid besteht. Die Begriffe »außen« und »innen« sind in diesem Zusammenhang mit Bezug auf den Brennraum zu verstehen. Die Außenwand 47 weist einzelne Mischtrichter auf, durch die Primärluft und Verdünnungsluft einströmen kann und diese Wand ist an ihrem stromunterseitigen Ende mittels eines Flansches 60 am Gehäuse 17 festgelegt. Diese Wand ist lasttragend und wird als Träger der inneren Silizium-Nitrid-Wandung benutzt.

Die Innenwand 61 besteht aus einer Reihe zylindrischer Ringe 48, 49 und 50 und einem innerer Ausströmdüsenabschnitt 51, der in seiner Funktion den Teil 22 bei den obenerwähnten Ausführungsbeispieler entspricht Der stromoberseitige Ring 48 besitzt ein« stiomoberseitige kegelstumpfförmige Fläche 52, di< gegen eine entsprechende kegelstumpfförmige Flächi 53 an der metallischen Außenhaut 47 angeformt ist. Dii Stirnfläche 52 kann geschlitzt sein, um die Wärmeüber tragung von dem Keramikmaterial so gering wi möglich zu halten. An dem entgegengesetzten Ende is der Ring 48 mit einer Stufe versehen, die eine Abschnitt 54 mit vermindertem Durchmesser bilde Dieser Abschnitt wirkt mit einem entsprechende

Abschnitt 55 verminderter Dicke zusammen, der in ähnlicher Weise in dem Teil 49 ausgebildet ist. Eine ähnliche Anordnung wird benutzt, uni den Teil 49 mit dem Teil 50 zu verbinden. Zwischen den Ringen sind Löcher vorgesehen, um Luft nach den Mischtrichtern gelangen zu lassen, die Verdünnungsluft in die Kammer eintreten lassen, ohne daß diese direkt auf das Keramikmaterial auftrifft.

Um den Ring 50 von dem kegelstumpfförmigen Ring 51 auszutragen, hat der Ring 50 ein im wesentlichen quadratisches stromunterseitiges Ende, das über eine Stufe 56 paßt, welche in der stromoberseitigen Fläche des inneren Teils des Rings 51 ausgebildet ist Auf der entgegengesetzten Stirnfläche des inneren Umfangs des Rings 51 ist eine im wesentlichen radiale Oberfläche 57 ausgebildet und in gleicher Weise, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2, ist ein Ring 58 mit einer geschlitzten Stirnfläche vorgesehen, der mit dieser Fläche unter der Wirkung der gewellten Federunterlagsscheibe 59 angedrückt wird. Wiederum ist die gegenüberliegende Oberfläche der Federunterlagsscheibe mit einem verbolzten Flansch 60 verbunden, der einen Teil des verbolzten Aufbaus bildet, der auch die Außenhaut 47 in ihrer Lage hält.

In diesem Fall werden die Ringe 48, 49, 50 und 51 sämtlich durch Federunterlagssclieiben 59 in ihrer Lage gehalten, die auf den Ring 58 einwirken und den gesamten Aufbau gegen die Stirnfläche 53 drücken.

Wiederum ermöglicht die Federunterlagsscheibe ein« differentielle Ausdehnung und Zusammenziehung zwi sehen Teilen aus Silizium-Nitrid und benachbarter Teilen.

Es ist ersichtlich, daß weitere Teile der Brennkammei in gleicher Weise ausgebildet werden können, wie ober beschrieben. Wenn es möglich ist, genügend große Silizium-Nitrid-Ringe herzustellen, wird es möglich, die Wandung 19 der Brennkammer in ähnlicher Weise

ίο herzustellen, wobei ähnliche Verfahren zur Festlegung benutzt werden. Auch wäre es möglich, einen größerer Teil der Innenwand aus Keramikmaterial herzustellen Gemäß der vorstehenden Beschreibung wurden die Keramikteile als aus Silizium-Nitrid bestehend beschrie· ben. Es ist jedoch auch möglich, andere Keramikmate rialien zu benutzen.

Anstelle der Zapfenlagerung zwischen den Ringen 48 49 und 50 könnten ihre gegeneinanderstoßender Oberflächen in entsprechender Weise kegelstumpfför

mig gestaltet werden, um eine Festlegung zu bewirken Bei den vorbeschriebenen Konstruktionen werden die Keramikabschnitte zwischen einer radialen und einei -kegelstumpfförmigen Oberfläche eingeschlossen. Es isi jedoch auch möglich, zwei kegelstumpfförmige Flächer

für diesen Zweck zu benutzen, ohne daß die durch die Erfindung erreichten Vorteile in irgendeiner Weise beeinträchtigt würden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   ngbrennkammer für em Gasturbinenstrahl-.___.. jrk mit einer Ringwand, die teilweise aus einem kreisförmigen Keramikring besteht, wobei die Kamjner und der Keramikring je mit einer ersten kegelstumpfförmigen Fläche und einer zweiten Ringfläche versehen sind, die sich mit einer radialen Richtungskomponente erstreckt und wobei die erste und zweite Fläche des Keramikrings der ersten und zweiten Fläche der Kammer gleichen und an der ersten und zweiten Fläche der Kammer Anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikring (22,48,49,50,51) sowohl in axialer als auch in radialer Richtung durch Kompression zwischen der ersten und zweiten Fläche der Kammer gehaltert ist, wobei Federn {31, 59) die «rsten und zweiten Rächen der Kammer aufeinanderdrücken.
2. 2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Federn aus gewellten Federscheiben (31,59) bestehen.
3. 3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Keramikring den inneren Teil der Ausströmdüse der Brennkammer umfaßt dadurch gekennzeichnet *s daß die Flächen (25, 42) an jenem Teil der Ausströmdüse an unterschiedlichen Radien angreifen.
4. 4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der mehrere Keramikringe vorgesehen sind, die zusammen wenigstens einen Abschnitt der Wand der Brennkammer bilden, dadurch gekennzeichnet daß die mittleren Teile (48,49,50) der Keramikringe durch entsprechende kegelstumpförmige Flächen gehalten sind.
5. 5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Erstrekkung der Flächen (25, 30, 42, 53, 58) der Brennkammer kleiner als die der Keramikringe (22, 48,49, 50, 51) ist um die Fläche der Wärmeleitung von dem Kreisring zu vermindern.
6. 6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikwerkstoff aus heißgepreßtem Siliziumnitrid besteht.

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