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Brennkammer
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Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf Brennkammern für derartige Kraftmaschinen.
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Der Wirkungsgrad einer Gasturbine ist eine Funktion verschiedener
Parameter, zu denen die in den Brennkammern erzielbare Temperatur und auch die Luftmenge
gehört, die zur Kühlung verschiedener Elemente der Kraftmaschine abgeleitet werden
muß.
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Gleichzeitig wird die strukturelle Festigkeit eines Triebwerkes verbessert,
wenn Belastungen durch Elemente des Triebwerkes geführt werden, die nicht auch hohen
Temperaturen und damit verbundenen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
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Bei dem Versuch, die erreichbaren Temperaturen in Brennkammern zu
erhöhen, sind verschiedene Materialien und Legierungen für den Brennkammeraufbau
vorgeschlagen worden. Zwei Materialien, die eine besonders vorteilhafte Beständigkeit
gegen thermische Wirkungen aufweisen, sind durch Oxiddisperson verstärkte Materialien
und verschiedene Keramikmaterialien. Ein Hauptnachteil dieser und gewisser anderer
Hochtemperaturmaterialien besteht jedoch darin, daß sie nur schwer oder überhaupt
nicht zu schweißen sind. Die Erfindung macht die Verwendung dieser und anderer Materialien
bei der Konstruktion son Brennkammern möglich.
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Die wirksame Anwendung derartiger Hochtemperaturmaterialien, wie sie
vorstehend erörtert wurden, zusätzlich zu der Möglichkeit, höhere Temperaturen zu
erreichen, gestattet auch eine
Senkung der Kühlmittelmenge, die
während des Betriebs zur Brennkammer geleitet werden muß. Diese Verminderung ermöglicht,
daß das Triebwerk mit einem erhöhten Wirkungsgrad arbeitet.
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Strukturelle Fehler in Gasturbinentriebwerken resultierten in der
Vergangenheit gelegentlich daraus, daß belastete Bauteile des Triebwerkes thermischen
Beanspruchungen ausgesetzt waren, die in Verbindung mit den hohen Verbrennungstemperaturen
auftreten. Die Bildung einer Brennkammer, bei der die Kammerauskleidung (die der
Verbrennungswärme direkt ausgesetzt ist) strukturelle Lasten führen muß, die in
Verbindung mit der Brennkammer auftreten, hat manchmal zu derartigen Fehlern geführt.
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Der erfindungsgemäße Aufbau vermeidet diese Probleme, indem die Auskleidung
der Kammer von den strukturellen Lasten getrennt ist, die mit dem die Kammer umgebenden
Rahmen verbunden sind.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Brennkammer
besteht darin, daß eine einfache Herausnahme einzelner Auskleidungstafeln ermöglicht
wird, ohne daß der tragende Rahmen und zugeordnete Komponenten vollständig demontiert
werden müssen. Dies wiederum gestattet den Ersatz neuer Auskleidungstafeln gegen
diejenigen, die über eine längere Benutzungsdauer abgenutzt sind, oder die Reparatur
einzelner Auskleidungstafeln, die eine längere Lebensdauer bewahren. Diese Möglichkeit
sorgt für eine große Kostenersparung gegenüber bekannten Vorrichtungen, wonach Brennkammern
aus einem im wesentlichen einheitlichen Aufbau gebildet waren und wo eine Beschädigung
oder Abnutzung eines einzelnen Abschnittes der Kammer eine Auswechslung großer Abschnitte
oder der gesamten Kammer erforderte.
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Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer
für eine Gasturbine mit verbesserter struktureller Festigkeit zu schaffen, indem
unabhängige Elemente gebildet werden, die auf entsprechende Weise den thermischen
und strukturellen Beanspruchungen ausgesetzt werden, die bei einer Brennkammer auftreten.
Weiterhin soll eine verbesserte Auskleidung
geschaffen werden, die
aus mehreren Teilen oder Tafeln gebildet ist und für eine leichte und wirksame Reparatur
und Auswechslung sorgt, wobei verbesserte Auskleidungsmaterialien verwendet werden
können Erfindungsgemäß wird eine Auskleidung geschaffen, die aus mehreren Auskleidungstafeln
gebildet ist. Die Paneelen oder Tafeln arbeiten miteinander und mit einem tragenden
Rahmen in einem schiebbaren Reibeingriff zusammen, der durch eine Zungen- und Nutanordnung
erleichtert wird, die richtig dimensioniert und dazwischen angeordnet ist. hnliche
Mittel sind vorgesehen, um ein sciebbares Reibungshalterungsmittel zu schaffen,
um die Tafeln in axialer Richtung in bezug auf den umgebenden tragenden Rahmen zu
befestigen. In gleicher Weise sind ähnliche Mittel vorgesehen, um Dichtungen zwischen
seitlich benachbarten Tafeln in solchen Fällen zu schaffen und in Reibungseingriff
miteinander zu bringen, wo die Tafeln in Umfangsrichtung segmentierte Körper bilden.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht von einer Brennkammer
eines Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 stellt das Zusammenwirken von Auskleidungstafeln gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem tragenden Rahmen dar.
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Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht von einigen Elementen
gemäß Fig. 2.
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Fig. 4 stellt das seitliche Zusammenwirken und die Dichtungsmaßnahmen
bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
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Fig. 5 zeigt deutlicher die Dichtungs- und Umfangsbefestigungsanordnung
des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4.
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Die in Fig. 1 gezeigte Brennkammer stellt die Grundelemente dieses
Abschnittes einer üblichen Turbomaschine und auch die wesentlichen Verbesserungen
gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
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Wie beim Stand der Technik tritt atmosphärische Luft in die Brennkammer
10 von links durch einen Brennstoff/Luft-Einlaß 12 stromabwärts von einem Hochdruckverdichter
(nicht gezeigt) ein.
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Die Brennkammer bildet eine Verbrennungszone 14 und enthält eine Brennstoffdüse
16, die in dem Einsatz 12 angeordnet ist.
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Ein eine hohe Festigkeit aufweisender, tragender Rahmen 18, der ein
Stützteil 20 aufweist, umgibt die Verbrennungszone 14.
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In gleicher Weise wird Brennstoff aus der Düse 16 und durch den Einlaß
12 eintretende Luft innerhalb der Verbrennungszone gemischt, wo eine Verbrennung
auftritt. Die Verbrennungsprodukte werden in Fig. 1 nach rechts durch einen Auslaß
19 und eine Reihe von Turbinenschaufeln 21 ausgestoßen. Die Turbinenschaufeln ziehen
Energie aus den austretenden Verbrennungsprodukten und betätigen eine drehbare Welle,
die den stromaufwärtigen Kompressor antreibt. Die übrigen ausströmenden Verbrennungsprodukte
erzeugen einen Schub nach links in Fig. 1.
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Der Aufbau der Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung ist deutlicher
in den Fig. 2 bis 5 gezeigt. Der ein Stützteil 20 aufweisende Rahmen 18 enthält
eine erste radial verlaufende Schulter 22, die einen ersten axial verlaufenden Flansch
24 und einen zweiten Flansch 26 aufweist, der sich radial erstreckt und teilweise
eine Nut 28 in dem Rahmen bildet. Die Nut 28 hat eine vorbestimmte axiale Breite
und arbeitet mit Auskleidungstafeln der Brennkammer zusammen, wie es im folgenden
näher beschrieben wird.
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Erfindungsgemäß sind mehrere einzelne Auskleidungstafeln 30 in der
Brennkammer vorgesehen, die mit dem tragenden Rahmen 18 zusammenarbeiten, um die
Brennkammer zu bilden. Um die Anordnung der Auskleidungstafeln 30 um den tragenden
Rahmen herum
zu erleichtern, sind Befestigungsmittel vorgesehen,
um die Tafeln in axialer Richtung in bezug zum Rahmen anzuordnen und befestigen.
Die axiale Befestigungseinrichtung enthält die vorstehend bereits erwähnten Schultern
22 und axiale und radiale Flansche 24 bzw. 26 des Rahmens 18. Zusätzlich trägt jede
Tafel 30, die eine Vorderkante 32 und eine Hinterkante 34 aufweist, eine im wesentlichen
radial verlaufende Schulter 36, die nahe ihrer Hinterkante angeordnet ist. Eine
Halterung der Hinterkante jeder Tafel wird durch den Eingriff der Schulter 36 mit
der Schulter 22 erreicht, indem beide im wesentlichen nach Art einer Feder und Nut
zusammenwirken. Die Schulter 36 weist einen im wesentlichen axial verlaufenden Flansch
38 auf, der in den vorderen Abschnitt 28a der Nut 28 im Rahmen 18 eingesetzt werden
kann. In dieser Lage ist der Flansch 38 durch den Flansch 24 des Rahmens überappt
und dadurch radial festgehalten.
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Um den Flansch 38 und die zugeordnete Schulter 36 in der Nut 28 zu
befestigen, ist erfindungsgemäß ein durchgehend ringförmiger oder in Umfangsrichtung
segmentierter Halterungsring 40 vorgesehen, der mit diesen Teilen zusammenwirkt
und in der Nut 28 angeordnet wird. Damit der Halterungsring 40 in der Nut 28 zusammen
mit dem Flansch 38 angeordnet werden kann, ist die axiale Breite des Flansches 38
kleiner als die axiale Breite der Nut 28. Weiterhin kann die axiale Breite des Halterungsringes
40 so bemessen sein, daß bei einer Anordnung in der Nut 28 zusammen mit dem Flansch
38 der Flansch in der Nut mit Reibung verschiebbar gehalten ist. Alternativ können
die axialen Breiten der drei Elemente so gewählt sein, daß eine im wesentlichen
starre Halterung des Flansches in der Nut 28 erhalten wird.
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Die Wahl zwischen der Reibungs-Verschiebbarkeit zwischen dem Flansch
28 und der Nut 38 oder dem im wesentlichen starren Zusammenwirken zwischen den Teilen
wird, wie bereits ausgeführt wurde, durch die vorliegende Erfindung geschaffen.
Diese Flexibilität ist von besonderem Wert bei praktischen Applikationen
der
Brennkammer gemäß der Erfindung. In Fällen, wo das unter Reibung verschiebbare Zusammenwirken
gewählt wird, ermöglicht diese Eigenschaft, daß eine thermische Ausdehnung einzelner
Tafeln 30 auftritt, ohne daß der tragende Rahmen durch damit verbundene Kräfte und
Beanspruchungen belastet wird. Mit anderen Worten ist der tragende Rahmen von den
thermischen Beanspruchungen im wesentlichen getrennt, die mit der Verbrennungswärme
und ihrem direkten Einfluß auf die Tafeln 30 verbunden sind. In gleicher Weise sind
die Auskleidungspaneelen 30 von Beanspruchungen getrennt, die am Rahmen 18 auftreten.
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Wenn es andererseits aufgrund der betrieblichen Umstände nicht erforderlich
ist, den Rahmen von möglichen Ausdehnungsbewegungen der Verkleidung (weil beispielsweise
diese Ausdehnung vernachlässigbar ist) zu trennen, können die Abmessungen des Flansches
38 des Halterungsringes 40 und der Nut 28 so gewählt werden, daß ein starres Zusammenwirken
und eine Halterung des Flansches und somit der zugeordneten Tafel erhalten wird.
Die Arbeitsweise des mit Reibung verschiebbaren Aufbaus wird im folgenden näher
erläutert.
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Die Auskleidungstafeln 30 sind an ihren Vorderkanten 32 durch einen
dritten Flansch 42 gehalten, der nahe der Hinterkante von stromaufwärtigen Tafeln
angeordnet ist. Der Flansch 42 ist als ein verdickter Abschnitt der Hinterkante
34 von jeder Tafel 30 ausgebildet und in bezug auf den Halterungsring 40 so angeordnet,
daß eine Vertiefung 44 gebildet wird, in der eine Vorderkante 32 der unmittelbar
nachfolgenden Tafel 30 angeordnet wird, wenn diese für ein Zusammenarbeiten mit
dem Rahmen 18 angeordnet wird. Die Abmessungen der Vorderkante und des Flansches
42 sind so, daß ein mit Reibung verschiebbares oder alternativ im wesentlichen starres
Zusammenwirken mit den entsprechenden funktionalen Relationen erhalten wird, wie
es vorstehend beschrieben wurde.
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Die Arbeitsweise der mit Reibung verschiebbaren Befestigungsmittel,
wie sie vorstehend dargestellt sind, ist für die Befestigungsmittel sowohl an der
Vorder- als auch Hinterkante ähnlich. Eine thermische Ausdehnung in axialer Richtung
der Tafeln 30 kann dazu dienen, die Länge der Tafeln zu vergrößern.
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Diese Vergrößerung kann an der Vorderkante durch den Schlupf bzw.
die Verschiebbarkeit des Flansches 42 relativ zu den Kanten 32 oder an der Hinterkante
durch den Schlupf bzw. die Verschiebbarkeit des Flansches 38 in der Nut 28 absorbiert
bzw. aufgenommen werden. In ähnlicher Weise können axiale Auslenkungen des Rahmens
18 aufgrund mechanischer Kräfte, die während des Brennkammerbetriebs (beispielsweise
aerodynamische Kräfte) ausgeübt werden, Auslenkungen bzw. Verformungen des Rahmens
bewirken, die durch die Reibungsbewegung zwischen diesen gleichen Teilen aufgenommen
werden. Auf diese Weise sind die Tafeln und der Rahmen jeweils auf entsprechende
Weise unabhängig von den strukturellen und thermischen Beanspruchungen, die auf
den anderen ausgeübt werden.
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Die Tafeln wirken teleskopartig zusammen, um eine Brennkammer zu bilden.
Die axial hintersten Tafeln ( in Fig. 1 am weitesten -rechts angeordnet) würden
in ihren axialen Lagen zuerst angeordnet werden und anschließend würden die Tafeln
30 axial nach vorne (oder nach links) eingesetzt bzw. gestapelt, bis die gesamte
Auskleidung bzw. Verkleidung fertig ist.
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Während eines längeren Betriebs der Brennkammer können einzelne Tafeln
abgenutzt oder beschädigt werden, so daß diese gegen neue oder reparierte Tafeln
ausgetauscht werden müssen. Indem das beschriebene Zusammensetzverfahren umgekehrt
wird, können die beschädigten Tafeln herausgenommen werden. So diesem Zweck ist
die Befestigungseinrichtung lösbar, wodurch eine Herausnahme der Tafeln aus dem
Rahmen gestattet wird. Diese Eigenschaft sorgt für eine einfache Wartung und verlängerte
Lebensdauer der Auskleidungen ohne teure maschinelle Reparaturen.
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In Umfangsrichtung können die einzelnen Auskleidungstafeln durchgehende
Ringkörper oder alternativ in Umfangs richtung unterteilt und seitlich aneinanderstoßend
angeordnet sein, um einen Ringkörper zu bilden. Die Wahl zwischen diesen Alternativen
kann auf der Basis einer einfachen Wartung getroffen werden, wobei die Wirksamkeit
von Dichtungsmaßnahmen berücksichtigt
werden muß. Die in Umfangsrichtung
segmentierte Alternative, die in den Fig. 2, 4 und 5 dargestellt ist, verbessert
eine billige Wartung, indem kleinere auswechselbare Einheiten geschaffen werden.
Die durchgehende Ringkörpertafel, die in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt ist, vermindert
die Anzahl an Nahtstellen, die dem hohen Druck der Brennkammer ausgesetzt sind,
und verbessert somit die Aufrechterhaltung des Drucks und die Dichtungseigenschaften.
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Die in Umfangsrichtung geteilten Tafeln haben eine weitere wertvolle
Eigenschaft, da sie mit dem unter Reibung verschiebbaren Zusammenwirken mit ihren
benachbarten Tafeln versehen werden können, ähnlich dem Zusammenwirken, das vorstehend
in bezug auf das axiale Befestigungssystem beschrieben wurde.
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Insbesondere kann eine in Umfangsrichtung erfolgende thermische Beanspruchung
der Tafelsegmente 30 durch eine Reibungsverschiebung relativ zueinander aufgenommen
werden, anstatt daß sie als Ringbeanspruchung auf den tragenden Rahmen übertragen
wird. Zu diesem Zweck stellen die Fig. 4 und 5 die Umfangsdichtungen und Befestigungsmittel
dar, die für eine Aufrechterhaltung des Drucks und auch für diese Verschiebbarkeit
unter Ausbildung von Reibung sorgen.Diese Fig. zeigen, daß benachbarte Tafeln 30
mit Vertiefungen 46 versehen sind, die sich ergänzen, wenn die Tafeln in eine in
Umfangsrichtung aneinander stoßende Lage gebracht werden. Dünne, langgestreckte
und im wesentlichen rechtwinklige Dichtungen 48 können in benachbarten Vertiefungen
46 angeordnet werden, um den Übergang 50 zwischen seitlich benachbarten Tafeln gegen
den unerwünschten Austritt von Druckmittel aus der Verbrennungszone 14 abzudichten.
Die Dichtungen 48 können so bemessen sein, daß eine seitliche Bewegung zwischen
benachbarten Tafeln 30 möglich ist, wobei aber ein Reibwiderstand auftritt. Mit
anderen Worten könnten bei bestimmten Belastungsarten benachbarte Tafeln 30 sich
relativ zueinander in Umfangsrichtung verschieben und die Dichtungen 48 könnten
sich weiter in benachbarte Vertiefungen 46 hinein oder aus diesen heraus bewegen,
aber der Bewegung steht der Reibungseingriff zwischen der Vertiefung 46 und der
Dichtung 48 entgegen. Auf diese Weise können der Rahmen und die
Tafeln
weiter von den Wirkungen thermischer und struktureller Beanspruchungen auf den einen
oder anderen getrennt werden.
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Alternativ können die Dichtungen und Vertiefungen so bemessen werden,
daß für ein im wesentliches starres Zusammenwirken zwischen benachbarten Tafeln
gesorgt wird. In jeder Konfiguration ist bei der erfindungsgemäßen Brennkammer für
eine leichte Herausnehmbarkeit der Tafeln aus ihrem seitlichen Verbund miteinander
und auch aus dem axialen Verbund mit dem Rahmen gesorgt, so daß abgenutzte oder
beschädigte Tafeln einfach ausgewechselt oder repariert werden können.
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Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise
können unter Ausbildung von Reibung verschiebbare Befestigungsanordnungen verwendet
werden, die in entsprechender Weise wie die vorliegende Anordnung arbeiten. In gleicher
Weise können auch andere Befestigungsmittel vorgesehen sein, die für eine Herausnehmbarkeit
der Tafeln der Brennerauskleidung sorgen.