DE3429641C2 - Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für ein Gas­ turbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Brennkammer ist aus US-PS 36 63 118 bekannt.

Gasturbinentriebwerke enthalten im allgemeinen eine Brennkammer zum Erzeugen einer Gasströmung. Turbinenlauf­ schaufeln, die mit einem Rotor verbunden sind, sind hin­ ter der Brennkammer und innerhalb des Gasströmungsweges angeordnet, so daß sie der Gasströmung nutzbare Energie entnehmen. Zum Optimieren der entnommenen Energiemenge ist typisch ein Leitschaufelkranz zwischen der Brennkam­ mer und den Turbinenlaufschaufeln angeordnet, um den Gas­ strom zu drehen. Dadurch, daß der Strömung eine Umfangs­ komponente gegeben wird, sind höhere Turbinenlaufschau­ feldrehzahlen erzielbar.

In vielen Gasturbinentriebwerken ist es erwünscht, die Leitschaufeln zu drehen, um die Gasströmung zwischen den Leitschaufeln zu steuern. Beispielsweise können in Flug­ zeugtriebwerken die Leistungserfordernisse in Abhängig­ keit von dem Flugzustand unterschiedlich sein. Infolge­ dessen kann ein Kranz von vollständig verstellbaren Tur­ binenleitschaufeln vorteilhaft benutzt werden. Damit je­ doch jeder verstellbare Turbinenkranz voll wirksam ist, muß er so befestigt sein, daß die Leckage des Gases aus dem genannten Strömungsweg und um die Schaufeln minimal ist.

In einem typischen Triebwerk, das eine Ringbrennkammer enthält, umgibt ein ringförmiges Gehäuse mit einer inneren und einer äußeren Gehäusewand die Brennkammer. Das Gehäu­ se begrenzt einen Strömungsweg zwischen der Brennkammer und dem Gehäuse für Luft zum Kühlen der Wände der Brenn­ kammer. Das Gehäuse erstreckt sich über das hintere Ende der Brennkammer hinaus und bildet die Vorrichtung, an der der Leitschaufelkranz befestigt werden kann. Eine solche Befestigungsanordnung zeigt beispielsweise die eingangs genannte US-PS 36 63 118. Eine ähnliche Befestigungs­ anordnung ist in der US-PS 39 04 309 beschrieben.

Das Problem bei der Verwendung der äußeren und der inne­ ren Gehäusewand zur Halterung besteht darin, daß diese ein unterschiedliches thermisches Wachstum aufweisen, weil die innere Gehäusewand 200° bis 300° heißer ist als die äußere Gehäusewand. Daher führt die innere Wand auf­ grund der Wärmeausdehnung eine größere axiale Bewegung aus als die äußere Wand. Dadurch können Dichtungen bean­ sprucht werden, wodurch Gasströmungsleckagewege erzeugt werden. Weiter könnten die Turbinenleitschaufeln an der umgebenden Ummantelung klemmen, wenn ihre Achsen fehlaus­ gerichtet werden.

Eine Alternative zu der Befestigung des Leitschaufel­ kranzes an der inneren und der äußeren Gehäusewand be­ steht darin, ihn lediglich an der äußeren Wand in einer freitragenden Anordnung zu befestigen. Eine freibeweg­ liche Dichtung würde nahe der Leitschaufelwurzel vorge­ sehen werden, um eine Leckage zu verhindern. Das Prob­ lem besteht bei dieser Lösung darin, daß sie eine über­ mäßig große Vorrichtung erfordert, um der. Biegebean­ spruchung an den Leitschaufeln, welche durch die Gas­ strömung hervorgerufen wird, entgegenzuwirken. Weiter muß wegen der Temperaturdifferenz, die oben erläutert ist, ein größerer als normaler radialer Spalt vorge­ sehen werden, um bei allen Bedingungen zu gewährleisten, daß es zu keinem Klemmen kommt. Diese Spalte werden durch freibewegliche Dichtungen gesteuert, bei denen die Gefahr besteht, daß relativ große Gasmengen entweichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer der bekannten Art so auszugestalten, daß an dem Laufschaufelkranz eine Gas­ leckage und ein Klemmen der Leitschaufeln verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausfüh­ rungsform einer Brennkammer und eines daran befestigten verstellbaren Tur­ binenleitschaufelkranzes nach der Er­ findung,

Fig. 2 ausführlicher eine Längsschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten verstellbaren Turbinenleitschaufelkranzes und

Fig. 3 eine Ansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer Ringbrennkammer 10 und ei­ nes Turbinenrades 12 in einem Turbinentriebwerk gemäß ei­ ner Ausführungsform der Erfindung. Hinter der Brennkammer 10 und vor dem Turbinenrad 12 ist ein verstellbarer Tur­ binenleitschaufelkranz 14 angeordnet. Im Betrieb werden Luft und Brennstoff in der Brennkammer 10 verbrannt, um einen Gasstrom 16 hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Der Gasstrom 16 wird gedreht, um seiner Richtung eine Umfangs­ komponente zu geben, wenn er durch den Leitschaufelkranz 14 hindurchgeht. Der Gasstrom 16 trifft dann auf das Turbinenrad 12 auf, das ihm Energie entnimmt, indem es sich in Reaktion auf die Kraft der Strömung dreht.

Die Brennkammer 10 hat eine innere Brennkammerwand 18 und eine äußere Brennkammerwand 20. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 haben die Wände 18 und 20 eine einfache Dicke; im Rahmen der Erfindung können jedoch Wände mehrfacher Dicke vorgesehen werden. Beispielsweise werden verschiedene Aus­ kleidungskonfigurationen auf der Innenseite der tragenden Wände häufig benutzt, wodurch eine doppelwandige Brenn­ kammer geschaffen wird.

An dem vorderen Ende 22 der Brennkammer 10 sind mehrere Gabeln 24 angeordnet. Diese sind mit einem Rahmenteil 26 mittels Stiften 28 verbindbar. Jeder Stift 28 paßt mit der Gabel 24 so zusammen, daß eine vordere axiale Berührung und ein Umfangsspiel zwischen dem Stift 28 und der Gabel 24 vorhanden sind. Das gestattet, axiale Kräfte über die Brennkammerwände 18 und 20 auf das Gehäuse 30 zu übertra­ gen und gleichzeitig die Übertragung von Umfangskräften zu verhindern. Zum leichteren Einbauen steht jeder Stift 28 über eine äußere Gehäusewand 34 vor. Die Brennkammer 10 ist dadurch bezüglich axialen Kräften abgestützt. Viele an­ dere Vorrichtungen zur vorderen axialen Halterung der Brennkammer 10 sind dem Fachmann geläufig. Es ist klar, daß sich die hier beschriebene Erfindung nicht auf die oben beschriebene und dargestellte besondere Ausführungs­ form beschränkt.

Die Ringbrennkammer 10 ist von einem ringförmigen Gehäuse 30 umgeben. Das Gehäuse 30 hat eine innere Gehäusewand 32 und die äußere Gehäusewand 34. Die Wände 32 und 34 begren­ zen die Brennkammer 10 und bilden zwischen sich und die­ ser einen inneren Kühlströmungskanal 36 und einen äußeren Kühlströmungskanal 38.

Mit dem hinteren Ende der äußeren Brennkammerwand 20 ist ein äußerer Flansch 40 verbunden. In der in Fig. 1 ge­ zeigten Ausführungsform erstreckt sich der Flansch 40 von der Wand 20 radial nach außen. Ebenso ist mit dem hinteren Ende der inneren Brennkammerwand 18 ein innerer Flansch 42 verbunden. Gemäß der Darstellung erstreckt sich der inne­ re Flansch 42 von der Wand 18 radial nach innen.

Während des Triebwerksbetriebes sind die äußere Brennkam­ merwand 20 und die innere Brennkammerwand 18 hohen Tempera­ turen aufgrund der Hitze ausgesetzt, die in der Brennkam­ mer 10 erzeugt wird. Zum Kühlen der Wände 18 und 20 wird Luft 44 durch die Strömungskanäle 36 und 38 geleitet. Ein Teil dieser Luft könnte auch durch Löcher in den Wänden 18 und 20 hindurchgehen, um für eine weitere Kühlung zu sor­ gen. Wegen der Abstrahlung und wegen der umgebenden Tempera­ tur ist die innere Gehäusewand 32 mehrere hundert Grad heißer als die äußere Gehäusewand 34. Die Brennkammerwän­ de 18 und 20 sind zwar heißer als die Gehäusewände 32 und 34, die Brennkammerwände 18 und 20 werden aber insgesamt auf derselben Temperatur gehalten.

Die unterschiedlichen Temperaturen der Gehäusewände 32 und 34 bedeuten, daß diese sich in unterschiedlichem Ausmaß ausdehnen und zusammenziehen. Dieser Unterschied ist ein besonderes Problem in der axialen Richtung 46, wenn ein verstellbarer Leitschaufelkranz an diesen Wänden befe­ stigt ist. Dagegen ist eine unterschiedliche Ausdehnung/­ Zusammenziehung in der Umfangsrichtung nicht bedeutsam, weil sich ringförmige Teile im allgemeinen in Umfangsrich­ tung längs einer radialen Linie ausdehnen und dadurch ihre Ausrichtung beibehalten, wenn sie erhitzt werden.

Der verstellbare Turbinenleitschaufelkranz 14 enthält meh­ rere Leitschaufeln 48. Der Leitschaufelkranz 14 ist durch eine Haltevorrichtung 50 gehaltert. Die Haltevorrichtung 50 enthält axiale Befestigungseinrichtungen zum Befestigen des Leitschaufelkranzes 14 an den Brennkammerwänden 18 und 20, so daß im wesentlichen die gesamte axiale Belastung des Kranzes 14 aufgrund des Gasstroms 16 über die Brenn­ kammerwände 18 und 20 übertragen wird. Darüber hinaus ent­ hält die Haltevorrichtung 50 Umfangseinspanneinrichtungen zum Übertragen von Umfangsbelastungen von dem Leitschau­ felkranz 14 auf das Gehäuse 30. Die Haltevorrichtung 50 mit den axialen Befestigungseinrichtungen und den Umfangs­ einspanneinrichtungen ist ausführlicher in Fig. 2 ge­ zeigt.

Fig. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, die eine Leitschaufel 48 mit einer inneren Haltevorrich­ tung 52 und einer äußeren Haltevorrichtung 54 enthält. Die Leitschaufel 48 hat einen Fuß 56 und einen äußeren Schaft 58. Der äußere Schaft 58 hat ein Zapfenloch 60 an seinem radial äußeren Ende, das einen Zapfen 62 aufnimmt, der mit einem Stellantriebsarm 64 verbunden ist. Durch eine Dreh­ bewegung des Arms 64 wird dadurch die Leitschaufel 48 ge­ dreht. Durch Verbinden sämtlicher Arme 64 mit einem nicht dargestellten gemeinsamen Ring kann der gesamte Leitschau­ felkranz 14 gleichzeitig verstellt werden.

Die axialen Befestigungseinrichtungen enthalten in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform einen äußeren und einen inneren Flansch 40 bzw. 42, eine äußere und eine innere Halteeinrichtung 66 bzw. 68 und Befestigungseinrichtungen 70 und 72. Die äußere Halteeinrichtung 66 hat ein radial gerichtetes, kreisförmiges Durchgangsloch, das mit dem äußeren Schaft 58 der Leitschaufel 48 zusammenpaßt. Ebenso hat die innere Halteeinrichtung 68 ein radial gerichtetes kreisförmiges Durchgangsloch, das mit dem Fuß 56 der Leitschaufel 48 zusammenpaßt. Die Leitschaufel 48 ist in diesen Löchern frei drehbar, ist aber darin sowohl axial als auch umfangsmäßig positioniert. Zahlreiche Konfigurationen der Halteeinrichtungen 66 und 68 sind möglich. In einer Ausführungsform kann die inne­ re Halteeinrichtung 68 ein durchgehender 360°-Ring sein, wohingegen die äußere Halteeinrichtung 66 in Segmente un­ terteilt sein kann, um das Zusammenbauen zu erleichtern.

Die äußere Halteeinrichtung 66 ist mit dem äußeren Flansch 40 durch die Befestigungseinrichtungen 70 verbunden, bei welchen es sich in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs­ form um Schrauben handelt. Ebenso ist die innere Halte­ einrichtung 68 mit dem inneren Flansch 42 durch die Befe­ stigungseinrichtungen 72 verbunden, bei denen es sich ebenfalls um Schrauben handelt.

Aus der obigen Beschreibung wird klar, daß die axiale Be­ lastung an dem Leitschaufelkranz 14 über die Halteein­ richtungen 66 und 68 und in die Brennkammerwände 20 und 18 übertragen wird. Um zu gewährleisten, daß im wesent­ lichen die gesamte axiale Belastung an dem Kranz 14 so übertragen wird, sind erfindungsgemäß mehrere weitere Merkmale vorgesehen, die im folgenden beschrieben werden. Um den Zapfen 62 ist eine Büchse 82 koaxial angeordnet. Lagereinrichtungen 84 gestatten dem Zapfen 62, sich in der Büchse 82 frei zu drehen. Ein Umfangsschlitz 86 in der Büchse 82 nimmt die äußere Gehäusewand 34 auf. Ein Spalt 88 ist vorgesehen, so daß sich die Wand 34 innerhalb des Schlitzes 86 frei axial bewegen kann, wenn sich die Wand 34 thermisch ausdehnt und zusammenzieht. Infolgedes­ sen werden axiale Kräfte in der Leitschaufel 48 nicht auf die Gehäusewand 34 übertragen. Auf etwa analoge Weise werden die axialen Kräfte nicht über den Stellantriebs­ arm 64 übertragen. Das kann erreicht werden, indem eine Anordnung aus einem verschiebbaren Stift und einem Joch vorgesehen wird, wobei der Arm 64 mit dem gemeinsamen Stell­ antriebsring (nicht dargestellt) verbunden ist.

Die Umfangshalterung für den Leitschaufelkranz 14 erfolgt durch Umfangseinspanneinrichtungen 75. Die Einspannein­ richtungen 75 beinhalten einen 360°-Ring 74, der an der äußeren Halteeinrichtung 66 befestigt ist, und mehrere äußere Ansätze 76, die sich von dem Ring 74 nach außen erstrecken. Die Einspanneinrichtungen 75 enthalten weiter mehrere Joche 78, die sich von der äußeren Gehäusewand 34 nach innen erstrecken. Gemäß der Darstellung in der axia­ len Ansicht in Fig. 3 nimmt jedes Joch 78 einen Ansatz 76 auf. Das Joch 78 sorgt für die Einspannung in der Umfangs­ richtung 80, gestattet aber die axiale Bewegung der äus­ seren Gehäusewand 34 relativ zu den äußeren Ansätzen 76.

Die Umfangseinspanneinrichtungen 75 für die innere Halte­ einrichtung 68 enthalten mehrere innere Ansätze 90, die sich von der inneren Halteeinrichtung 68 radial nach innen erstrecken, und mehrere axiale Schlitze 92 in der inneren Gehäusewand 32. Jeder Schlitz 92 nimmt einen der inneren Ansätze 90 auf. Wie bei dem Joch 78 sorgt daher der axiale Schlitz 92 für eine Umfangseinspannung und gestattet die axiale Bewegung des inneren Gehäuses 32 relativ zu dem in­ neren Ansatz 90. Es kann erwünscht sein, einen jochartigen Flansch 91 an der inneren Halteeinrichtung 68 vorzusehen, der um den Schlitz 92 angeordnet ist, um für eine weitere Umfangseinspannung zu sorgen.

Zum Verhindern der Leckage von Luft, die durch den Schlitz 92 hindurchgehen kann, sind Dichteinrichtungen 94 und 96 vorgesehen. Beispielsweise kann die Dichteinrichtung 94 eine "w"-Dichtung zwischen einem inneren Flansch 98 der in­ neren Halteeinrichtung 68 und einem äußeren Flansch 100 des inneren Gehäuses 32 sein. Die Dichteinrichtung 96 kann eine her­ kömmliche umlaufende Dichtung sein. Jede Leckage durch die "w"-Dich­ tung 94 wird durch eine rotierende Dichtung 96 blockiert. Die Dichtung 96 sorgt daher für Redundanz für die Dichtung 94.

Gemäß obiger Beschreibung ist der Leitschaufelkranz 14 so­ wohl axial als auch umfangsmäßig gehaltert. Die radiale Positionierung oder Konzentrizität erfolgt durch eine ring­ förmige Rippe 104 der inneren Halteeinrichtung 68, die auf einer ringförmigen Lippe 102 des Flansches 100 ruht. Die Rippe 104 ist zu der Lippe 102 koaxial und mit dieser in radialer Berührung. Die Rippe 104 kann sich jedoch rela­ tiv zu der inneren Gehäusewand 32 frei axial bewegen. Durch diese Radialpositionierung kann die Konzentrizität zwischen dem Leitschaufelkranz 14 und dem Turbinenrad 12 aufrechterhalten werden.

Claims (4)

1. Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit radial inneren und äußeren Brennkammerwänden (18, 20), einem ringförmigen Gehäuse (30) mit radial inneren und äußeren Gehäusewänden (32, 34), die die Brennkammer (10) umgeben, einem verstellbaren Leitschaufelkranz (14), dessen Leit­ schaufeln stromabwärts von der Brennkammer (10) angeordnet sind, und Befestigungsmitteln zum axialen Befestigen des Laufschaufelkranzes, gekennzeichnet durch einen äußeren Flansch (40), der mit der äußeren Brennkammerwand (20) verbunden ist, einen inneren Flansch (42), der mit der inneren Brennkammerwand (18) verbunden ist, äußere und innere Halteeinrichtungen (66, 68) zum Positionieren der Leitschaufeln (48), die jeweils in den Halteeinrichtungen (66, 68) drehbar sind, und Befestigungsmittel (70, 72) zum Verbinden der äußeren und inneren Halteeinrichtungen (66, 68) mit den äußeren bzw. inneren Flanschen (40, 42) derart, daß die gesamte axiale Belastung auf den Laufschaufelkranz (14) durch die Halteeinrichtungen (66, 68), die Flanschen (40, 42) und die Brennkammerwände (18, 20) übertragen werden.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere äußere Ansatzstücke (76) sich von der äußeren Halteeinrichtung (66) nach außen erstrecken und mehrere Joche (74) sich von der äußeren Gehäusewand (34) nach innen erstrecken, wobei die Ansatzstücke (76) und die Joche (74) derart miteinander in Eingriff sind, daß eine axiale Bewegung der äußeren Gehäusewand (34) relativ zu dem äußeren Ansatzstück (76) gestattet, aber ihre Bewegung in Umfangsrichtung verhindert ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung in Umfangsrichtung dadurch verhindert ist, daß mehrere innere Ansatzstücke (90) sich von der inneren Halteeinrichtung (68) nach innen erstrecken und in der inneren Gehäusewand (32) mehrere axiale Schlitze (92) angeordnet sind, die jeweils einen der inneren Ansatzstücke (90) aufnehmen.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leitschaufelkranz (14) eine ringförmige Rippe (104) verbunden ist und mit der inneren Gehäusewand eine ringförmige Lippe (102) verbunden ist, wobei die Rippe (104) koaxial mit der Lippe (102) ist und raialen Kontakt damit macht.