DE3510230C2 - Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Brennkammer ist aus US-44 80 436 bekannt.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen ist eine Funktion von ver­ schiedenen Parametern, zu denen die innerhalb der Brennkammern erreichbare Temperatur und auch die Luftmenge gehört, die ab­ geführt werden muß, um verschiedene Elemente des Triebwerks zu kühlen. Gleichzeitig wird die strukturelle Festigkeit eines Triebwerkes verbessert, wenn die strukturellen Belastungen durch Elemente des Triebwerks geführt werden, die nicht zusätzlich hohen Temperaturen und den damit zusammen­ hängenden thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

Bei einem Versuch, die erreichbaren Temperaturen innerhalb der Brennkammern zu erhöhen, sind verschiedene Materialien und Le­ gierungen für eine Verwendung bei der Konstruktion der Kammern vorgeschlagen worden. Zwei Materialien, die eine besonders vorteilhafte Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Wir­ kungen haben, sind Oxiddispersions-verstärkte Materialien und verschiedene Keramiken. Ein anderes vorteilhaftes Material beinhaltet einen Hochtemperaturüberzug aus Niob. Ein Hauptnach­ teil in bezug auf die vorgenannten Materialien und gewisse andere ist jedoch, daß sie nur schwer oder überhaupt nicht zu schweißen sind.

Die effektive Applikation dieser Hochtemperaturmaterialien der vorgenannten Art zusätzlich zu der Möglichkeit, höhere Temperaturen zu erreichen, gestattet auch eine Verminderung der erforderlichen Kühlmittelmenge, die während des Betriebs auf die Brennkammer gerichtet werden muß. Diese Verkleinerung ermöglicht, daß das Triebwerk mit einem erhöhten Wirkungsgrad arbeitet.

Strukturelle Fehler in Gasturbinentriebwerken resultieren in der Vergangenheit gelegentlich daraus, daß lasttragende Teile des Triebwerkes thermischen Beanspruchungen ausgesetzt waren, die in Verbindung mit den hohen Verbrennungstemperaturen auftreten. Die Ausbildung einer Brennkammer in der Weise, daß die Brennkammer (die der Verbrennungswärme direkt ausge­ setzt ist) der Verkleidung zugeordnete strukturelle Lasten tragen muß, hat gelegentlich zu derartigen Fehlern geführt.

Die US 36 72 162 beschreibt eine Brennkammerauskleidung, die aus zwei teleskopartig miteinander verbundenen Abschnitten zusammengesetzt ist. Dabei ist das Ende des stromabwärtigen Abschnittes mit mehreren auf dem Umfang im Abstand angeord­ neten Vorsprüngen versehen, die in einen komplementären vertieften Ring im größeren stromaufwärtigen Abschnitt eingreifen. Während im kalten Zustand die beiden Abschnitte lose zusammenpassen, wird im Betrieb der stromaufwärtige Abschnitt stärker erhitzt als der stromabwärtige Abschnitt und bewirkt dadurch einen Festsitz zwischen den beiden Abschnitten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Brennkammer der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Auskleidungsringe schnell und einfach zusammengesetzt und auseinandergenommen werden können und im eingebauten Zustand sich weitgehend unabhängig von dem Brennkammerrahmen bewegen können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine einfache Herausnahme einzelner Verkleidungsringe er­ möglicht ist, ohne daß der tragende Rahmen und die zugeordne­ ten Komponenten total demontiert werden müssen. Dies wiederum gestattet den Ersatz neuer Ringe für diejenigen, die bei einer längeren Benutzung abgenutzt sind, oder die Reparatur einzelner Verkleidungsringe, die noch eine nutzbare Lebensdauer besitzen. Eine derartige Möglichkeit liefert eine große Kosteneinsparung gegenüber bekannten Vorrichtungen, bei denen die Brenn­ kammern im wesentlichen aus einer einheitlichen Konstruktion bestanden und bei denen eine Beschädigung oder Abnutzung eines einzelnen Teiles der Kammer die Auswechselung großer Abschnitte oder eine völlige Auswechselung erforderte.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht von einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er­ findung.

Fig. 2 zeigt einen einzelnen Verkleidungsring gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und stellt Kooperation mit einem Teil des tragenden Rahmens dar.

Fig. 3 zeigt die Zusammenarbeit zwischen Verkleidungsringen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter­ einander und mit dem tragenden Rahmen.

Fig. 4 zeigt einen einzelnen Verkleidungsring gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und stellt dessen Zusammenwirken mit dem tragenden Rahmen dar.

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht von einer Verkleidung ähn­ lich dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 4) und stellt deren Zusammenwirken mit benachbarten Ringen und mit dem tragenden Rahmen dar.

Fig. 1 stellt eine Brennkammer mit den Grundelementen dieses Abschnittes einer typischen Turbomaschine und auch die wesent­ lichen Verbesserungen dar, die mit der Erfindung erzielbar sind. Atmosphärische Luft tritt in üblicher Weise in die Brennkammer 10 von links durch einen Brennstoff/Lufteinlaß 12 stromabwärts von einem Hochdruckverdichter (nicht gezeigt) ein. Die Brenn­ kammer bildet eine Verbrennungszone 14 und enthält eine Brenn­ stoffdüse 16, die in dem Einlaß 12 angeordnet ist. Ein tragender Brennkammer-Rahmen 18 hoher Festigkeit enthält einen Stützteil 20, das die Verbrennungszone 14 umgibt. In üblicher Weise werden Brenn­ stoff aus der Düse 16 und durch den Einlaß 12 eintretende Luft innerhalb der Verbrennungszone 14 gemischt, wobei eine Ver­ brennung austritt. Die Verbrennungsprodukte werden in Fig. 1 nach rechts durch einen Auslaß 19 und über eine Reihe von Tur­ binenschaufeln 21 ausgestoßen. Die Turbinenschaufeln entziehen den austretenden Verbrennungsprodukten Energie und dienen dazu, eine Welle in Drehung zu versetzen, die den stromauf­ wärtigen Verdichter antreibt. Die übrige austretende Strömung von Verbrennungsprodukten erzeugt einen Schub, der in Fig. 1 nach links gerichtet ist.

Der Aufbau der Brennkammer ist in den übrigen Figuren mit größeren Einzelheiten dargestellt. Der Rahmen 18 mit dem Stützteil 20 haben einen zunehmend größer werdenden Radius mit axial beabstandeten radialen Stufen 22 und auch einen graduellen Konus vom stromaufwärtigen Ende zum stromab­ wärtigen Ende der Brennkammer. Jeder Stufe sind zwei in Umfangs­ richtung verlaufende Schultern 24 und 26 zugeordnet, die da­ zwischen eine im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Nut 28 bilden. Die Nut bildet ein Anschlag- oder Rastteil, wie es im fol­ genden näher beschrieben wird, zur Halterung von Brennkammer­ teilen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung sind mehrere einzelne Auskleidungsringe 30 gebildet, die mit dem tragenden Rahmen 18 zusammenarbeiten, um den Aufbau der Brennkammer zu vervollständigen. Um die Anordnung der Auskleidungsringe 30 um den tragenden Rahmen zu erleichtern, sind Befestigungsmittel zum Anordnen und Sichern der Ringe in bezug auf den Rahmen vorgesehen. Die Befestigungsmittel enthalten die Umfangs-Nut 28, die als Anschlag wirkt, wie vorstehend bereits er­ wähnt wurde. Zusätzlich enthält in dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel jeder Ring 30 eine Vorderkante 32 und eine Hinterkante 34 und trägt einen im wesentlichen radial ver­ laufenden Vorsprung 36, der mit dem Anschlag 28 zusammenarbeitet. Gemeinsam bilden der Vorsprung 36 und der Anschlag 28 ein Halterungsmittel, um zusammen mit dem Rahmen die Lage des Ringes beizubehalten.

Zusätzlich enthalten die Befestigungsmittel ein flexibles Teil, das in Fig. 3 als Feder 38 gezeigt ist. Die Halterungsmittel und das flexible Teil halten gemeinsam die Ringe in einer im wesentlichen vorbestimmten Position in bezug auf den Rahmen 18 während des Betriebs der Brennkammer.

Strukturell kann der Vorsprung 36 auf dem einen Schenkel des im Querschnitt im allgemeinen U-förmigen Federteils 38 ange­ ordnet sein, wobei der zweite Schenkel an einem Ring 30 nahe dessen Hinterkante 34 fest angebracht ist. Wenn ein einzelner Ring in seine Position in bezug auf den Rahmen 18 gebracht wird, wird die zugehörige Feder 38 ausgelenkt oder vorbela­ stet, wobei der Vorsprung 36 radial in Richtung auf den zu­ geordneten Ring bewegt wird, bis der Vorsprung die Umfangsnut 28 einnimmt, woraufhin er in eine Halterungsposition in bezug auf diese einschnappt.

Die Zusammenarbeit zwischen benachbarten Ringen 30 in axialer Richtung erfolgt in der Weise, daß mehrere Ringe teleskop­ artig gestapelt werden, um die Verbrennungszone 14 zu bilden. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die axiale Zusammenarbeit so, daß die Vorderkante 32 von jedem stromab­ wärtigen Ring 30 durch die Hinterkante 34 eines stromaufwärtigen Rings aufgenommen und gehalten ist durch ein sandwichartiges Zusammenwirken der Vorderkante zwischen den zwei Schenkeln des im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen elastischen Feder­ teils 38. Mit anderen Worten ragt die Vorderkante jedes stromabwärtigen Rings zwischen die zwei Schenkel des U-förmigen Federteils 38 und ist in dem dazwischen gebildeten Raum festgehalten.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, erstrecken sich die Vorsprünge 36 und die Nuten 28 im wesentlichen in Umfangs­ richtung in bezug auf die Ringe bzw. den Rahmen. Ferner ent­ hält jeder Ring eine Einrichtung aus Feder 38 und Vorsprung 36, und der Rahmen 18 enthält mehrere im Abstand angeordnete Umfangs­ nuten 28. Somit können ähnlich der vorstehend beschriebenen Weise mehrere Verkleidungsringe 30 in eine Position gebracht und gehaltert werden. Das Befestigungsverfahren, wie es vorstehend beschrieben wurde, kann umgekehrt werden, um es für eine leichte Herausnehmbarkeit der einzelnen Verkleidungsringe zu sorgen, falls diese aufgrund einer län­ geren Verwendung abgenutzt oder beschädigt sein sollten. Somit wird eine im angemesse­ nen Rahmen billige Wartung einer Brennkammerverkleidung ermöglicht.

Der Gesamtbetrieb der Brennkammer wurde bereits beschrieben. Die in Verbindung damit auftretenden aerodynamischen und thermischen Wirkungen auf die Brennkammerverkleidung werden nun erörtert. Aerodynamisch werden sehr hohe Gasgeschwindig­ keiten innerhalb der Verbrennungszone 14 erreicht aufgrund der großen Expansion der darin verbrannten Gase. Demzufolge werden große statische und dynamische Drucke auf die einzel­ nen Ringe 30 ausgeübt. Diese Drucke werden direkt auf den tragenden Rahmen 18 übertragen, der dazu dient, die volle Wucht der in der Brennkammer auftretenden mechanischen Kräfte auszuhalten.

Thermisch erreichen die in der Verbrennungszone 14 verbrennen­ den Gase äußerst hohe Temperaturen, und die einzelnen Verklei­ dungsringe 30 sind diesen Temperaturen direkt ausgesetzt. (Eine Kühlung der Ringe kann durch eine kombinierte Prall­ kühlung der radial äußeren Ringseiten und einer Filmkühlung der Ringseiten erfolgen, die der Verbrennungszone zugewandt sind. Es können auch alternative Kühlsysteme verwendet werden, aber die thermische Belastung auf die Kühlringe ist extrem hoch). Um diese Situation zu meistern, wird die Verwendung von überzogenen Niobmaterialien ermöglicht, die hervorragende thermische Eigenschaften besitzen.

Es ist eine unglückliche Eigenschaft von vielen Hochtempera­ turmaterialien, daß sie nicht geeignet sind, strukturelle Lasten aufzunehmen bzw. zu führen. Gemäß den Ausführungsbeispielen der Er­ findung müssen die einzelnen Verkleidungsringe 30 keine strukturellen Kräfte aushalten, diese werden vielmehr direkt auf den Rahmen 18 übertragen. In ähnlicher Weise würden die Materialien des Rahmens 18, welches Materialien hoher Festig­ keit sind, nicht notwendigerweise geeignet sein, der Verbren­ nungswärme innerhalb der Zone 14 ausgesetzt zu werden. Aber bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der tragende Rahmen 18 den hohen Tempera­ turen nicht direkt ausgesetzt, sondern er ist von diesen durch Ringe 30 getrennt. Somit können eine hohe Festigkeit aufweisende und bei hohen Temperaturen beständige Materia­ lien in mechanisch und thermisch beanspruchten Bereichen einge­ setzt werden, ohne daß sie sich gegenseitig nachteilig beeinflussen.

Es ist ein besonderes Merkmal von mit Niob überzogenen Mate­ rialien, wie sie für den vorliegenden Anwendungsfall geeignet sind, daß sie kleine thermische Ausdehnungskoeffizienten auf­ weisen. Der entsprechende Koeffizient des Rahmenmaterials könnte wesentlich höher sein. Somit könnte während eines transienten Brennkammerbetriebs die thermische Expansion der Ringe 30 und des Rahmens 18 recht wirksam aneinander angepaßt sein, so daß eine mechanische oder ringförmige Beanspruchung, die bei einer Expansion der Ringe 30 auftritt, keinen nachteiligen Einfluß auf den Rahmen 18 haben würde. Um den Rahmen weiter von mecha­ nischen Beanspruchungen zu trennen, die mit einer thermischen Beeinflussung der Ringe 30 zusammenhängen, ist das vorstehend beschriebene Befestigungsmittel gut geeignet.

Zu diesem Zweck hat die Anbringung der Verkleidungsringe 30 an dem Rahmen 18 mehrere teleskopartig ineinandergreifende Ringe zur Folge, die jeweils von dem Rahmen beabstandet sind. Die Ringe werden in dieser Abstandslage gehalten an der Vorder­ kante durch das Zusammenwirken der Vorderkante 32 mit der Hinter­ kante 34 des axial benachbarten, stromaufwärtigen Ringes. Die Hinterkante von jedem Ring wird in einem vorbestimmten Ab­ stand vom Rahmen durch das elastische Federteil 38 gehalten. Eine thermische Expansion eines einzelnen Ringes 30 bewirkt, daß der Ring gegen die Feder 38 drückt und diese biegt, wodurch Einstellungen der radialen Lage des Ringes 30 in bezug auf den Rahmen 18 gestattet werden. Deshalb wird die Wirkung der mecha­ nischen Kräfte auf den Rahmen 18 von den Ringen 30 wesentlich vermindert. Wenn in ähnlicher Weise Kräfte eine Biegung des Rahmens 18 bewirken, wird diese Biegung nicht direkt auf die Ringe 30 übertragen, sondern sie werden teilweise absorbiert durch ein Biegen der elastischen Federteile 38.

Falls irgendwelche Kräfte die Rigne aus ihrer axialen Position in bezug auf den Rahmen 18 zu verrücken versuchen, so wird diesen Kräften durch die Halterungsmittel, zu denen der Vor­ sprung 38 und die Nut 28 gehören, entgegengewirkt bzw. diese Kräfte werden aufgenommen. Deshalb kann bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Brennkammer aus einzelnen, im wesent­ lichen kreisringförmigen Ringen sowohl axial als auch radial in einer vorbestimmten Position sicher gehaltert werden. Die Ringe können aus geeignetem Hochtemperaturmaterial bzw. hoch­ warmfestem Material gebildet sein, obwohl dieses Material kaum geschweißt oder auf andere Weise bearbeitet werden kann. Ferner werden die Ringe durch einen Halter und ein flexibles radiales Befestigungsmittel sicher in ihrer Lage gehalten.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von denjenigen des ersten Ausführungsbei­ spiels; die Arbeitsweise bzw. Funktion ist im wesentlichen ähn­ lich. Ein Rahmen 18′ ist mit Schulter 24′ und 26′ versehen, die eine Umfangsnut 28′ bilden. Im wesentlichen kreisringförmige Ringe 30′ tragen Federteile 50 in der Form von im wesentlichen fingerähnlichen elastischen bzw. federnden Fingern 52, die sich zwischen einzelnen Ringen 30′ und den Rahmen 18′ erstrecken. Die Federmittel sind nahe den Hinterkanten 34′ der Ringe getragen und haben die Funktion, die Hinterkanten durch einen vorbestimm­ ten Raum 54 von dem Rahmen zu trennen. Diese fingerähnlichen Federn arbeiten in der Weise, daß sie sich biegen und Änderun­ gen in der radialen Ringposition in bezug auf den Rahmen in ähnlicher Weise wie die U-förmigen Federn absorbieren. Zusätz­ lich arbeiten die Hinterkanten 34′ der Ringe mit Vorderkanten 32′ der stromabwärtigen Ringe zusammen, um diese Vorderkanten innerhalb der Räume 54 aufzunehmen und diese darin zu haltern.

Um die Ringe 30′ in axialer Richtung in bezug auf die Rahmen­ mittel anzuordnen, weist jedes Federmittel eine im wesentlichen radiale Schulter 56 auf, die im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Rahmenschulter 26′ vorsteht. In der Nut 28′ ist ein Halterungsband 60 angeordnet, das dazu dient, eine axiale Bewegung der Schulter 56 in bezug auf die Schulter 24′ des Rahmens zu blockieren, auf die das Band ebenfalls drückt. Während der Fertigung der Brennkammer werden die einzelnen Finger 52 der Feder 50 gebogen oder vorbelastet. Weiterhin werden während eines Betriebs der Brennkammer diese Finger weiter gebogen, wenn thermische und mechanische Beanspruchungen kompensierende räumliche Einstellungen zwischen den Ringen 30′ und dem Rahmen 18′ erfordern. Dieses Ausführungsbei­ spiel der Erfindung gestattet auch eine wesentliche Trennung der Rahmen 18′ von thermischen Beanspruchungen, die in den Ringen 30′ auftreten, und es trennt in ähnlicher Weise die Ringe 30′ von strukturellen Beanspruchungen, die im Rahmen 18′ auftreten. Auch die Fertigung dieser Brennkammer ist auf einfache Weise reversibel, wobei die einzelnen Ringe 30′ aus ihrer Koope­ ration mit dem Rahmen 18′ herausgezogen werden können, indem das Halterungsband 56 herausgenommen und die Montage umgekehrt wird.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Bei­ spielsweise können die Federteile und Halterungsmittel irgend­ welche Konfigurationen aufweisen, die die hier beschriebenen Zwecke in gleicher Weise oder ähnlich erfüllen.

Claims (4)

1. Brennkammer für ein Gasturbinenwerk, mit einem Einlaß zur Aufnahme von Luft und zu verbrennendem Brennstoff, einem Auslaß zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten, einem tragenden Brennkammerrahmen, der zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnet ist, und mit einer Brennkammer­ auskleidung, die mehrere Auskleidungsringe aufweist und zusammen mit dem Brennkammerrahmen eine Verbrennungszone bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidungsringe (30; 30′) teleskopartig ineinander geschoben und selbsttragend sind, wobei jeder Auskleidungsring (30; 30′) an seiner Vorderkante (32; 32′) durch die Hinterkante (34; 34′) von einem stromaufwärts benachbarten Auskleidungsring in seiner Lage gehalten ist, in der Innenwand des Brennkammerrahmens (18) mehrere im axialen Abstand angeordnete Umfangsnuten (28; 28′) ausgebildet sind und jeder Auskleidungsring (30; 30′) an seiner Hinterkante (34; 34′) mit einem Federteil (38; 50) versehen ist, das mit einer zugeordneten Umfangsnut (28; 28′) derart in Eingriff bringbar ist, daß jeder Auskleidungsring (30; 30′) gegen axiale Verschiebung gehaltert und eine radiale Bewegung des Auskleidungsringes (30, 30′) relativ zum Brennkammerrahmen (18) gestattet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federteil (38) im wesentlichen U-förmig ist und sich von der jeweiligen Hinterkante (34) des Auskleidungsringes (30) stromaufwärts erstreckt und ein stromabwärts gerichtetes offenes Ende aufweist, das die Vorderkante (32) des stromabwärts benachbarten Auskleidungsringes (30) sandwichartig aufnimmt.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federteil (38) einen freien Schenkel aufweist, an dem ein Vorsprung (36) ausgebildet ist, der in eine zugeordnete Umfangsnut (28) eingreift und die ineinandergeschobenen Enden von zwei benachbarten Auskleidungsringen (30) federnd haltert.

4. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federteil (50) mehrere Finger (52), die sich von der Hinterkante (34′) des Auskleidungsringes (30′) stromaufwärts erstrecken, und eine radiale Schulter (56) aufweist, und daß ein Halterungsband (60) in der Umfangsnut (28′) angeordnet ist und auch an der Schulter (56) angreift zur axialen Halterung von jedem Auskleidungsring (30′), wobei die Vorderkante (32′) von einem stromabwärts benachbarten Auskleidungsring (30′) sandwichartig zwischen der Hinterkante (34′) des stromaufwärts benachbarten Auskleidungsringes (30′) und dem Halterungsband (60) angeordnet ist.