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Gegenstand
der Erfindung sind Gasturbinenantriebe und insbesondere Verwirbleranordnungen zur
Zulieferung von komprimierter Luft an die Brennkammer solcher Antriebe.
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Gasturbinenantriebe
enthalten einen Verdichter, der verdichtete Luft zu einer Brennkammer liefert,
in der die Luft mit Kraftstoff vermischt und gezündet wird, um heiße Verbrennungsgase
zu liefern. Diese Gase strömen
zu einer oder mehreren Turbinen stromabwärts, die ihnen Energie entziehen,
um den Verdichter anzutreiben und Nutzarbeit zu liefern, wie beispielsweise
für das
Antreiben eines Luftfahrzeugs während
des Fluges. In Brennkammern, die in Flugtriebwerken verwendet werden,
wird der Kraftstoff typischerweise durch eine Vielzahl von Kraftstoffdüsen in die
Brennkammer geliefert, die an einem Ende der Verbrennungszone angeordnet
sind. Die Luft wird durch umgebende Anordnungen zugeliefert, die
als Verwirbleranordnungen bekannt sind, die der Luft eine Drallbewegung
erteilen, um ein gründliches
Mischen von Luft und Treibstoff zu bewirken. Die Verwirbleranordnungen
sind in einer Domplatte montiert, die mit den stromaufwärtigen Enden der
inneren und äußeren Auskleidung
der Brennkammer verbunden ist, wobei jedes Kraftstoffdüsenende von
einer entsprechenden Verwirbleranordnung aufgenommen ist. Eine solche
Anordnung ist in der US-A-4 584 834 veranschaulicht.
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Eine
konventionelle Verwirbleranordnung ist eine dreiteilige Anordnung
mit einem Primärverwirbler,
einem Sekundärverwirbler
und einer Halterung. Der Primärverwirbler
weist eine Anzahl von voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten
Verwirblerdüsen
oder Luftkanäle
auf. Die Düsen
oder Kanäle sind
in Bezug auf die axiale Mittellinie der Verwirbleranordnung schräg angeordnet,
um dem Luftstrom eine Drallbewegung zu erteilen. Der Sekundärverwirbler
weist ebenfalls eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten
Wirbeldüsen oder
Luftkanälen
auf und ist unmittelbar stromabwärts
zu dem Primärverwirbler
angeordnet. Die Düsen
oder Kanäle
des Sekundärverwirblers
sind so schräg
angeordnet, dass sie einen Luftwirbel erzeugen, der in der entgegen
gesetzten Richtung zu dem Primärverwirbler
dreht, um die Kraftstoff/Luft-Vermischung weiter zu fördern. Der
Halter passt über
den Primärverwirbler
und ist mit dem Sekundärverwirbler verschweißt, um die
beiden Verwirbler zusammen zu halten.
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Der
Luftstrom durch die Düsen
oder Kanäle des
Primärverwirblers
erzeugt eine Reaktionskraft, die dazu neigt, den Primärverwirbler
in Bezug auf den Sekundärverwirbler
und die Kraftstoffdüse
zu verdrehen. Wenn ihm jedoch gestattet wird, zu drehen, lässt der
Primärverwirbler
die Luft nicht in dem notwendigen Ausmaß wirbeln, so dass keine wirksame
Vermischung von Luft und Brennstoff erzielt wird. Außerdem würde eine
Drehung des Primärverwirblers
eine übermäßige Abnutzung
des Kraftstoffdüsenkörpers bewirken.
Bei konventionellen Verwirbleranordnungen wird deshalb eine Drehung
des Primärverwirblers
verhindert, indem an dem Primärverwirbler
ein sich nach außen
erstreckender Vorsprung und an dem Sekundärverwirbler ein Zapfen ausgebildet
ist, wobei der Vorsprung und der Zapfen in Eingriff stehen, um die
Relativdrehung der Verwirbler zu beschränken.
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Die
Brennkammeranordnung unterliegt jedoch Vibrationen und es ist während des
Betriebs des Gasturbinenantriebs eine nennenswerte Wärmeausdehnung
der Komponenten zu verzeichnen. Deshalb ergibt sich eine Relativbewegung
zwischen dem Vor sprung und dem Zapfen, was signifikanten Verschleiß zur Folge
hat und schlussendlich eine Reparatur erfordert und die Wartungskosten
erhöht.
Der Reparaturvorgang ist relativ schwierig, weil er die Entfernung
des fest verschweißten
Halters erfordert. Es ist außerdem
möglich,
dass ein verschlissener Vorsprung und/oder Zapfen abbricht und eine
Beschädigung
an der stromabwärtigen
Turbine verursacht. Außerdem
kann der Halter während
des Betriebs Risse bekommen und muss häufig ersetzt werden.
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Entsprechend
gibt es einen Bedarf für
eine verbesserte Verwirbleranordnung, die die Drehung zwischen dem
primären
und dem sekundären
Verwirbler ohne das Erfordernis häufiger Reparatur verhindert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung weist eine Verwirbleranordnung einen
ersten Verwirbler sowie einen zweiten Verwirbler auf, der mit dem
ersten Verwirbler in Verbindung steht und an dem wenigstens eine
Schiene ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Schiene mit einer
Kante des ersten Verwirblers in Anlage steht, um eine Relativdrehung
des ersten und des zweiten Verwirblers gegeneinander zu verhindern.
An dem zweiten Verwirbler kann vorzugsweise an einer Außenkante
desselben ein Stoppvorsprung vorgesehen sein. Der Stoppvorsprung
kann eine ebene Fläche
festlegen, die rechtwinklig zu der Schiene angeordnet ist.
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An
dem zweiten Verwirbler kann vorzugsweise an einem an ihm ausgebildeten
Schweißvorsprung
ein Schweißpunkt
angebracht sein, wobei der Schweißpunkt von dem Stoppvorsprung
beabstandet ist, um eine beschränkte
seitliche Bewegung zwischen dem ersten Verwirbler und dem zweiten
Verwirbler zuzulassen.
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Die
Verwirbleranordnung kann außerdem eine
zweite an dem zweiten Verwirbler ausgebildete Schiene aufweisen,
wobei die zweite Schiene mit einer Kante des ersten Verwirblers
in Anlage steht und von der wenigstens einen Schiene beabstandet
ist, um eine beschränkte
seitliche Bewegung des ersten Verwirblers relativ zu dem zweiten
Verwirbler zu gestatten. Die zweite Schiene und die wenigstens eine Schiene
können
parallel zueinander orientiert sein.
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Die
wenigstens eine Schiene kann einen nach innen gerichteten Flansch
aufweisen, der an ihr ausgebildet ist, um den ersten Verwirbler
und den zweiten Verwirbler in Anlage zu halten.
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An
dem ersten Verwirbler kann ein Vorsprung ausgebildet sein, wobei
die wenigstens eine Schiene mit dem ersten Verwirbler an dem Vorsprung in
Anlage steht.
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Die
Verwirbleranordnung kann aufweisen: einen Primärverwirbler mit einem Basisabschnitt,
der eine Außenkante
festlegt und in dem eine Zentralöffnung
ausgebildet ist, einen Sekundärverwirbler
mit einem Basisabschnitt, der eine Außenkante definiert und an dem
eine Venturidüse
ausgebildet ist, wobei der Sekundärverwirbler in Anlage mit dem
Primärverwirbler
angeordnet ist, wobei an dem Sekundärverwirbler erste und zweite
Schienen ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite Schiene
jeweils die mit der Außenkante
des Primärverwirblers
in Anlage stehen, um eine Relativdrehung des Primärverwirblers und
des Sekundärverwirblers
zu verhindern.
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An
der Außenkante
des Sekundärverwirblers kann
ein Stoppvorsprung angeordnet sein, der mit der Außenkante
des Primärverwirblers
in Anlage steht und es kann an dem Sekundärverwirbler ein Schweißvorsprung
und an dem Schweißvorsprung ein
Schweißpunkt
vorgesehen sein, wobei der Schweißpunkt von dem Stoppvorsprung
beabstandet ist, um eine beschränkte
seitliche Bewegung des Primärverwirblers
relativ zu dem Sekundärverwirbler
zu ermöglichen.
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Die
erste und die zweite Schiene können
an der Außenkante
des Sekundärverwirblers
an einander gegenüber
liegenden Seiten der Venturidüse
angeordnet sein. Die erste und die zweite Schiene können voneinander
beabstandet sein, um eine beschränkte
seitliche Bewegung des Primärverwirblers relativ
zu dem Sekundärverwirbler
zu ermöglichen.
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Die
erste und die zweite Schiene können
parallel zueinander sein.
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Der
Stoppvorsprung kann eine ebene Fläche definieren, die die Außenkante
des Primärverwirblers berührt und
rechtwinklig zu der ersten und der zweiten Schiene angeordnet ist.
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Sowie
die erste als auch die zweite Schiene können einen an ihnen ausgebildeten,
nach innen gerichteten Flansch aufweisen, um den Primärverwirbler
und den Sekundärverwirbler
in Anlage zu halten.
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An
dem Primärverwirbler
können
erste und zweite Vorsprünge
ausgebildet sein, wobei die erste und die zweite Schiene mit dem
Primärverwirbler
an dem ersten bzw. zweiten Vorsprung in Anlage stehen.
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Die
Erfindung wird nun im Wege ?des Beispiels mit Bezug auf die Zeichnungen
detaillierter beschrieben, in denen:
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1 eine
Axialschnittansicht des vorderen Teils einer Brennkammer mit einer
erfindungsgemäßen Verwirbleranordnung
ist,
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2 eine
Perspektivansicht eines Primärverwirblers
für die
erfindungsgemäße Verwirbleranordnung
ist,
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3 eine
Perspektivansicht eines Sekundärverwirblers
für die
erfindungsgemäße Verwirbleranordnung
ist,
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4 eine
Perspektivansicht einer zusammengebauten erfindungsgemäßen Verwirbleranordnung
ist.
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Es
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen identische Referenznummern
durch die verschiedenen Ansichten hindurch die gleichen Elemente
bezeichnen, wobei 1 das vordere Ende der Brennkammer 10 der
Bauart veranschaulicht, die zur Verwendung in Gasturbinenantrieben geeignet
ist und einen Hohlkörper 12 aufweist,
der in sich einen Brennraum 14 definiert. Der Hohlkörper 12 ist
im Wesentlichen ringförmig
und durch einen äußeren Einsatz 16 und
einen inneren Einsatz 18 begrenzt. Das stromaufwärtige Ende
des Hohlkörpers 12 ist
durch eine Kappe 20 im Wesentlichen geschlossen, die mittels
einer ersten Befestigung 22 mit dem äußeren Einsatz 16 und
mit einer zweiten Befestigung 24 mit dem inneren Einsatz 18 verbunden
ist. In der Kappe 20 ist wenigstens eine Öffnung 26 ausgebildet,
um Brennstoff und komprimierte Luft einzuführen. Die komprimierte Luft
wird von einem Verdichter (nicht veranschaulicht) in die Brennkammer 10 in
einer Richtung eingeführt,
die in 1 im Ganzen mit einem Pfeil A bezeichnet ist.
Die verdichtete Luft strömt
in erster Linie durch die Öffnung 26,
um die Verbrennung zu fördern
und teilweise in den den Hohlkörper 12 umgebenden
Bereich, wo sie zur Kühlung
der beiden Einsätze 16 und 18 dient,
und sodann weiter stromabwärts
durch die Turbine.
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Zwischen
dem äußeren und
dem inneren Einsatz 16, 18 ist nahe den stromaufwärtigen Enden eine
ringförmige
Domplatte 28 angeordnet. An der Domplatte 28 ist
eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Verwirbleranordnungen 30 montiert
(einer dargestellt in 1). Jede Verwirbleranordnung 30 enthält einen
Primärverwirbler 32, der
eine Anzahl schräg
angeordneter Passagen 34 aufweist. Die Passagen 34 sind
in Bezug auf die axiale Mittellinie 31 der Verwirbleranordnung 30 schräg angeordnet,
um dem Luftstrom eine wirbelnde Bewegung zu erteilen. Der Primärverwirbler 32 weist
auch eine Zentralöffnung 36 auf,
die eine Brennstoffdüse 38 koaxial
aufnimmt.
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Die
Verwirbleranordnung 30 enthält außerdem einen Sekundärverwirbler 40,
der sich stromabwärts
zu dem Primärverwirbler 32 gesellt
und von der Domplatte 28 fixiert aufgenommen ist. Der zweite Verwirbler 40 enthält eine
Venturidüse 42 und
eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Wirbeldüsen 44,
die koaxial um die Venturidüse 42 herum
angeordnet sind. Die Venturidüse 42 und
die Zentralöffnung 36 des
Primärverwirblers 32 sind
beide zu der axialen Mittellinie 31 der Verwirbleranordnung 30 koaxial
ausgerichtet. Von der Öffnung 26 strömt Luft
durch die Passagen 34. Die wirbelnde, die Passagen 34 verlassende
Luft wirkt mit dem Brennstoff zusammen, der von der Kraftstoffdüse 38 injiziert
worden ist, um sich bei ihrem Eintritt in die Venturidüse 42 zu
mischen. Die sekundären
Wirbeldüsen 44 bewirken
dann die Erzeugung eines Luftwirbels, der in Gegenrichtung wirbelt,
was für
die Kraftstoff/Luft-Mischung eine weitere Zerstäubung und Vorbereitung für die Verbrennung
in dem Verbrennungsraum 14 bewirkt. Es sollte angemerkt
werden, dass die vorliegende Erfindung, obwohl 1 die
vorliegende Erfindung in einer einzelnen Ringbrennkammer veranschaulicht,
gleichermaßen
auf andere Typen von Brennkammern anwendbar ist, einschließlich Mehrringbrennkammern.
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Es
wird nun auf 2 bis 4 Bezug
genommen, in denen eine Verwirbleranordnung 30 detaillierter
veranschaulicht ist. Wie aus 2 hervorgeht,
weist der Primärverwirbler 32 einen
Basisabschnitt 46 mit einem ringförmigen Rand 48 auf,
der an einer seiner Seiten ausgebildet ist. Der Basisabschnitt 46 ist
ein flaches Element mit einander gegenüber liegenden ebenen Flächen und
einer Umfangs- oder Außenkante.
Die erste Fläche
des Basisabschnitts 46 von der sich der ringförmige Rand 48 weg erstreckt,
weist nach oben, wenn die Verwirbleranordnung 30 in der
Brennkammer 10 richtig positioniert ist. Die Passagen 34 sind
um den Umfang des ringförmigen
Rands 48 herum angeordnet, der die oben genannte Zentralöffnung 36 definiert.
An der ersten Fläche
des Basisabschnitts 46 ist entlang ihrer Außenkante
und an einander gegenüber
liegenden Seiten des ringförmigen
Rands 48 ein Paar erhabener Vorsprünge 50 ausgebildet,
die im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.
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Es
wird auf 3 verwiesen, wonach der Sekundärverwirbler 40 einen
Basisabschnitt 52 aufweist, der ebenfalls ein flaches Element
mit einander gegenüber
liegenden ebenen Flächen
und einer Umfangs- oder Außenkante
ist. Der Basisabschnitt 52 weist eine erste stromaufwärts blickende
Fläche
auf, die mit der zweiten Fläche
des Primärverwirblers 32 in
Eingriff steht, wenn der Verwirbler 30 zusammengebaut ist, und
er weist eine zweite stromabwärts
blickende Fläche
auf. Die Venturidüse 32 erstreckt
sich (mit Bezug auf die zentrale Mittellinie 31 der Verwirbleranordnung 30)
in Axialrichtung von der zweiten Fläche nach außen und, wie oben erwähnt, sind
Wirbeldüsen 34 koaxial
um die Venturidüse 42 herum angeordnet.
Ein Paar Befestigungsschienen 54 erstreckt sich von der
ersten Fläche
des Basisabschnitts 52 axial nach außen. Jede Befestigungsschiene 54 ist
entlang der Außenkante
des Basisabschnitts 52 an einander gegenüber liegenden
Seiten der Venturidüse 42 und
dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Jede Befestigungsschiene 54 weist
einen (in Bezug auf die axiale Mittellinie 31 der Verwirbleranordnung 30)
im Wesentlichen radial nach innen gerichteten Flansch 56 auf,
um mit dem Primärverwirbler 32 in
Eingriff zu kommen.
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Der
Sekundärverwirbler 40 weist
außerdem einen
an der Außenkante
des Basisabschnitts 52 ausgebildeten und sich von der ersten
Fläche
desselben axial weg erstreckenden Stoppvorsprung 58 auf. Der
Stoppvorsprung 58 legt eine ebene Fläche fest und ist an der Außenkante
des Basisabschnitts 52 so angeordnet, dass sich seine ebene
Fläche
rechtwinklig zu den Befestigungsschienen 54 erstreckt.
An der Außenkante
des Basisabschnitts 52 ist außerdem ein Schweißvorsprung 60 ausgebildet,
der sich von ihr radial nach außen
erstreckt. Der Schweißvorsprung 60 ist
bezüglich
der Venturidüse 42 dem
Stoppvorsprung 58 gegenüber
liegend angeordnet.
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Die
Basisabschnitte 46 und 52 der beiden Verwirbler 32 und 40 weisen
im Wesentlichen die gleiche Form auf, obwohl der Basisabschnitt 52 des Sekundärverwirblers 40 etwas
größer ist.
Die Vorsprünge 50 und
die Befestigungsschienen 54 sind an den Außenkanten
der ähnlich
geformten Basisabschnitte 46 bzw. 52 in zueinander
korrespondierenden Positionen angeord net. Somit wird die Verwirbleranordnung 30,
wie in 4 veranschaulicht, zusammengebaut, indem der Primärverwirbler
mit dem Sekundärverwirbler
so in Eingriff geschoben wird, dass die Basisabschnitte 46 und 52 in
im Wesentlichen koplanarer Weise aneinander anliegen. Außerdem werden
die Vorsprünge 50 mit
den Befestigungsschienen 54 ausgerichtet, um eine Drehung des
Primärverwirblers 32 in
Bezug auf den Sekundärverwirbler 40 zu
verhindern. Die Vorsprünge 50 stehen
außerdem
mit den Befestigungsschienenflanschen in Eingriff, um die beiden
Verwirbler 32 und 40 axial zusammen zu halten.
Die Vorsprünge 50 liefern einen
vergrößerten Berührungsbereich
mit den Befestigungsschienen 54, so dass deren Verschleiß reduziert
wird.
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Die
Befestigungsschienen 54 beschränken außerdem die seitliche Bewegung
des Primärverwirblers 32 in
Bezug auf den Sekundärverwirbler 40 entlang
einer ersten Achse, die in 4 als X-Achse bezeichnet
wird und die in der Ebene liegt, die durch die Basisabschnitte 46 und 52 definiert
ist. Dies bedeutet, dass die beiden Befestigungsschienen 54 in X-Richtung
ausreichend beabstandet sind, um eine beschränkte seitliche Bewegung des
Primärverwirblers 32 relativ
zu dem Sekundärverwirbler 40 zu
gestatten. Ähnlich
dienen der Stoppvorsprung 58 und ein Schweißpunkt 62,
der nach dem Zusammenbau der beiden Verwirbler 32 und 40 an
dem Schweißvorsprung 60 ausgebildet
ist, zur Beschränkung
der seitlichen Bewegung des Primärverwirblers 32 entlang einer
in 4 mit Y bezeichneten Achse, die ebenfalls in der
von den Basisabschnitten 46 und 52 definierten
Ebene liegt und rechtwinklig zu der Achse X orientiert ist. In diesem
Fall sind der Stoppvorsprung 58 und der Schweißpunkt 62 in
Y-Richtung ausreichend weit voneinander beabstandet, um eine beschränkte seitliche
Bewegung des Primärverwirblers 32 relativ
zu dem Sekundärverwirbler 40 zu
gestatten. Diese Anordnung gestattet es dem Primärverwirbler 32, seitlich
zu schwimmen oder sich zu bewegen, so dass der ringförmige Rand 48 koaxial
zu der Kraftstoffdüse 38 ausgerichtet
werden und diese aufnehmen kann, wobei andererseits verhindert wird, dass
sich die Verwirbler 32 und 40 trennen, wenn die Verwirbleranordnung 30 in
dem Triebwerk 10 installiert ist.
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Wenn
die Verwirbleranordnung 30 in dem Triebwerk 10 erst
einmal installiert ist, zentriert und hält die Kraftstoffdüse 38 den
Primärverwirbler 32 zwischen
den beiden Befestigungsschienen am Platz. Somit erbringen die Befestigungsschienenflansche 56,
der Stoppvorsprung 58 und der Schweißpunkt 62 keine weitere
Funktion, wenn die Verwirbleranordnung 30 in dem Triebwerk 10 montiert
ist. Außerdem
hält der
bei Betrieb des Triebwerks von dem Verdichter kommende Luftstrom
den Primärverwirbler 32 gegen
den Sekundärverwirbler.
Gleichzeitig erzeugt der durch die Passagen 34 des Primärverwirblers 32 fließende Luftstrom
eine Reaktionskraft, die den Primärverwirbler 32 veranlasst,
etwas zu drehen, so dass die Vorsprünge 50 mit den Halteschienen 54 in
Anlage kommen. Die Halteschienen 54 sind in Beziehung zu
der axialen Mittellinie und den Winkel der Passagen 34 so
angeordnet, dass einer Drehung des ersten Verwirblers entgegen gewirkt
wird. Die Anlage der Halteschienen 54 an den Vorsprüngen 50 verhindert
dabei die Drehung des Primärverwirblers 32 in Bezug
auf den Sekundärverwirbler 40 und
somit gleichfalls in Bezug auf die Kraftstoffdüse 38.
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Vorstehend
ist eine Verwirbleranordnung 30 beschrieben worden, bei
der eine Drehung des Primärverwirblers
verhindert wird und die beiden Verwirbler 32 und 40 in
Anlage gehalten werden. Die vorliegende Erfindung erreicht dies
mit zwei Tei len an Stelle von drei Teilen, die bei konventionellen
Verwirbleranordnungen Anwendung finden. Eine zweiteilige Anordnung
reduziert Kosten und erleichtert die Herstellung, weil die Fixierung
und Einrichtung für das
Schweißen
einer separaten Befestigung weg fällt. Die Reparatur der Verwirbleranordnung
ist leichter, weil ein Entfernen des Primärverwirblers 32 während einer
Reparatur vor Ort nur die Entfernung des kleinen Schweißpunkts 32 an
Stelle der Entfernung der permanentverschweißten Befestigung nötig wird, wie
es früher
der Fall. Außerdem
ist der Kontaktbereich zwischen den Vorsprüngen 50 und den Halteschienen 54 bei
der vorliegenden Erfindung größer als
der Kontaktbereich bei einer konventionellen Vorsprung-Zapfen-Anordnung.
Dieser größere Kontaktbereich
vermindert den Verschleiß,
so dass die Lebensdauer der Teile vergrößert und die Reparaturhäufigkeit
vermindert wird.