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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbinentriebwerke und spezieller
auf schlitzgekühlte ringförmige Brennkammern
für Turbinentriebwerke.
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Ein
Turbinentriebwerk weist einen Verdichter zur Verdichtung von Luft
auf, die geeignet mit einem Treibstoff gemischt und in eine Brennkammer
geleitet wird, worin das Gemisch zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase
gezündet
wird. Die Gase werden zu einer Turbine geleitet, die den Verbrennungsgasen Energie
zum Antreiben des Verdichters sowie zur Erzeugung von Nutzarbeit
zum Antreiben eines Flugzeugs im Flug und zum Antreiben einer Last,
wie z.B. eines elektrischen Generators, entzieht. Ein erhöhter Wirkungsgrad
von Gasturbinentriebwerken wird zumindest teilweise durch eine Steigerung
der Betriebstemperatur der Brennkammer erreicht. Eine prinzipielle
Beschränkung
bei der Brennkammerbetriebstemperatur stellten materialbedingte
Grenzen eines Einsatzes oder Flammrohrs in der Brennkammer dar.
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Ein
effektives Verfahren zur Kühlung
eines Brennkammereinsatzes oder -flammrohrs ist die Dünnfilmkonvektionskühlung, bei
der eine Schutzfilmgrenzschicht von kühler Luft entlang einer inneren
Oberfläche
des Einsatzes durch Luftkühlschlitze strömt, um den
Einsatz von den heißen
Verbrennungsgasen zu isolieren. Neben der Bildung einer schützenden
Grenzschicht zwischen dem Einsatz und heißen Gasen ermöglicht die
Kühlluft
eine Konvektionskühlung
des Einsatzes. Siehe z.B. U.S.-Patentschrift Nr. 4,259,842. Die
Luftschlitze neigen jedoch dazu, Turbulenzen von Verbrennungsgasen
anzuregen, die sich von den Enden der Schlitze ablösen, was
einen Wärmeübergangskoeffizienten
an den Enden der Schlitze steigert und somit die Wärmebelastung
des Brennkammereinsatzes erhöht.
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Ein
weiteres effektives Verfahren zur Kühlung der Wärmebarriere eines Brennkammereinsatzes
stellt die Verwendung von Wärmebarrierenbeschichtungen
dar, die auf die innere Oberfläche
eines Brennkammereinsatzes aufgebracht werden, um eine thermische
Isolation gegenüber
Verbrennungsgasen zu bewirken. Wärmebarrierenbeschichtungen verringern
die Kühlluftmenge,
die für
eine vorgegebene Verbrennungsgastemperatur erforderlich ist, oder ermöglichen
eine Erhöhung
der Verbrennungsgastemperatur zur Erhöhung der Effizienz des Triebwerks.
Siehe z.B. U.S.-Patentschrift Nr. 5,960,632. Prozesseinschränkungen
beim Auftragen einer Wärmebarrierenbeschichtung,
nämlich
eine unerwünschte
Ablagerung von Wärmebarrierenbeschichtungen, verhindern
jedoch, dass die Wärmebarrierenbeschichtung
auf die nach hinten weisenden Kanten des Brennkammereinsatzes aufgebracht
wird, wodurch die Kanten heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt werden und eine Wärmeabfuhr in den Einsatz zugelassen
wird.
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Ein
Verfahren zur Bildung eines Brennkammereinsatzes und ein Brennkammereinsatz,
die im Wesentlichen den Oberbegriffen der hier angegebenen Ansprüche 1 und
2 entsprechen, sind in der US-A-5,123,248 und der EP-A-0,049,190
beschrieben.
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Demgemäß wäre es wünschenswert
eine Brennkammeranordnung mit nach hinten weisenden Kanten zu schaffen,
die mit einer Wärmebarrierebeschichtung überzogen
sein können,
ohne dass sie unerwünschten
Wärmestau
in Kühlschlitzen
erzeugen, die Turbulenzen von Verbrennungsgasen an jeder nach hinten
weisenden Kante reduzieren und die die Brennkammereinsatzoberfläche der überhängenden
Abschnitte verringern.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Brennkammer ein Brennkammerflammrohr bzw. einen Brennkammereinsatz,
das bzw. der eine gestufte Brennkammereinsatzoberfläche und
zumindest einen überhängenden
Abschnitt enthält,
der einen Luftkühlschlitz
bildet. Eine nach hinten weisende Kante des überhängenden Abschnitts ist profiliert,
um Turbulenzen von Verbrennungsgasströmungen zu verringern und um
eine offengelegte Brennkammereinsatzoberfläche des überhängenden Bereichs zu verringern.
Eine Wärmebarrierenbeschichtung
wird auf die profilierte, nach hinten weisende Kante aufgebraucht,
so dass sie die Wärmeströmung in
den überhängenden
Abschnitt weiter reduziert und die Betriebstemperatur der Brennkammer
vermindert. Auf diese Weise wird die erforderliche Luftmenge reduziert,
was die Abgasemissionen weiter verringern, die Triebwerksleistung
erhöhen
und die Lebensdauer der Brennkammeranordnung verlängern kann.
Zusätzlich
können aufgrund
der Wärmebarrierenbeschichtung
höhere Verbrennungsgastemperaturen
erzielt werden, um den Wirkungsgrad eines Turbinentriebwerks zu
steigern, ohne dass dies negative Auswirkungen auf die Materialien
der Brennkammeranordnung hat.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezug auf beigefügte Zeichnungen
beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
ausschnittsweise Querschnittsansicht einer bekannten Brennkammeranordnung;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts der Brennkammeranordnung, die in 1 veranschaulicht
ist;
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3 eine
der 2 ähnliche
vergrößerte Ansicht
einer ersten Ausführungsform
eines Brennkammereinsatzes;
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4 eine
der 3 ähnliche
vergrößerte Ansicht
einer zweiten Ausführungsform
eines Brennkammereinsatzes;
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5 eine
vergrößerte Ansicht, ähnlich der in 3,
einer dritten Ausführungsform
eines Brennkammereinsatzes.
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Eine
bekannte Brennkammeranordnung 10, die zur Verringerung
der Betriebstemperatur eines Brennkammereinsatzes bzw. -flammrohrs
in einem konventionellen Turbinentriebwerk Dünnfilmkonvektionskühlungs-
mit Wärmebarrierenbeschichtungsverfahren
kombiniert, ist in 1 dargestellt. Eine herkömmliche
Treibstoffeinspritzvorrichtung (nicht gezeigt) spritzt zerstäubten injiziert
atomisierten Treibstoff in eine Brennzone 12 der Brennkammeranordnung 10 ein,
wodurch ein Luft-Treibstoff-Gemisch gebildet wird, das typischerweise
mit einem (nicht veranschaulichten) Verwirbeler gemischt wird. Ein
Zünder
oder ein Überschlags-
bzw. Kreuzfeuerrohr (nicht gezeigt) zündet das Luft-Treibstoff-Gemisch
stromab von der Treibstoffeinspritzvorrichtung, und Verbrennungsgase
verlassen die Brennkammeranordnung durch eine (nicht veranschaulichte)
Turbinenleiteinrichtung, die die hochenergetischen Verbrennungsgase
auf eine (nicht veranschaulichte) Reihe von Turbinenlaufschaufeln
oder Schaufelblätter
richtet. Die Gase treiben ein (nicht veranschaulichtes) Turbinenlaufrad
drehend an, das dem Verdichter Rotationsenergie zuführt, eine
Last antreibt und/oder dessen Leistung in Schub umgewandelt wird.
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Die
Brennzone 12 ist durch ringförmige, radial äußere und
innere Tragelemente oder Gehäuse (nicht
gezeigt) und einen jeweiligen äußeren Einsatz bzw.
Mantel 20 und inneren Einsatz bzw. Mantel 22 gebildet.
Der äußere und
der innere Einsatz 20, 22 enthalten jeweils mehrere
Luftkühlschlitze 24,
die durch überhängende Abschnitte 26 einer
Brennkammereinsatzoberfläche 28 gebildet
sind.
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Bezugnehmend
nun auf 2 enthält die Brennkammereinsatzoberfläche 28 eine
Reihe von Stufen 30, von denen jede einen unterschiedlichen Abschnitt
der Brennkammereinsatzoberfläche 28 ausbildet,
der von anderen Abschnitten der Brennkammereinsatzoberfläche 28 durch
Luftkühlschlitze 24 getrennt
ist. Die Luftkühlschlitze 24 enthalten Öffnungen 32,
um Luft aus einer (nicht gezeigten) Luftkammer zu empfangen und
eine dünne
schützende Grenzschicht
aus Luft zwischen Hochtemperaturverbrennungsgasen und der Oberfläche 28 des
Brennkammereinsatzes zu bilden sowie um eine Konvektionskühlung des
Brennkammereinsatzes 22 zu bewirken. Luft strömt aus den Öffnungen 32 durch
die Schlitze 24 zwischen der Brennkammereinsatzoberfläche 28 und
einer unteren Oberfläche 36 der überhängenden
Abschnitte 26 des Brennkammereinsatzes.
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Eine
Schicht 38 einer bekannten Wärmebarrierenbeschichtung wird
auf die Brennkammereinsatzoberfläche 28 aufgebracht
und erstreckt sich von einem überhängenden
Abschnitt 26 zu einem überhängenden
Abschnitt 26 jeder Stufe 30, um die Brennkammereinsatzoberfläche 28 weiter
von den Hochtemperaturverbrennungsgasen zu isolieren. Aufgrund von Prozesseinschränkungen
ist jedoch wegen einer resultierenden unerwünschten Ansammlung der Wärmebarrierenbeschichtung 38 unter
jedem überhängenden
Abschnitt 26 eine nach hinten weisende Kante 40 eines
jeden überhängenden
Abschnitts 26 nicht mit einer Wärmebarrierenbeschichtung 38 überzogen.
Somit weist diese Art einer Brennkammeranordnung 10 den
Nachteil auf, dass die nach hinten weisende Kante 40 jedes überhängenden
Abschnitts 26 heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist und konsequenterweise eine unerwünschte Wärmeströmung in
jeden überhängenden Abschnitt 26 zulässt.
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Außerdem enthält jede
nach hinten weisende Kante 40 eine rechteckige Geometrie,
d.h. jede nach hinten weisende Kante 40 ist im Wesentlichen senkrecht
zu der Brennkammereinsatzoberfläche 28 und
zu einer unteren Oberfläche 36 eines
jeden überhängenden
Abschnitts 26 ausgerichtet. Eine rechteckige Geometrie
fördert
eine Turbulenz der Verbrennungsgasströmung, wenn sich die Strömung von
jeder nach hinten weisenden Kante 40 ablöst. Die
Turbulenz erhöht
den Wärmeübergangskoeffizienten
an jeder nach hinten weisenden Kante 40, was wiederum zu
einer Zunahme einer unerwünschten
Wärmebelastung
an den überhängenden
Abschnitten 26 führt.
Darüber
hinaus legt die rechtwinklige Geometrie eine unerwünscht große Brennkammereinsatzoberfläche für die Verbrennungsgase
frei, womit die Wärmebelastung
der überhängenden
Abschnitte 26 und die Temperatur des sich darin befindlichen
Metalls erhöht
wird.
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Eine
erste Ausführungsform
eines Brennkammereinsatzes bzw. -flammrohrs, die diese Nachteile überwindet,
ist in 3 veranschaulicht und enthält eine Folge von Brennkammereinsatzoberflächen 62,
die durch Luftkühlschlitze 64 voneinander
getrennt sind. Die Brennkammereinsatzoberflä chen 62 sind miteinander
verbunden und zueinander stufenförmig
angeordnet. Jede Brennkammereinsatzoberfläche 62 enthält einen überhängenden
Abschnitt 66, der sich an einen Luftkühlschlitz 64 angrenzend
erstreckt und diesen bildet. Jeder überhängende Abschnitt 66 enthält eine
profilierte nach hinten weisende Kante 70, um einer Wärmebarrierenbeschichtung zu
ermöglichen,
um die Turbulenz von Abgasen zu mindern und um den Oberflächenbereich
des Brennkammereinsatzes zu verkleinern, der Verbrennungsgasen mit
hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Insbesondere
weist jede nach hinten weisende Kante 70 einen ersten abgerundeten
Abschnitt 72, der gekrümmt
ist, und einen zweiten Abschnitt 74 auf, der im Wesentlichen
gerade und senkrecht zu einer unteren Kante 76 des überhängenden
Abschnitts 66 ausgerichtet ist. Somit wird die rechteckige
Geometrie von bekannten Brennkammereinsätzen vermieden, wobei eine
Brennkammereinsatzoberfläche,
die heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, oder der Oberflächenbereich
der „heißen Seite" des Brennkammereinsatzes
verkleinert wird. Weiter wird die Verbrennungsgasturbulenz, wenn
sich die Gase von den überhängenden
Abschnitten 66 in der Nähe
jeder nach hinten weisenden Kante 70 ablösen, reduziert,
womit der Wärmeeintrag
in die überhängenden Abschnitte 66 verringert
und eine Betriebstemperatur der überhängenden
Abschnitte 66 gesenkt wird. Weiterhin ermöglicht die
Geometrie der nach hinten weisenden Kanten 70, dass eine
Schicht 78 einer Wärmebarrierenbeschichtung
auf die nach hinten weisenden Kanten 70 aufgebracht werden
kann, indem ein Ansprühwinkel
(nicht gezeigt) eingestellt wird, um die nach hinten weisenden Kanten
zu beschichten, während
gleichzeitig eine Öffnung
eines jeden Kühlschlitzes 64 mit
einem (nicht veranschaulichten) Gummiseil maskiert wird. Deshalb
wird die Betriebstemperatur der nach hinten weisenden Kanten 70 durch
die Wärmebarrierenbeschichtung 78 weiter verringert,
wodurch die Nutzungsdauer des Brennkammereinsatzes 60 verlängert wird
sowie die Abgasemissionen reduziert werden und die Triebwerksleistung
gesteigert wird.
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4 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
eines Brennkammereinsatzes 90, der eine Reihe von Brennkammereinsatzoberflächen 92 enthält, die
durch Luftkühlschlitze 94 voneinander
getrennt sind. Die Brennkammereinsatzoberflächen 92 sind miteinander
verbunden und zueinander stufenförmig
angeordnet. Jede Brennkammereinsatzoberfläche 92 enthält einen überhängenden
Abschnitt 96, wobei die Abschnitte 96 sich neben
Luftkühlschlitzen 94 erstrecken
und diese bilden. Jeder überhängende Abschnitt 96 enthält eine
profilierte nach hinten weisende Kante 100, um eine Wärmebarrierenbeschichtung
zu ermöglichen,
um die Turbulenz von Abgasen zu mindern und um die Brennkammereinsatzoberfläche zu verkleinern,
die Verbrennungsgasen mit hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Insbesondere
ist jeder überhängende Abschnitt 96 ausgebildet
und wird in der Nähe
jeder nach hinten weisenden Kante 100 dünner, wodurch eine Brennkammereinsatzoberfläche verkleinert wird,
die heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist. Jede nach hinten weisende Kante 100 weist
einen abgerundeten ersten Abschnitt 102, der gekrümmt ist,
und einen zweiten Abschnitt 104 auf, der im Wesentlichen
gerade ist, und senkrecht zu einer unteren Kante 106 des überhängenden
Abschnitts 96 steht. Auf diese Weise wird die rechtwinklige
Geometrie von bekannten Brennkammereinsätzen vermieden und eine Brennkammereinsatzoberfläche, die
heißen Verbrennungs gasen
ausgesetzt ist, oder die Oberfläche
der „heißen Seite" des Brennkammereinsatzes verkleinert.
Ferner wird die Verbrennungsgasturbulenz, wenn sich die Gase von
den überhängenden Abschnitten 96 in
der Nähe
der nach hinten weisenden Kante 100 ablösen, reduziert, womit der Wärmeeintrag
in die überhängenden
Abschnitte 96 reduziert und eine Betriebstemperatur der überhängenden
Abschnitte 96 verringert wird. Weiterhin ermöglicht die Geometrie
der nach hinten weisenden Kanten 100, dass eine Schicht 108 einer
Wärmebarrierenbeschichtung
auf die nach hinten weisenden Kanten 100 aufgetragen werden
kann, indem ein Ansprühwinkel
(nicht gezeigt) eingestellt wird, um die nach hinten weisenden Kanten
bei gleichzeitiger Maskierung einer Öffnung eines jeden Kühlschlitzes 98 mit einer
Gummischnur (nicht gezeigt) zu überziehen. Folglich
wird die Betriebstemperatur der nach hinten weisenden Kanten 100 durch
die Wärmebarrierenbeschichtung 108 weiter
verringert, wobei die Nutzungsdauer des Brennkammereinsatzes 90 verlängert wird
sowie Abgasemissionen reduziert werden und die Triebwerksleistung
gesteigert wird.
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5 veranschaulicht
eine dritte Ausführungsform
eines Brennkammereinsatzes 102, der eine Reihe von Brennkammereinsatzoberflächen 122 enthält, die
durch Luftkühlschlitze 124 voneinander
getrennt sind. Die Brennkammereinsatzoberflächen 122 sind miteinander
verbunden und zueinander stufenartig angeordnet. Jede Brennkammereinsatzoberfläche 122 enthält einen überhängenden
Abschnitt 126, der sich benachbart zu einem Luftkühlschlitz 124 erstreckt
und diesen bildet. Jeder überhängende Abschnitt 126 enthält eine
profilierte nach hinten weisende Kante 130, um eine Wärmebarrierenbeschichtung
zu ermöglichen,
um die Abgasturbulenz zu mindern und um die Brennkammereinsatzoberfläche zu verkleinern,
die Verbrennungsgasen mit hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Insbesondere
weist jede nach hinten weisende Kante 130 einen ersten
Abschnitt 132, der abgeschrägt ist, und einen zweiten Abschnitt 134,
der im Wesentlichen gerade verlängert
und senkrecht zu einer unteren Kante 136 des überhängenden
Abschnitts 126 ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird die
rechtwinklige Geometrie von bekannten Brennkammereinsätzen vermieden
und eine Brennkammereinsatzoberfläche, die heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt
ist, oder die Oberfläche
der „heißen Seite" des Brennkammereinsatzes
verkleinert. Ferner wird die Verbrennungsgasturbulenz, wenn sich
die Gase von den überhängenden
Abschnitten 126 in der Nähe der nach hinten weisenden
Kante 130 ablösen, reduziert,
womit der Wärmeeintrag
in die überhängenden
Abschnitte 126 und eine Betriebstemperatur der überhängenden
Abschnitte 126 verringert werden. Weiterhin ermöglicht die
Geometrie der nach hinten weisenden Kanten 130, dass eine
Schicht 138 einer Wärmebarrierenbeschichtung
auf die nach hinten weisenden Kanten 130 aufgebracht werden,
indem ein Ansprühwinkel
(nicht gezeigt) angepasst wird, um die nach hinten weisenden Kanten 130 bei gleichzeitiger
Maskierung einer Öffnung
eines jeden Kühlschlitzes 128 mit
einem Gummiseil (nicht gezeigt) zu beschichten. Deshalb wird die
Betriebstemperatur der nach hinten weisenden Kanten 130 durch die
Wärmebarrierenbeschichtung 128 weiter
verringert, wobei die Nutzungsdauer des Brennkammereinsatzes 120 verlängert wird
sowie die Abgasemissionen reduziert werden und die Triebwerksleistung erhöht wird.