-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen,
und sie betrifft insbesondere die Schnittstelle zwischen der Hochdruckturbine
und der Brennkammer von Turbostrahltriebwerken, die mit einer Brennkammer
aus CMC (Keramikmatrix-Verbundwerkstoff) ausgestattet sind.
-
Stand der
Technik
-
Herkömmlicherweise
sind bei einer Turbomaschine die Hochdruckturbine, insbesondere
deren Eingangsverteiler (HPT nozzle), die Brennkammer sowie das
Gehäuse
(auch als Hülle
bezeichnet) dieser Kammer aus ein und demselben Werkstoff gefertigt,
im Allgemeinen metallischen Typs. Jedoch erweist sich unter gewissen
besonderen Einsatzbedingungen, bei denen äußerst hohe Verbrennungstemperaturen
eingesetzt werden, die Verwendung einer Metallkammer unter einem
wärmetechnischen
Gesichtspunkt vollkommen unangebracht, und es muß eine Kammer auf der Grundlage
von Hochtemperatur-Verbundwerkstoffen vom Typ CMC verwendet werden,
wie dies das Patent US-A-5291732 zeigt. Jedoch führen die Schwierigkeiten beim
Einsatz dieser Werkstoffe sowie deren Kosten dazu, daß ihre Verwendung
meistens auf die Brennkammer selbst begrenzt ist, wobei der Eingangsverteiler
der Hochdruckturbine und das Gehäuse
dann in herkömmlicherer
Weise aus metallischen Werkstoffen gefertigt bleiben. Nun haben
aber Metallwerkstoffe und Verbundwerkstoffe sehr unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Hieraus ergeben sich besonders große Probleme bezüglich der
Schnittstelle im Bereich des Verteilers, am Eingang der Hochdruckturbine,
sowie bezüglich
der Verbindung mit dem Gehäuse
der Kammer.
-
Gegenstand
und Definition der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung behebt diese Nachteile dadurch, daß sie eine
Gehäuse-Kammer-Verbindung
vorschlägt,
welche die Fähigkeit
hat, die durch die Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten dieser
Teile verursachten Verschiebungen aufzunehmen. Ein Ziel der Erfindung
ist es auch, eine Struktur einfacher Form vorzuschlagen, deren Herstellung
besonders leicht ist.
-
Diese
Ziele werden durch eine Turbomaschine erreicht, welche in einer
Hülle aus
metallischem Material und entlang einer Gasabströmrichtung F eine Einheit zum
Einspritzen eines Treibstoffs, eine Brennkammer aus Verbundmaterial
und einen Verteiler aus metallischem Material enthält, welcher
die Eingangsstufe mit festen Schaufeln einer Hochdruckturbine bildet,
wobei der Verteiler von der Hülle
getragen wird und an dieser durch erste lösbare Befestigungsmittel befestigt
ist, und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Brennkammer schwebend in
der Hülle
angebracht und einzig durch den sogenannten Verteiler in Position
gehalten wird, mit dem sie durch zweite lösbare Befestigungsmittel elastisch verbunden
ist.
-
Durch
dieses direkte Befestigen (Integration) der Brennkammer an dem Verteiler
ohne Verbindung mit der Hülle,
wird die Herstellung dieser Kammer beträchtlich vereinfacht und gleichzeitig
wird die Kammer-Verteiler-Dichtigkeit besonders verbessert. Des Weiteren
ermöglicht
die daraus im Betrieb resultierende perfekte Ausrichtung des Strahls
eine bessere Beaufschlagung der Hochdruckturbine. Die Beseitigung
der üblichen
Flansche der Brennkammer (für die
Verbindung mit der Hülle)
schafft weiterhin einen bemerkenswerten Massegewinn für diese
Kammer und folglich für
die Turbomaschine.
-
Da
die Integration des Verteilers in die Kammer die Probleme der Relativverschiebung
zwischen letzterer und der Hülle
in den Bereich des Verteilers verlagert, ist vorgesehen, daß die ersten
lösbaren Befestigungsmittel
ausgebildet sind, um ein freies radiales Ausdehnen des Verteilers
gegenüber
der Hülle zu
ermöglichen.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform umfassen
die zweiten lösbaren
Befestigungsmittel einerseits erste Haltemittel, um durch Klemmen
eine innere axiale Endwand der Brennkammer zwischen einer inneren
kreisförmigen
Plattform des Verteilers und einem Flansch zu halten, der als Stütze für eine innere
ringförmige
Wand der Hülle
dient, sowie zweite Haltemittel, um eine äußere axiale Endwand der Brennkammer
an einer äußeren kreisförmigen Plattform
des Verteilers mit einer elastischen Vorspannung zu halten.
-
Vorzugsweise
ist der Stützflansch
in Abschnitte unterteilt, um die geometrischen Umfangsabweichungen
auszugleichen, die sich aus der Differentialausdehnung ergeben,
die bei den hohen Temperaturen zwischen der inneren kreisförmigen Plattform
des Verteilers und der inneren axialen Wand der Brennkammer vorliegt.
Dieser Stützflansch
ist zwischen einem Flansch der inneren ringförmigen Wand der Hülle und
einem Reif aus metallischem Material angebracht, welcher durch die
ersten lösbaren
Befestigungsmittel an diesem Flansch gehalten wird.
-
Vorteilhafterweise
umfassen die ersten lösbaren
Befestigungsmittel eine Vielzahl von Bolzen, wobei eine jede ihrer
Schraubenachsen, welche ein entsprechendes Langloch des genannten
Stützflansches
durchgreift, mit einem Absatz versehen ist, auf dem der Reif derart
abgestützt
ist, daß ein
Gleiten des Stützflansches
zwischen dem Reif und dem Flansch der inneren ringförmigen Wand
der Hülle
ermöglicht
wird.
-
Um
die Dichtigkeit der Turbomaschine zu gewährleisten, umfaßt der Flansch
der inneren ringförmigen
Wand der Hülle
eine kreisförmige
Nut zur Aufnahme einer kreisförmigen
Dichtung vom Typ „Omega", welche dazu bestimmt
ist, die Dichtigkeit zwischen diesem Flansch der inneren ringförmigen Wand
der Hülle
und dem Stützflansch
zu gewährleisten.
Ebenso wird ein Reif aus Verbundmaterial, der vorteilhafterweise
auf die äußere Endwand
der Brennkammer gelötet
ist, durch die zweiten Haltemittel mit einer elastischen Vorspannung
an der äußeren kreisförmigen Plattform
des Verteilers gehalten, wobei der Reif eine kreisförmige Nut
zur Aufnahme einer kreisförmigen
Dichtung vom Typ „Omega" aufweist, welche
dazu bestimmt ist, die Dichtigkeit zwischen der äußeren Endwand der Brennkammer
und der äußeren kreisförmigen Plattform
des Verteilers zu gewährleisten.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser
hervorgehen aus der folgenden Beschreibung, welche zur Unterrichtung und
nicht einschränkend
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt, in welchen:
-
1 eine
schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines mittleren Teils
einer Turbomaschine ist,
-
2 in
detaillierter Perspektive die Hochdruckturbinen-Brennkammer-Verbindung im Bereich der
inneren Plattform des Verteilers zeigt,
-
3 in
detaillierter Perspektive die Hochdruckturbinen-Brennkammer-Verbindung im Bereich der äußeren Plattform
des Verteilers zeigt und
-
4 eine
Ansicht entlang IV der 1 ist.
-
Detaillierte
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
-
1 zeigt
im axialen Halbschnitt einen mittleren Teil eines Turbostrahltriebwerks
oder eines Propeller-Turbo-Triebwerks (das in der Fortsetzung der Beschreibung
als Turbomaschine bezeichnet wird), enthaltend:
- – eine Hülle mit
einer äußeren ringförmigen Wand (oder
Außengehäuse) 12 aus
metallischem Material mit der Längsachse 10,
sowie einer koaxialen inneren ringförmigen Wand (oder Innengehäuse) 14 ebenfalls
aus metallischem Material,
- – einen
ringförmigen
Raum 16 zwischen den beiden ringförmigen Wänden 12, 14 dieser
Hülle, welcher
den verdichteten Sauerstoffträger,
im Allgemeinen Luft aufnimmt, welche stromaufwärts eines (nicht dargestellten)
Verdichters der Turbomaschine durch eine einen allgemeinen Gasabströmfluß F definierende
ringförmige
Verteilungsleitung 18 kommt,
wobei dieser Raum 16 in
der Gasabströmrichtung folgendes
aufweist: Zunächst
eine Einspritzeinheit, die von einer Vielzahl von Einspritzsystemen 20 gebildet
ist, welche um die Leitung 18 gleichmäßig verteilt sind und jeweils
eine an der äußeren ringförmigen Hülle 12 befestigte
Treibstoffeinspritzdüse 22 aufweisen
(um die Zeichnungen zu vereinfachen wurden der Mischer und der Ablenker,
die jeder Einspritzdüse
zugeordnet sind, nicht dargestellt), anschließend eine Brennkammer aus Hochtemperatur-Verbundmaterial 24 vom
Typ CMC oder andere (beispielsweise Kohlenstoff), die von einer äußeren axialen
Wand 26 und von einer inneren axialen Wand 28,
beide koaxial, mit der Achse 10, sowie von einer Querwand 30 gebildet
ist, welche den Boden dieser Brennkammer bildet und Klappen 32, 34 aufweist,
die über jedwedes
geeignete Mittel, beispielsweise metallische oder feuerfeste Bolzen
mit Senkschraube, an stromaufwärtigen
Enden 36, 38 der axialen Wände 26, 28 befestigt
sind, wobei dieser Boden der Kammer 30 mit Öffnungen 40 versehen
ist, um das Einspritzen des Treibstoffs und eines Teils des Sauerstoffträgers in
die Brennkammer 24 zu ermöglichen, und schließlich einen
ringförmigen
Verteiler 42 aus metallischem Material, der eine Eingangsstufe einer
(nicht dargestellten) Hochdruckturbine bildet und herkömmlicherweise
eine Vielzahl von festen Schaufeln 44 aufweist, die zwischen
einer äußeren kreisförmigen Plattform 46 und
einer inneren kreisförmigen
Plattform 48 angebracht sind. Der Verteiler ruht auf Stützmitteln 49,
die mit der ringförmigen
Hülle der
Turbomaschine fest verbunden sind, und ist an dieser über erste
lösbare
Befestigungsmittel, die vorzugsweise von einer Vielzahl von Bolzen 50 gebildet sind,
befestigt.
-
Gemäß der Erfindung
ist die Brennkammer in der ringförmigen
Hülle schwebend
angebracht und wird einzig durch den Verteiler in Position gehalten, an
dem sie auf elastische Weise über
zweite lösbare Befestigungsmittel
befestigt ist, die einerseits erste Haltemittel 52, um
durch Klemmen eine innere axiale Endwand 54 der Brennkammer
(welche dem stromaufwärtigen
Ende 38 gegenüberliegt)
zwischen der inneren kreisförmigen
Plattform des Verteilers 48 und einem Flansch 56 zu
halten, welcher der inneren ringförmigen Hülle 14 als Stütze dient,
sowie zweite Haltemittel 58 umfassen, um eine äußere axiale
Endwand 62 der Brennkammer (welche dem stromaufwärtigen Ende 36 gegenüberliegt)
an der äußeren kreisförmigen Plattform
des Verteilers 46 mit einer elastischen Vorspannung 60 zu
halten. Der Stützflansch 56 ist
zwischen einem Flansch 64 der inneren ringförmigen Hülle 14 und
einem Reif aus metallischem Material 66 angebracht, welcher
durch die ersten lösbaren
Befestigungsmittel 50 an diesem Flansch gehalten wird.
-
Durchgangsöffnungen 68, 70 für den Durchgang
des verdichteten Sauerstoffträgers,
welcher zuvor am Ausgang der Verteilungsleitung 18 in wenigstens
zwei unterschiedliche Ströme
F1, F2 getrennt wird, die auf beiden Seiten der Brennkammer 24 strömen (und
insbesondere deren Kühlung
gewährleisten),
sind in der äußeren 46
und inneren 48 Metallplattform des Verteilers 42 ausgebildet,
um eine Kühlung
der festen Schaufeln 44 des Verteilers am Eingang des Rotors
der Hochdruckturbine zu gewährleisten.
-
Da
die Brennkammer 24 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der sich von den anderen metallischen Teilen, welche die
Turbomaschine, insbesondere den Verteiler 42, an dem sie
befestigt ist, und die ringförmige
Hülle 12, 14 bilden,
sehr unterscheidet, ist vorgesehen, daß die ersten lösbaren Befestigungsmittel 50 entsprechend
ausgebildet sind, um bei den hohen Temperaturen eine freie Radialausdehnung
des Verteilers gegenüber
der ringförmigen
Hülle zu
ermöglichen.
Hierzu ist der Stützflansch 56 mit
Langlöchern 72 versehen,
die dazu bestimmt sind, mit den Schraubenachsen der Vielzahl von
Bolzen 50 zusammenzuwirken, wovon ein Absatz 74 als
Stütze
für den
Reif 66 dient, derart, daß ein Gleiten dieses Stützflansches
zwischen dem Reif und dem Flansch 64 der inneren ringförmigen Hülle 14 ermöglicht wird.
Des Weiteren ist dieser Flansch in Abschnitte unterteilt, um die
geometrischen Umfangsabweichungen auszugleichen, die sich aus der Differentialausdehnung
ergeben, welche bei diesen hohen Temperaturen zwischen der inneren
kreisförmigen
Plattform 48 des Verteilers und der inneren axialen Wand 28, 54 der
Brennkammer vorliegt.
-
Um
die Dichtigkeit der Gasabflußströme zwischen
der Brennkammer und der Turbine zu gewährleisten, weist der Flansch
der inneren ringförmigen Hülle 64 eine
kreisförmige
Nut 76 zur Aufnahme einer kreisförmigen Dichtung vom Typ „Omega" 78 auf, welche
dazu bestimmt ist, die Dichtigkeit zwischen diesem Flansch der inneren
ringförmigen
Hülle und dem
Stützflansch 56 zu
gewährleisten.
Auf diese Weise kann der verdichtete Sauerstoffträgerfluß, welcher
aus dem Verdichter stammt und die Kammer durch F2 umgibt, nur durch
die Öffnungen 70 wieder zur
Turbine gelangen. Ebenso weist die äußere kreisförmige Plattform des Verteilers 46 einen
Flansch 80 auf, der mit einer kreisförmigen Auskehlung 82 zur Aufnahme
einer Lamellendichtung 84 versehen ist, deren eines Ende
mit der äußeren ringförmigen Hülle 12 in
Kontakt kommen wird, um eine Dichtigkeit gegenüber dem Fluß F1 zu gewährleisten.
-
Was
die Dichtigkeit zwischen der Brennkammer 24 und dem Verteiler 42 anbelangt,
so ist diese zwischen der äußeren Endwand
der Brennkammer 62 und der äußeren kreisförmigen Plattform
des Verteilers 46 ebenfalls mittels einer kreisförmigen Dichtung
vom Typ „Omega" 86 sicher
gestellt, welche in einer kreisförmigen
Nut 88 eines Reifs aus Verbundmaterial 90 angebracht
ist, der vorteilhafterweise auf die äußere Endwand der Brennkammer 62 gelötet ist und
durch die zweiten Haltemittel 58 mit einer elastischen
Vorspannung (welche beispielsweise durch die Feder 60 erhalten
wird) an der äußeren kreisförmigen Plattform
des Verteilers 46 gehalten wird.