DE60221743T2

DE60221743T2 - Verdünnungsluftlöcher verwendende Befestigung einer Turbinenbrennkammer aus keramischem Matrix-Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE60221743T2
Application number: DE60221743T
Authority: DE
Inventors: Didier Hernandez; Gwenaelle Calvez; Alexandre Forestier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: US20020184889A1; JP3947429B2; JP2002364850A; EP1265037A1; FR2825784A1; DE60221743D1; US6668559B2; EP1265037B1; FR2825784B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das spezielle Gebiet der Turbomaschinen und insbesondere auf das Problem, das sich durch die Montage einer Brennkammer aus Verbundwerkstoff vom Typ CMC (Keramikmatrix-Verbundwerkstoff) in den metallischen Kammergehäusen einer Turbomaschine einstellt. Eine solche Turbomaschine ist aus dem Dokument US 4 907 411 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise sind bei einem Turbostrahltriebwerk oder einem Turboprop-Triebwerk die Hochdruckturbine, insbesondere deren Eintrittsleitapparat (HPT nozzle), die Brennkammer sowie die (das) innere und äußere Hülle (oder Gehäuse) dieser Kammer aus einem gleichen, im allgemeinen metallischen Material gefertigt. Jedoch erweist sich unter bestimmten besonderen Einsatzbedingungen mit beachtlich hohen Verbrennungstemperaturen die Verwendung einer metallischen Kammer unter einem thermischen Gesichtspunkt als vollkommen ungeeignet, und es muß auf eine Kammer auf der Basis von Hochtemperatur-Verbundwerkstoffen vom Typ CMC zurückgegriffen werden. Jedoch führen die Einsatzschwierigkeiten und die Kosten dieser Werkstoffe dazu, daß ihre Verwendung in den meisten Fällen auf die Brennkammer selbst begrenzt ist, wobei der Eintrittsleitapparat der Hochdruckturbine sowie die innere und die äußere Hülle der Kammer dann in herkömmlicherer Weise weiterhin aus Metallwerkstoffen gefertigt sind. Nun haben aber die metallischen Werkstoffe und die Verbundwerkstoffe sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Hierdurch ergeben sich besonders große Probleme bei der Verbindung mit der inneren und der äußeren Hülle sowie der Schnittstelle im Bereich des Leitapparates am Eingang der Hochdruckturbine.
AUFGABE UND DEFINITION DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung behebt diese Nachteile dadurch, daß sie eine Montage der Brennkammer in den Gehäusen vorschlägt, welche die Fähigkeit hat, die durch die Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten dieser Teile bewirkten Bewegungen aufzunehmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Montage vorzuschlagen, welche die bestehenden Merkmale der Brennkammer bestens nutzt.
Erreicht werden diese Ziele durch eine Turbomaschine umfassend – in einer inneren und einer äußeren ringförmigen Hülle aus metallischem Material und entlang einer Strömungsrichtung F der Gase – eine Einheit zum Einspritzen eines Treibstoffs, eine ringförmige Brennkammer aus Verbundwerkstoff, die eine Längsachse hat und eine Vielzahl von Öffnungen zur Zuführung eines Sauerstoffträgers aufweist, sowie einen ringförmigen Leitapparat aus metallischem Material, der die Leitschaufel-Eintrittsstufe einer Hochdruckturbine bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer aus Verbundwerkstoff zwischen der inneren und der äußeren ringförmigen Metallhülle durch eine Vielzahl von flexiblen Metallzungen in Position gehalten wird, wobei erste Enden der Zungen durch einen Metallkranz untereinander verbunden sind, der durch erste Befestigungsmittel mit einer der inneren und äußeren ringförmigen Metallhüllen fest verbunden ist, und wobei zweite Enden mit der Brennkammer aus Verbundwerkstoff im Bereich wenigstens eines Teils der Öffnungen zur Zuführung eines Sauerstoffträgers durch zweite Befestigungsmittel fest verbunden sind, wobei die Flexibilität der Befestigungszungen bei hohen Temperaturen freie radiale und axiale Bewegungen zwischen der Brennkammer aus Verbundwerkstoff und den ringförmigen Metallhüllen ermöglicht. Die Öffnungen zur Zuführung eines Sauerstoffträgers sind von Bohrungen zur Versorgung mit Luft eines primären Bereichs und/oder eines Verdünnungsbereichs der Brennkammer gebildet.
Mit dieser besonderen Struktur der festen Verbindung können die unterschiedlichen Verschleißerscheinungen, die auf die Kontaktkorrosionen der Systeme des Standes der Technik zurückzuführen sind, vermieden werden. Das Zurückgreifen auf Primär- oder Verdünnungsbohrungen (entsprechend der betrachteten Gestaltung der Kammer) als Verankerungspunkt ermöglicht darüber hinaus, diese Verbindung erheblich zu vereinfachen und deren Platzbedarf zu begrenzen. Außerdem ermöglicht das Vorliegen der flexiblen Zungen anstelle der herkömmlichen Flansche einen besonders beachtlichen Massegewinn. Diese Zungen ermöglichen aufgrund ihrer Flexibilität, dem Ausdehnungsunterschied, der bei den hohen Temperaturen zwischen Metall- und Verbundteilen auftritt, leicht standzuhalten (indem die durch die Ausdehnung bedingten Bewegungen aufgenommen werden) und gewährleisten gleichzeitig einen perfekten Halt sowie ein gutes Zentrieren der Brennkammer in den ringförmigen Hüllen.
Die flexiblen Befestigungszungen sind aus einem metallischen Material gefertigt, und die ersten Befestigungsmittel sind vorzugsweise von einer Vielzahl von Bolzen gebildet.
Nach der betrachteten Ausführungsform sind die ersten Enden der Zungen entweder durch Löten oder Schweißen mit dem genannten Kranz verbunden oder sind mit diesem einstückig ausgebildet. Wenn die ringförmige Metallhülle aus zwei Teilen besteht, ist dieser Kranz vorzugsweise zwischen Verbindungsflanschen dieser zwei Teile der ringförmigen Metallhülle angebracht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die zweiten Befestigungsmittel jeweils einen Kragen, der in die Sauerstoffträgerzuföhröffnung der Brennkammer eingefügt und auf die zweiten Enden der Zungen aufgequetscht ist, um den Halt dieser Zungen an der Brennkammer zu gewährleisten, sobald die Quetschverbindung hergestellt ist.
Nach einer alternativen Ausführungsform umfassen die zweiten Befestigungsmittel eine Vielzahl von Einsätzen, die jeweils von zwei konzentrischen, aneinander befestigten Teilen gebildet sind, einerseits von einem Kragen der an einer axialen Wand der Brennkammer anliegt, und andererseits von einem Ring, der den Kragen umgibt und die zweiten Enden der Zungen gegen die axiale Wand drückt.
Vorteilhafterweise haben die Zungen eine in der Nähe ihrer zweiten Enden ausgebildeten Öffnung, um die Versorgung der Sauerstoffträgerzuführöffnungen zu verbessern.
Vorzugsweise wird die Dichtigkeit des Gaskanals zwischen der Brennkammer und dem Leitapparat durch eine kreisförmige „Lamellen"-Dichtung sichergestellt, die direkt an einem stromabwärtigen Ende der Brennkammer anliegt, das eine Anlageebene für diese kreisförmige Dichtung bildet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden zur Unterrichtung gegebenen und als nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen besser hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines mittleren Bereichs einer Turbomaschine in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
die 1A und 1B ein Beispiel einer flexiblen Zunge, die für die Befestigung der Außenwand bzw. der Innenwand der Brennkammer bestimmt ist,
2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 1 in einer alternativen Verbindungsausführung, und
3 eine schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines mittleren Bereichs einer Turbomaschine in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die 1 und 3 zeigen im axialen Halbschnitt einen mittleren Teil eines Turbostrahltriebwerks oder eines Turboprop-Triebwerks (das in der weiteren Beschreibung als Turbomaschine bezeichnet wird) mit:

– einer ringförmigen äußeren Hülle (oder Außengehäuse) aus zwei Teilen 12a, 12b aus metallischem Material mit der Längsachse 10,
– einer koaxialen ringförmigen inneren Hülle (oder Innengehäuse) aus zwei Teilen 14a, 14b ebenfalls aus metallischem Material,
– einem ringförmigen Raum 16 zwischen den zwei Hüllen 12a, 12b und 14a, 14b, der den verdichteten Sauerstoffträger, im allgemeinen Luft, aufnimmt, welcher stromaufwärts von einem (nicht dargestellten) Verdichter der Turbomaschine, über eine ringförmige, einen allgemeinen Gasströmungsfluß F definierende Diffusionsleitung 18 zufließt,

16

18

20

22

12a

24

26

28

10

30

32

34

36

38

26

28

30

40

24

41a

41b

42

44

46

48

Der Leitapparat ist an einem stromabwärtigen Teil 14b der ringförmigen Innenhülle der Turbomaschine durch erste lösbare Befestigungsmittel, die vorzugsweise von einer Vielzahl von Bolzen 50 gebildet sind, befestigt und liegt gleichzeitig auf Tragmitteln 49 auf, die mit der ringförmigen Außenhülle der Turbomaschine fest verbunden sind.
Der verdichtete Sauerstoffträger am Ausgang der Diffusionsleitung 18 wird in mehrere getrennte Ströme unterteilt, darunter zwei Ströme F1, F2, die auf beiden Seiten der Brennkammer 24 verlaufen (wobei sich ein weiterer mittlerer Strom F3 mit dem Treibstoff vermischt, um in die Kammer eingespritzt zu werden). Jeder Sauerstoffträgerstrom F1, F2 wird anschließend entweder über die Versorgungsöffnungen 41a, 41b in diese Kammer eingeleitet oder zu in der äußeren 46 und in der inneren Metallplattform 48 des Leitapparates 42 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 54, 56 geleitet, um ein Kühlen der Leitschaufeln 44 dieses Leitapparates am Eingang des Rotors der Hochdruckturbine zu gewährleisten.
Gemäß der Erfindung wird die Brennkammer 24, die einen von den anderen die Turbomaschine bildenden Metallteilen erheblich abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, zwischen der ringförmigen Innenhülle und der ringförmigen Außenhülle durch eine Vielzahl flexibler Zungen 58, 60, die um die Brennkammer herum gleichmäßig verteilt sind, fest in Position gehalten. Diese Befestigungszungen sind für einen ersten Teil unter ihnen (siehe die mit 58 bezeichnete Zunge) zwischen der ringförmigen Außenhülle 12a, 12b und der axialen Außenwand 26 der Brennkammer angeordnet und für einen zweiten Teil (wie die Zunge 60) zwischen der ringförmigen Innenhülle 14a, 14b und der axialen Innenwand 28 der Brennkammer angebracht.
Wie die 1A und 1B zeigen ist jede im wesentlichen dreieckig ausgebildete, flexible Befestigungszunge aus metallischem Material über ihre Basis 62; 64 an einen Metallkranz 66a, 66b angelötet oder angeschweißt oder mit diesem einstückig ausgebildet, der entsprechend seines Ortes mit der ringförmigen metallischen Außenhülle 12 oder mit der ringförmigen metallischen Innenhülle 14 über erste Befestigungsmittel 52, 68 fest verbunden ist, wobei ihre Spitze 70; 72 mit der axialen Außenwand 26 bzw. der axialen Innenwand 28 der Brennkammer aus Verbundwerkstoff im Bereich aller oder eines Teils der Sauerstoffträgerzuführöffnungen 41a, 41b über zweite Befestigungsmittel 74, 76 fest verbunden ist. Diese Sauerstoffträgerzuführöffnungen können die Verdünnungsbohrungen und/oder die primären Luftversorgungsbohrungen (insbesondere im Falle einer sogenannten „kurzen" Kammerausbildung) der Brennkammer sein. Die Anzahl der Zungen ist proportional zur Anzahl dieser Bohrungen, die im allgemeinen in der gleichen Anzahl wie die Einspritzdüsen vorliegen, oder sie ist gleich einem Vielfachen dieser Anzahl (beispielsweise werden 60 Zungen angebracht, wenn die Kammer 20 Einspritzdüsen mit jeweils 3 Verdünnungsbohrungen aufweist).
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der die Spitzen 70, 72, die zweite Enden der Zungen bilden, an der axialen Außenwand 26 bzw. an der axialen Innenwand 28 der Brennkammer mittels eines brennraumseitig in die Sauerstoffträgerzuführöffnungen 41a, 41b eingeführten Kragens 74, 76 durch Quetschen oder Crimpen befestigt sind, der das Halten der Zunge an der Wand der Kammer gewährleistet, sobald die Quetschverbindung hergestellt ist. Der tatsächliche Durchmesser der Versorgungsöffnung (Verdünnungsbohrung oder Primärbohrung) ist durch den Kragen aufgenommen, dessen Außenränder (brennraumseitig) abgerundet sind, um nicht als Flammenhalter zu wirken.
Die Basen 62, 64, welche erste Enden der Zungen bilden, die durch den Kranz 66a, 66b untereinander verbunden sind, sind ihrerseits vorzugsweise zwischen vorhandenen Verbindungsflanschen der zwei stromaufwärtigen und stromabwärtigen Teile der ringförmigen Innenhülle 14a, 14b und der ringförmigen Außenhülle 12a, 12b gehalten und durch die Befestigungsmittel 52, 68, die vorzugsweise vom Typ Bolzen sind, fest gehalten.
In einer in 2 dargestellten Variante weisen die Zungen 60 zur Befestigung an der ringförmigen Innenhülle 14b, die in Form einer dünnen Metallasche (mit konstanter Breite oder auch nicht) vorliegen, ein erstes Ende auf, das an einen Metallkranz 75 geschweißt ist, der nicht mehr zwischen Flanschen eingeklemmt, sondern durch Befestigungsmittel 77, beispielsweise vom Typ Bolzen, direkt an dem stromabwärtigen Teil 14b der ringförmigen Innenhülle befestigt ist. Vorteilhafterweise sind die zweiten Enden dieser Zungen, um deren Montage zu erleichtern, von einem Metallteil 79 gebildet.
Die Dichtigkeit des Gaskanals zwischen der Brennkammer 24 und dem Leitapparat 42 wird durch eine kreisförmige „Lamellen"-Dichtung 80, 82 sichergestellt, die in einer Nut 84, 86 einer jeden der Außenplattform 46 und der Innenplattform 48 des Leitapparates angebracht ist und die direkt an einem stromabwärtigen Ende 88, 90 der Brennkammer anliegt, das eine Anlageebene für diese kreisförmige Dichtung bildet. Die Dichtung wird mit Hilfe eines Federelements, vom Typ kreisförmige Blattfeder 92, 94, die an dem Leitapparat befestigt ist, an dem Ende der Kammer in Anlage gehalten. In einer nicht dargestellten Variante kann diese Dichtung nicht mehr direkt an dem stromabwärtigen Ende der Brennkammer anliegen, sondern an einem Ring aus Verbundwerkstoff, der auf herkömmliche Weise durch Löten oder auf weniger herkömmliche Weise mittels einer lediglich unter dem Anglizismus „pin'sage" bekannten Einsetztechnik an dieses stromabwärtige Ende angefügt ist.
Was die Dichtigkeit der Gasströmungsflüsse zwischen der Brennkammer und der Turbine anbelangt, so ist diese einerseits durch eine kreisförmige Dichtung vom Typ „Omega"-Dichtung 96, die in einer kreisförmigen Nut 98 eines Flansches der ringförmigen Innenhülle 14 in direktem Kontakt mit der kreisförmigen Innenplattform 48 des Leitapparates angebracht ist, und andererseits durch eine kreisförmige „Lamellen"-Dichtung 100 hergestellt, die in einer kreisförmigen Nut 102 der kreisförmigen Außenplattform des Leitapparates 46 angebracht ist und deren eines Ende in direktem Kontakt mit einem kreisförmigen Ansatz 104 des stromabwärtigen Teils 12b der ringförmigen Außenhülle ist.
In einer in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die zweiten Enden der Zungen 70, 72 an der axialen Außenwand 26 bzw. an der axialen Innenwand 28 der Brennkammer mit Hilfe von Einsätzen befestigt, die von zwei konzentrischen, (vorteilhafterweise durch Löten oder Schweißen) aneinander befestigten Teilen gebildet sind, einerseits von einem Kragen 74a, 76a, der an der brennraumseitigen Wand anliegt und andererseits von einem Ring 74b, 76b, der den Kragen umgibt und dieses zweite Ende der eine Öse bildenden Zunge gegen die Wand drückt. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform ist der tatsächliche Durchmesser der Verdünnungsbohrung oder der Primärbohrung durch den Kragen aufgenommen, dessen Außenränder abgerundet sind, um nicht als Flammenhalter zu wirken.
Vorteilhafterweise kann die Zunge 58 eine Öffnung 58a umfassen, die in der Nähe des zweiten Endes 70 der Zunge, in gerader Linie der Einspritzöffnung 41a ausgebildet ist, um deren Versorgung nach ihrer Montage zu erleichtern. Ferner sind in dem dargestellten Beispiel die ersten Enden dieser Zunge nicht mehr an einen zwischen Flanschen angeordneten Kranz angeschweißt (wie dies 1 zeigt), sondern im Bereich einer mit der ringförmigen Außenhülle 12 fest verbundenen Sicherung gegen Falscheinbau 106 angelötet.
In allen vorgenannten Ausbildungen ermöglicht die Flexibilität der Befestigungszungen, dem Wärmeausdehnungsunterschied, der bei den hohen Temperaturen zwischen der Brennkammer aus Verbundwerkstoff und den ringförmigen Metallhüllen auftritt, standzuhalten und gleichzeitig den Halt und die Positionierung der Kammer zu gewährleisten. Ferner erleichtert die Verwendung der Sauerstoffträgerzuführöffnungen als Verankerungspunkte dieser Zungen deren Montage und verringert gleichzeitig den Gesamtplatzbedarf.

Claims

Turbomaschine umfassend – in einer inneren und einer äußeren ringförmigen Hülle aus metallischem Material (12, 14) und entlang einer Strömungsrichtung F der Gase – eine Einheit zum Einspritzen eines Treibstoffs (20; 22), eine ringförmige Brennkammer aus Verbundwerkstoff (24), die eine Längsachse (10) und eine Vielzahl von Öffnungen zur Zuführung eines Sauerstoffträgers (41a, 41b) aufweist, sowie einen ringförmigen Leitapparat aus metallischem Material (42), der die Leitschaufel-Eintrittsstufe (44) einer Hochdruckturbine bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer aus Verbundwerkstoff zwischen der inneren und der äußeren ringförmigen Metallhülle durch eine Vielzahl von flexiblen Metallzungen (58, 60) in Position gehalten wird, wobei erste Enden (62, 64) der Zungen durch einen Metallkranz (66a, 66b) untereinander verbunden sind, der durch erste Befestigungsmittel (52; 68, 77) mit einer der inneren und äußeren ringförmigen Metallhüllen (12, 14) fest verbunden ist, und wobei zweite Enden (70, 72) mit der Brennkammer aus Verbundwerkstoff (26, 28) im Bereich wenigstens eines Teils der Öffnungen zur Zuführung eines Sauerstoffträgers durch zweite Befestigungsmittel (74, 76; 74a, 74b, 76a, 76b) fest verbunden sind, wobei die Flexibilität der Befestigungszungen bei hohen Temperaturen freie radiale und axiale Bewegungen zwischen der Brennkammer aus Verbundwerkstoff und der inneren und äußeren ringförmigen Metallhülle ermöglicht.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zur Zuführung eines Sauerstoffträgers von Bohrungen für die Versorgung mit Luft eines primären Bereichs und/oder eines Verdünnungsbereichs der Brennkammer gebildet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Enden der Zungen durch Löten oder Schweißen mit dem Metallkranz verbunden sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Enden der Zungen mit dem Metallkranz einstückig ausgebildet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Befestigungsmittel von einer Vielzahl von Bolzen gebildet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, da jede der ringförmigen Hüllen aus zwei Teilen (12a, 12b; 14a, 14b) gebildet ist, der Metallkranz zwischen Verbindungsflanschen dieser beiden Teile montiert ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Befestigungsmittel jeweils einen Kragen (74, 76) umfassen, der in jede Öffnung zur Zuführung eines Sauerstoffträgers (41a, 41b) der Brennkammer eingefügt und auf die zweiten Enden der Zungen (70, 72) aufgequetscht ist, um den Halt dieser Zungen (58, 60) an der Kammer zu gewährleisten, sobald die Quetschverbindung hergestellt ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Befestigungsmittel eine Vielzahl von Einsätzen umfassen, die jeweils von zwei konzentrischen, aneinander befestigten Teilen gebildet sind, einerseits von einem Kragen (74a, 76a), der an einer axialen Wand (26, 28) der Brennkammer anliegt, und andererseits von einem Ring (74b, 76b), der den Kragen umgibt und die zweiten Enden der Zungen (70, 72) gegen die axiale Wand drückt.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen eine in der Nähe ihrer zweiten Enden ausgebildete Öffnung (58a) umfassen, um die Versorgung der Sauerstoffträgerzuführöffnungen zu verbessern.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtigkeit des Gaskanals zwischen der Brennkammer (24) und dem Leitapparat (42) durch eine kreisförmige „Lamellen"-Dichtung (80, 82) gewährleistet ist, die direkt an einem stromabwärtigen Ende (88, 90) der Brennkammer anliegt, das eine Anlageebene für diese kreisförmige Dichtung bildet.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtigkeit des Gaskanals zwischen der Brennkammer (24) und dem Leitapparat (42) durch eine kreisförmige „Lamellen"-Dichtung (80, 82) gewährleistet ist, die an einem Ring aus Verbundwerkstoff anliegt, der durch Löten oder durch Einsetzen an dieses stromabwärtige Ende angefügt ist.