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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das spezielle Gebiet der
Turbomaschinen, und sie betrifft insbesondere das Problem, das sich
durch die Montage einer Brennkammer aus Verbundwerkstoff vom Typ
CMC (Keramikmatrix-Verbundwerkstoff) in dem Metallgehäuse einer
Turbomaschine einstellt.
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STAND DER TECHNIK
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Herkömmlicherweise
sind bei einem Turbostrahltriebwerk oder einem Turboprop-Triebwerk die Hochdruckturbine,
insbesondere ihr Eintrittsleitapparat (HPT nozzle), die Brennkammer
sowie das Gehäuse
(oder Hülle)
dieser Kammer aus einem gleichen Werkstoff, im allgemeinen metallischer
Art 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 das Gehäuse 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 zwischen dem Gehäuse und der Brennkammer sowie
bei der Dichtigkeit im Bereich des Leitapparates am Eingang der
Hochdruckturbine. Das Patent
US
6 131 384 zeigt eine Turbomaschine nach diesem Stand der
Technik.
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AUFGABE UND DEFINITION DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung behebt diese Nachteile dadurch, daß sie eine
Montage der Brennkammer in dem Gehäuse vorschlägt, welche die Fähigkeit
hat, die durch die Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten dieser
Teile bewirkten Bewegungen aufzunehmen.
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Erreicht
wird dieses Ziel durch eine Turbomaschine, die – in einer Hülle aus
metallischem Werkstoff und entlang einer Strömungsrichtung F der Gase – ein System
zum Einspritzen eines Kraftstoffs, eine Brennkammer aus Verbundwerkstoff
mit einer Längsachse
sowie einen Leitapparat aus metallischem Werkstoff, der die Eintrittsstufe
mit Leitschaufeln einer Hochdruckturbine bildet, umfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß die
Brennkammer aus Verbundwerkstoff durch eine Vielzahl von flexiblen
Metallaschen, die erste Enden und zweite Enden aufweisen, in der
Metallhülle
in Position gehalten wird, wobei die genannten ersten Enden durch
einen Flansch bildenden Metallkranz untereinander verbunden sind,
der an der Metallhülle
durch erste Befestigungsmittel befestigt ist, und wobei die genannten
zweiten Enden jeweils gemeinsam durch zweite Befestigungsmittel
einerseits an der Brennkammer aus Verbundwerkstoff und andererseits
an einem Ende einer Wand aus Verbundwerkstoff befestigt sind, deren
anderes Ende eine Stützebene
für ein Dichtungselement
bildet, das mit dem Leitapparat fest verbunden ist und das die Dichtigkeit
des Gaskanals zwischen der Brennkammer und dem Leitapparat sicherstellt,
wobei die Flexibilität
der genannten Befestigungslaschen bei hohen Temperaturen eine freie
radiale Ausdehnung der Brennkammer aus Verbundwerkstoff gegenüber der
Metallhülle
ermöglicht.
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Mit
dieser besonderen Struktur einer festen Verbindung können die
unterschiedlichen Verschleißerscheinungen,
die durch die Kontaktkorrosionen der Systeme des Standes der Technik
bedingt sind, vermieden werden. Die Verwendung einer in der Verlängerung
der Brennkammer angeordneten Wand aus Verbundwerkstoff, um die Dichtigkeit
des Kanals herzustellen, ermöglicht überdies,
die Ausgangsstruktur der Kammer wieder herzustellen. Außerdem ermöglicht das
Vorliegen der flexiblen Metallaschen anstelle der herkömmlichen
Flansche einen besonders beachtlichen Massegewinn. Aufgrund ihrer
Flexibilität
ermöglichen
diese Laschen, dem Ausdehnungsunterschied, zu dem es bei den hohen
Temperaturen zwischen Metall- und
Verbundteilen kommt, standzuhalten (indem sie die durch die Ausdehnung bedingten
Bewegungen aufnehmen), und gleichzeitig gewährleisten sie einen einwandfreien
Halt sowie ein richtiges Zentrieren der Brennkammer in der Hülle.
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Die
ersten und zweiten Befestigungsmittel sind vorzugsweise von einer
Vielzahl von Bolzen gebildet. Jedoch können die zweiten Befestigungsmittel auch
von Crimpelementen gebildet sein. Vorteilhafterweise ist das Dichtungselement
vom Typ „Lamellen"-Runddichtung. Es
kann eine Vielzahl von kalibrierten Entweichungsöffnungen aufweisen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform,
bei der die Metallhülle
von zwei Teilen gebildet ist, ist der Metallkranz, welcher die ersten
Enden der flexiblen Metallaschen untereinander verbindet, zwischen
Verbindungsflanschen dieser zwei Teile angebracht. In einer alternativen
Ausführungsform
kann der Metallkranz durch herkömmliche
Befestigungsmittel direkt an der ringförmigen Hülle befestigt sein.
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Bei
der in Betracht gezogenen Ausführungsform
können
die ersten Enden der Befestigungslaschen entweder an dem einen Flansch
bildenden Metallkranz festgelötet
(oder festgeschweißt)
sein oder mit diesem Metallkranz ein einziges Teil bilden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden, zur Unterrichtung gegebenen und als nicht einschränkend zu verstehenden
Beschreibung, anhand der beiliegenden Zeichnungen besser hervorgehen;
in diesen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht im axialen Halbschnitt eines mittleren Bereichs
einer Turbomaschine in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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die 1A und 1B in
der Perspektive bzw. im Schnitt Detailelemente der 1,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils der 1 in einer ersten alternativen
Verbindungsausführung,
und
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines weiteren Teils der 1 in einer zweiten alternativen
Verbindungsausführung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
im axialen Halbschnitt einen mittleren Teil eines Turbostrahltriebwerks
oder eines Turboprop-Triebwerks (in der Fortsetzung der Beschreibung
als Turbomaschine bezeichnet), das bei einer ersten Ausführungsform
folgendes umfaßt:
- – eine
aus zwei Teilen 12a, 12b bestehende ringförmige Außenhülle (oder
Außengehäuse) aus metallischem
Werkstoff, mit der Längsachse 10,
- – eine
koaxiale, aus zwei Teilen 14a, 14b bestehende
ringförmige
Innenhülle
(oder Innengehäuse),
ebenfalls aus metallischem Werkstoff,
- – einen
ringförmigen
Raum 16 zwischen den zwei Hüllen 12a, 12b und 14a, 14b,
der den verdichteten Sauerstoffträger, im allgemeinen Luft, aufnimmt,
der bzw. die stromaufwärts
von einem (nicht dargestellten) Verdichter der Turbomaschine, über eine
ringförmige
Verteilungsleitung 18 (deren Verteilergitter 18a zu
sehen ist) kommt, die einen allgemeinen Gasströmungsfluß F definiert,
wobei
dieser Raum 16 in Strömungsrichtung
der Gase folgendes umfaßt,
nämlich
zunächst
eine Einspritzeinheit, welche von einer Vielzahl von Einspritzsystemen 20 gebildet
ist, die um die Leitung 18 herum gleichmäßig verteilt
sind und von denen ein jedes eine an einem stromaufwärtigen Teil 12a der
ringförmigen
Außenhülle befestigte
Kraftstoffeinspritzdüse 22 aufweist
(zur Vereinfachung der Zeichnungen sind der Mischer und die Ablenkeinrichtung,
die jeder Einspritzdüse
zugeordnet sind, nicht dargestellt worden), anschließend eine
Brennkammer 24 aus Hochtemperatur-Verbundwerkstoff, beispielsweise
vom Typ CMC oder anderen (zum Beispiel Kohlenstoff), die von einer
axialen Außenwand 26 und
von einer axialen Innenwand 28, die beide die Achse 10 aufweisend
koaxial sind, sowie von einer querverlaufenden Wand 30 gebildet
ist, die den Boden dieser Brennkammer bildet und die Umschläge 32, 34 aufweist,
welche durch jedwedes geeignete Mittel, beispielsweise durch metallische
oder feuerfeste Bolzen mit Senkschraube, an stromaufwärtigen Enden 36, 38 dieser
axialen Wände 26, 28 befestigt
sind, wobei dieser Kammerboden 30 mit Öffnungen 40 versehen ist,
um vor allem das Einspritzen des Kraftstoffs und eines Teils des
Sauerstoffträgers
in die Brennkammer 24 zu ermöglichen, und schließlich einen
ringförmigen
Leitapparat 42 aus metallischem Werkstoff, welcher eine
Eintrittsstufe einer (nicht dargestellten) Hochdruckturbine bildet
und herkömmlicherweise eine
Vielzahl von Leitschaufeln 44 aufweist, die zwischen einer
kreisförmigen
Außenplattform 46 und
einer kreisförmigen
Innenplattform 48 angebracht sind.
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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.
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Durchgangsöffnungen 54, 56,
die in der metallischen Außenplattform 46 und
der metallischen Innenplattform 48 des Leitapparates 42 ausgebildet sind,
sind außerdem
vorgesehen, um ein Kühlen
der Leitschaufeln 44 dieses Leitapparates am Eingang des
Rotors der Hochdruckturbine mittels des am Ausgang der Verteilungsleitung 18 verfügbaren und
in zwei Strömen
F1, F2 auf beiden Seiten der Brennkammer 24 strömenden verdichteten
Sauerstoffträgers
zu gewährleisten.
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Gemäß der Erfindung
wird die Brennkammer 24, die einen von den anderen, die
Turbomaschine bildenden Metallteilen erheblich abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat, durch eine Vielzahl flexibler Laschen 58, 60,
die um die Brennkammer herum, zwischen der ringförmigen Innenhülle und
der ringförmigen
Außenhülle gleichmäßig verteilt sind,
in ihrer Hülle
fest in Position gehalten. Diese Befestigungslaschen sind für einen
ersten Teil unter ihnen (siehe die mit 58 bezeichnete Lasche)
zwischen der ringförmigen
Außenhülle 12a, 12b und
der axialen Außenwand 26 der
Brennkammer angeordnet und für
einen zweiten Teil (wie die Lasche 60) zwischen der ringförmigen Innenhülle 14a, 14b und
der axialen Innenwand 28 der Brennkammer angebracht. Die
Anzahl der Laschen kann beispielsweise gleich der Anzahl der Einspritzdüsen oder
gleich einem Vielfachen dieser Anzahl sein.
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Jede
flexible Befestigungslasche aus metallischem Werkstoff, die – wie 1A zeigt – eine im wesentlichen
dreieckige Form aufweisen kann oder von einer (nicht dargestellten)
einfachen Zunge (mit konstanter Breite oder nicht) gebildet sein
kann, ist über
ein erstes Ende 62; 64 an einem einen Flansch bildenden
Metallkranz 66a, 66b festgeschweißt oder festgelötet und
durch erste Befestigungsmittel 52; 68 an der ringförmigen metallischen
Außenhülle oder der
ringförmigen
metallischen Innenhülle (entsprechend
ihrem Ort) auf feste Weise befestigt. Diese Befestigung mittels
Flansch ist dazu bestimmt, das Halten dieser Laschen an den Metallhüllen zu
erleichtern. In einer bevorzugten Ausführungsform bilden diese Laschen
und der Metallkranz zusammen ein einziges, aus einem Stück gefertigtes
Metallteil.
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An
einem zweiten Ende 70; 72 ist diese Lasche über zweite
Befestigungsmittel 74, 76 sowohl einerseits an
einem stromabwärtigen
Ende 88; 90 der axialen Außenwand 26 und der
axialen Innenwand 28 der Brennkammer aus Keramikverbundwerkstoff, als
auch andererseits an einem Ende einer Wand aus Keramikverbundwerkstoff 78a; 78b befestigt,
die in der Verlängerung
der axialen Außenwand
bzw. der axialen Innenwand angeordnet ist, gewissermaßen einen
zweiten Kammerteil bildet und deren anderes Ende eine Stützebene
für ein
Dichtungselement bildet, das mit dem Leitapparat fest verbunden
ist und die Dichtigkeit des Gaskanals zwischen der Brennkammer 24 und
dem Leitapparat 42 sicherstellt.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt
die Verbindung der zweiten Enden der Laschen 70, 72 mit
den stromabwärtigen Enden
der Wände
der Brennkammer und den ersten Enden der einen zweiten Kammerteil
bildenden Wände
aus Keramikverbundwerkstoff mittels einer einfachen Verschraubung,
vorzugsweise von der Art mit Käfigmutter,
um eine eventuelle Montage/Demontage zu erleichtern und damit verbunden
die Dimensionierung der Laschen zu begrenzen. Der Metallkranz 66a, 66b,
welcher die ersten Enden 62, 64 der Laschen untereinander
verbindet, ist seinerseits vorzugsweise zwischen Verbindungsflanschen
gehalten, die zwischen den stromaufwärtigen Enden 12a, 14a und
stromabwärtigen
Enden 12b, 14b der ringförmigen Innenhülle und
der ringförmigen
Außenhülle vorhanden
sind und durch die ersten Befestigungsmittel 52, 68,
die ebenfalls vorzugsweise vom Typ Bolzen sind, fest gehalten werden.
Man wird feststellen, daß Unterlegscheiben
aus Keramikverbundwerkstoff 74a; 76a vorhanden
sind, um zu ermöglichen,
die Senkköpfe
der Schrauben der Bolzen, welche die zweiten Befestigungsmittel 74; 76 bilden,
zu „versenken".
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Die
Dichtigkeit des Gaskanals zwischen der Brennkammer 24 und
dem Leitapparat 42 wird durch eine „Lamellen"-Runddichtung 80, 82 sichergestellt, die
in einer Nut 84, 86 der äußeren Plattform 46 bzw. der
inneren Plattform 48 des Leitapparates angebracht ist und
die sich direkt an dem zweiten Endteil der Wand aus Keramikverbundwerkstoff 78a; 78b, die
eine Stützebene
für diese
Runddichtung bildet, abstützt.
Die Dichtung wird mittels eines Federelements vom Typ Blattfeder 92, 94,
die an dem Leitapparat befestigt ist, an diesem zweiten Ende der
Wand aus Verbundwerkstoff in Anlage gehalten. Durch diese Anordnung
ist eine einwandfreie Kontinuität
des heißen
Kanals zwischen der Brennkammer 24 und dem Leitapparat 42 sichergestellt.
Um jedoch die Kühlung
des unter dem Leitapparat 46 durch die Verbundwerkstoffwand
gebildeten toten Bereichs sicherzustellen, sind kalibrierte Entweichungsöffnungen 110 (die
in 1B dargestellt sind) vorteilhafterweise im Bereich
der Dichtungen 80, 82 vorgesehen.
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Was
die Dichtigkeit der Gasströme
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 weitere
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.
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1B zeigt
eine erste Variante der vorhergehenden Ausführungsform, bei der die Befestigung der
Laschen (es ist lediglich der Fall der Lasche 60 dargestellt)
am stromabwärtigen
Ende 90 der Brennkammer 24 durch eine Crimpverbindung
vollzogen ist, wobei die Bolzen 76 durch Crimpelemente 76b ersetzt
sind. Da bei dieser Ausführung
die Kühlung durch
die Crimpelemente erfolgen kann, ist es nicht mehr erforderlich,
kalibrierte Öffnungen
im Bereich der Lamellendichtungen 80, 82 vorzusehen.
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Bei
einer in 2 dargestellten Variante ist der
einen Flansch bildende Metallkranz 66a, welcher die ersten
Enden 62 der Befestigungslaschen 58 der axialen
Außenwand 26 der
Brennkammer durch Löten
(oder Schweißen)
miteinander verbindet, nicht mehr zwischen Flanschen angeordnet,
sondern selbst im Bereich einer Sicherung gegen Falscheinbau 106,
die an der ringförmigen
Außenhülle 12 angeordnet
und an dieser in Anlage ist, angelötet (oder angeschweißt).
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Bei
einer weiteren, in 3 dargestellten Variante ist
der einen Flansch bildende Metallkranz 66b, welcher die
ersten Enden 64 der Befestigungslaschen 60 der
axialen Innenwand 28 der Brennkammer durch Löten (oder
Schweißen)
miteinander verbindet, nicht mehr zwischen Flanschen angeordnet, sondern
einfach durch herkömmliche
Befestigungsmittel 108, beispielsweise von der Art Bolzen,
direkt an der ringförmigen
Innenhülle 14 befestigt.
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Bei
allen vorgenannten Ausführungen
ermöglicht
die Flexibilität
der Befestigungslaschen, 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.