DE60316487T2

DE60316487T2 - Gewellte Abdeckhaube für eine Brennkammer einer Gasturbine und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60316487T2
Application number: DE60316487T
Authority: DE
Inventors: Gilbert Cincinnati Farmer; Balena B. Hamilton Shorter; Mehmet M. West Chester Dede; Ronald D. Foster Redden; James A. Burlington Groeschen; Daniel L. Fort Wright Durstock
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: EP1340941A2; CN1441198B; DE60316487D1; JP4245936B2; US20030159445A1; EP1340941A3; CN1441198A; US6672067B2; JP2003279044A; EP1340941B1

Description

In einem Gasturbinentriebwerk wird der Brennkammer von der Verdichterstufe komprimierte Luft zugeführt, woraufhin diese mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer verbrannt wird. Die Druckluftmenge, die in den Brennstoff/Luft-Mischer und somit in die inneren und äußeren Durchlasskanäle der Brennkammer eintritt, wurde bisher gewöhnlich durch innere und äußere Aufsätze reguliert, die stromaufwärts des Brennstoff/Luft-Mischers und der Brennkammerkuppel angeordnet sind. Solche Aufsätze wurden bisher im Allgemeinen mittels einer die Brennkammerkuppel, den Aufsatz und die innere oder die äußere Brennkammerauskleidung einbeziehenden Schraubverbindung an Ort und Stelle gehalten. Daher erfahren sowohl der äußere als auch der innere Gasturbinentriebwerksaufsatz über diese hinweg eine leichte Druckänderung, sowie eine durch das Triebwerk induzierte Schwinglast. Während die Wirkung dieser Umgebungsfaktoren auf den äußeren Aufsatz verhältnismäßig groß ist, rufen sie nichtsdestoweniger Verschleiß an beiden Aufsätzen hervor und begrenzen konsequenterweise deren Lebensdauer.
Zur Lösung dieses Problems bediente sich der Stand der Technik eines der folgenden Ansätze. Der erste von diesen beinhaltet, den für die Aufsätze einen Blechkörper zu verwenden, der an seiner Anströmkante vorzugsweise durch Einrollen oder Wickeln des Blechs um einen Dämpferdraht mit einer Lippe ausgebildet ist. Allerdings stellte sich heraus, dass diese Konstruktion aufgrund eines an der Grenzfläche des Drahtes und des Blechkörpers auftretenden Reibungsverschleißes, der durch eine ungünstige thermische Inhomogenität zwischen dem Draht und der Ummantelung hervorgerufen wird, eine verkürzte Lebensdauer aufweist. Insbesondere führt die ungünstige ther mische Inhomogenität dazu, dass das Blech den Draht nicht mehr vollständig ummantelt, wobei ein Spalt zwischen dem Draht und dem Aufsatz entsteht. Darüber hinaus ruft ein von der Diffusor- und/oder Brennkammerakustik ausgehendes weißes Rauschen eine Hochleistungsermüdungsschwingbelastung des Drahtes gegen die Blechummantelung hervor. Die kombinierten reibenden und schwingungsinduzierten Erschütterungen des Drahtes gegen die Metallummantelung haben daher eine Reduzierung der Dicke des ummantelten Abschnitts des Aufsatzes, Rissbildung und gegebenenfalls Ablösung von Blech- und Drahtfragmenten zur Folge.
Eine andere Aufsatzkonstruktion verwendet einen spanabhebend bearbeiteten Ring, der die Anströmkantenlippe des Aufsatzes bildet, wobei der Ring an einen Blechformkörper geschweißt ist. Ein solcher spanabhebend bearbeiteter Ring bildet eine kompakte Lippe für den Aufsatz, was erwünscht ist, jedoch führt das um den Umfang herum ausgeführte Schweißen des Rings an den Blechformkörper sowohl in der Schweißnaht als auch in ihrer Nähe zu Spannungskonzentrationen.
Eine einstückige Aufsatzkonstruktion ist in einer US-Patentanmeldung mit dem Titel "One-Piece Combustor Cowl", US-Patentnr. 5 924 288 , offenbart, die einen Aufsatz zeigt, der mit einer kompakten Lippe gegossen ist, deren Dicke an einer Anströmkante des Aufsatzes gesteigert ist. Zwar eignet sich dieser Aufsatz für den beabsichtigten Zweck, ist jedoch im Allgemeinen sowohl schwergewichtiger als auch kostspieliger als ein Blechaufsatz.
Das US-Patent 3 898 797 offenbart einen Brennkammerkopf für ein Gasturbinentriebwerk mit mehreren darin ausgebildeten Öffnungen für einen Kühlluftstrom.
Erfindungsgemäß ist eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer geschaffen, wobei zu der Brennkammereinrichtung ein hohler Grundkörper, der eine Brennkammer definiert, wobei die Brennkammer eine äußere Auskleidung und eine innere Auskleidung aufweist; und ein äußerer und innerer Aufsatz gehören, die an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Brennkammer befestigt sind, und dadurch gekennzeichnet sind, dass wenigstens der äußere Aufsatz mit wenigstens einer ringförmigen Wellung ausgebildet ist, durch die die Steifigkeit des äußeren Aufsatzes erhöht wird.
Die oben erörterten und weitere Nachteile und Mängel werden durch einen mit Wellungen ausgebildeten Aufsatz beseitigt oder gemildert. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eines Aufsatzes für den Einsatz in einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks enthält der Aufsatz einen Grundkörper mit einer ringförmigen Wellung. In einem anderen Ausführungsbeispiel einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks gehören zu der Brennkammer: ein hohler Grundkörper, der eine Brennkammer definiert, wobei der hohle Grundkörper eine Auskleidung aufweist; ein äußerer Aufsatz mit einer ringförmigen Wellung, wobei der Aufsatz mit der Auskleidung verbunden ist; und ein mit der Auskleidung verbundener innerer Aufsatz. Ein Verfahren zum Konstruktion eines Aufsatzes für eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer, wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet, in einem Grundkörper des Aufsatzes eine ringförmige Wellung auszubilden.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen eingehender beschrieben:
Es wird nun auf die exemplarischen Zeichnungen eingegangen, in denen gleichartige Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugsnummern versehen sind:
1 zeigt in einer in Längsrichtung geschnittenen Ansicht eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer, zu der ein mit ringförmigen Wellungen ausgebildeter äußerer Aufsatz und ein innerer Aufsatz gehören;
2 zeigt in einer nach vorne gerichteten Rückansicht den in 1 dargestellten Aufsatz;
3 zeigt in einer in Längsrichtung geschnittenen Ansicht eine Gasturbinentriebwerksbrennkammer, zu der ein äußerer Aufsatz mit ringförmigen Wellungen und ein innerer Aufsatz mit ringförmigen Wellungen gehören;
4 zeigt in einer nach vorne gerichteten isometrischen Rückansicht sowohl einen mit Wellungen ausgebildeten äußeren Aufsatz als auch einen mit Wellungen ausgebildeten inneren Aufsatz;
5 zeigt in einer nach hinten gerichteten isometrischen Vorderansicht die mit Wellungen ausgebildeten äußeren und inneren Aufsätze nach 3;
6 zeigt eine vergrößerte, geschnittene Teilansicht des in 1 dargestellten mit Wellungen ausgebildeten Aufsatzes;
7 zeigt eine vergrößerte, geschnittene Teilansicht des in 1 veranschaulichten mit Wellungen ausgebildeten Aufsatzes, dargestellt mit einer Vollummantelung; und
8 zeigt in einer vergrößerten, geschnittenen Teilansicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des in 1 dargestellten, mit Wellungen ausgebildeten äußeren Aufsatzes, veranschaulicht mit einer Teilummantelung.
Mit Bezug auf 1 wird nun eine einzelne ringförmige Brennkammer 10 veranschaulicht, die in einem Gasturbinentriebwerk Verwendung findet. Die Brennkammereinrichtung 10 weist einen hohlen Grundkörper 11 auf, der darin eine Brennkammer 12 definiert. Der hohle Grundkörper 11 ist im Wesentlichen ringförmig und weist eine äußere Auskleidung 14, eine innere Auskleidung 16 und ein gewölbtes Ende bzw. eine Kuppe 18 auf. In der vorliegenden ringförmigen Konfiguration enthält das gewölbte Ende 18 des hohlen Grundkörpers 11 ferner mehrere um diesen herum in Umfangsrichtung beabstandete Luft/Brennstoff-Mischer 20 bekannter Bauart.
In der Brennkammer 10 ist stromaufwärts der Brennkammer 12 ein äußerer Aufsatz 22 vorgesehen, der an einer äußeren Schraubverbindung 24 mit der äußeren Auskleidung 14 sowie mit der Kuppe 18 verbunden ist. Weiter ist stromaufwärts der Brennkammer 12 ein innerer Aufsatz 26 vorgesehen, der an einer inneren Schraubverbindung 28 mit der inneren Auskleidung 16 sowie der Kuppe 18 verbunden ist. Der äußere und innere Aufsatz 22 und 26 erfüllen die Funktion der geeigneten Lenkung und Regulierung des von einem Diffusor der Gasturbine ausgehenden Druckluftstroms zu der Kuppe 18 und zu äußeren und inneren Durchlasskanälen 30 und 32, die benachbart zu der äußeren und inneren Auskleidung 14 bzw. 16 angeordnet sind. Aus 1 und 2 ist ersichtlich, dass der äußere und innere Aufsatz 22 und 26 ebenso wie die Brennkammer 10 ringförmig sind. Wie für Brennkammeraufsätze typisch, sind der äußere und innere Aufsatz 22 und 26 in Bezug auf eine Aufsatzmittelachse 34 in axialer Richtung verlängert.
Gewünscht ist, dass der äußere und innere Aufsatz 22 und 26 sowohl leichtgewichtig als auch kostengünstig sein sollten. Zu diesem Zweck sind der äußere und innere Aufsatz 22 und 26 vorzugsweise aus Blech hergestellt. Der Blechmetallwerkstoff für den äußeren und inneren Aufsatz 22 und 26 kann auf Kobaltlegierungen und auf Nickellegierungen basieren. Insbesondere gehört zu den bevorzugten Aerospace Material Specifications (Materialgüteanforderungen für Luft- und Raumfahrt) für derartige Kobaltlegierungen AMS5608, und zu den bevorzugten Materialgüteanforderungen für Luft- und Raumfahrt für solche auf Nickel basierende Legierungen gehören AMS5536, AMS5878 und AMS5599.
Um die Steifigkeit des äußeren Aufsatzes 22 zu steigern, ist der äußere Aufsatz 22 mit Blick auf die Ausbildung ringförmiger Wellungen 40 pressgeformt/gegossen. Durch eine Steigerung der Steifigkeit des äußeren Aufsatzes 22 ist auch die Frequenz des äußeren Aufsatzes 22 erhöht. Es besteht eine proportionale Beziehung zwischen erhöhter Steifigkeit und erhöhter Frequenz; dementsprechend wächst mit steigender Steifigkeit auch die Frequenz. Es ist wünschenswert die Frequenz des äußeren Aufsatzes 22 bis zu einem Punkt zu steigern, bei dem die Frequenz des äußeren Aufsatzes 22 höher ist als die Frequenz des Triebwerks.
Unter Bezugnahme auf 3 sind in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel sowohl der äußere als auch der innere Aufsatz 22 und 26 mit ringförmigen Wellungen 40 ausgebildet. 4 und 5 veranschaulichen isometrische Ansichten des äu ßeren und inneren Aufsatzes 22 und 26 mit ringförmigen Wellungen 40.
6 veranschaulicht die unterschiedlichen Parameter für das Ausbilden ringförmiger Wellungen in dem äußeren Aufsatz 22. Im Falle des Pressformens/Gießens ringförmiger Wellungen 40 existieren drei Parameter für die ringförmigen Wellungen 40: (a) die mit "w" bezeichnete Anzahl ringförmiger Wellungen in dem äußeren Aufsatz 22; (b) die mit "h" bezeichnete Höhe jeder ringförmigen Wellung 40; und (c) die mit "s" bezeichnete Beabstandung jeder ringförmigen Wellung 40. Die beiden Hauptparameter zum Bilden ringförmiger Wellungen 40 sind die Beabstandung s und die Höhe h der ringförmigen Wellungen 40. Die Beabstandung und Höhe der ringförmigen Wellungen sind optimiert, so dass die Frequenz des äußeren Aufsatzes 22 bis zur Überschreitung des Triebwerksbetriebsbereichs erhöht wird. Die Anzahl von Wellungen in dem äußeren Aufsatz 22 beeinträchtigt die Steifigkeit des äußeren Aufsatzes 22 nur unwesentlich.
In einem Ausführungsbeispiel liegt die Beabstandung der ringförmigen Wellungen in einem Bereich von ungefähr 0,0254 cm bis ungefähr 1,27 cm (etwa 0,010 Zoll bis ungefähr 0,500 Zoll), mit einer bevorzugten Beabstandung von etwa 0,203 cm (0,080 Zoll). Die Höhe der ringförmigen Wellungen liegt im Bereich von ungefähr 0,0254 cm bis ungefähr 0,127 cm (0,010 Zoll bis ungefähr 0,050 Zoll), mit einer bevorzugten Höhe von etwa 0,085 cm (0,0334 Zoll). Durch das Ausbilden ringförmiger Wellungen mit einer Beabstandung und Höhe in dem oben angegebenen Bereichen wird die Steifigkeit des äußeren Aufsatzes 22 gesteigert, so dass die Frequenz des äußeren Aufsatzes 22 erhöht wird, um einen typischen Triebwerksbetriebsbereich zu überschreiten.
7 und 8 veranschaulichen den äußeren Aufsatz 22 mit ringförmigen Wellungen, wobei der äußere Aufsatz 22 mit einer Vollummantelung 50 (7) oder einer Teilummantelung (8) ausgebildet ist. Sowohl eine Vollummantelung 50 als auch eine Teilummantelung 60 sind an einem ersten Ende 62 des äußeren Aufsatzes 22 angeordnet. Das erste Ende 62 ist dasjenige, bei dem die Luft in die Brennkammereinrichtung 10 eintritt (siehe 1). Durch Vorsehen einer Vollummantelung 50 oder Teilummantelung 60 an dem ersten Ende 62 ist eine glatte Oberfläche für die in die Brennkammer eintretende Luft vorhanden, was eine verbesserte Aerodynamik ermöglicht. Während für den äußeren Aufsatz 22 beide Arten einer Ummantelung verwendet werden können, ist eine Teilummantelung 60 bevorzugt, da der Aufwand für die Formung des Körpers des äußeren Aufsatzes 22 im Falle der Formung einer Teilummantelung 60 geringer ist.
Der mit ringförmigen Wellungen 40 ausgebildete äußere Aufsatz 22 widersteht den unterschiedlichen Spannungen, die auf diesen für eine gewünschte Anzahl von Stunden ausgeübt werden, ohne Hochleistungsermüdung zu erleiden, und lenkt den Luftstrom in einer den Anforderungen des Brennstoff/Luft-Mischers und der inneren/äußeren Durchlasskanäle entsprechenden Weise zu der Brennkammer. Der mit ringförmigen Wellungen 40 ausgebildete äußere Aufsatz 22 ist sowohl leichtgewichtig als auch hinsichtlich der Materialien, der Verarbeitung und des spezifischen Brennstoffverbrauchs kostengünstig. Darüber hinaus kann durch den Einsatz ringförmiger Wellungen 40 in dem äußeren Aufsatz 22 auf den (nicht gezeigten) Dämpferdraht herkömmlicher Aufsätze verzichtet werden. Weiter kann der innere Aufsatz 26 ebenfalls ringförmige Wellungen 40 aufweisen, was dieselbe Wirkung auf den inneren Aufsatz 26 haben würde. Ein gewünschter Luftstrom in die Brennkammer 10 ist gewöhn lich schwer zu erzielen und wird möglicherweise durch jede Veränderung der Konstruktion eines äußeren Aufsatzes 22 beeinträchtigt. Der Vorteil des Einbringens von Wellungen in den äußeren Aufsatz 22 basiert darauf, dass nur geringe oder überhaupt keine Beeinträchtigung des gewünschten Luftstroms in die Brennkammer 10, einschließlich der Wiederherstellungen des Kanaldrucks vorhanden ist.

Claims

Brennkammer (10) eines Gasturbinentriebwerks, wobei die Brennkammer aufweist: einen hohlen Grundkörper (11), der eine Brennkammer (12) definiert, wobei die Brennkammer eine äußere Auskleidung (14) und eine innere Auskleidung (16) aufweist; äußere und innere Aufsätze (22, 26), die an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Brennkammer befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass: mindestens der äußere Aufsatz mit wenigstens einer ringförmigen Wellung (40) ausgebildet ist, durch die die Steifigkeit des äußeren Aufsatzes gesteigert wird.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, wobei der innere und äußere Aufsatz (22, 26) beide mittels wenigstens einer ringförmigen Wellung ausgebildet sind, durch die die Steifigkeit sowohl des inneren als auch des äußeren Aufsatzes gesteigert wird.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, wobei jeder Aufsatz aus einem eine einzige Dicke aufweisende Blech ausgebildet ist.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Wellung auf einer Anzahl von Wellungen basiert, die zwischen jeder ringförmigen Wellung einen Abstand aufweisen.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, wobei der Abstand etwa 0,0254 cm (0,010 Zoll) bis ungefähr 1,27 cm (0,500 Zoll) beträgt.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Wellung eine Höhe (h) aufweist.
Brennkammer (10) nach Anspruch 6, wobei die Höhe (h) in einem Bereich von ungefähr 0,0254 cm (0,010 Zoll) bis ungefähr 0,127 cm (0,059 Zoll) liegt.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, ferner mit einer Teilummantelung (60), die an einem stromaufwärts gelegenen Ende (62) des Absatzes angeordnet ist.
Brennkammer (10) nach Anspruch 1, ferner mit einer Vollummantelung (50) an einem stromaufwärts gelegenen Ende (62) des Absatzes.
Verfahren zur Bildung einer Gasturbinentriebwerksbrennkammer (10), wobei die Brennkammer einen inneren und äußeren Aufsatz (22, 26) aufweist, wobei das Verfahren durch den Schritt gekennzeichnet ist, wenigstens in dem äußeren Aufsatz (22) eine ringförmige Wellung (40) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei sowohl in dem inneren als auch in dem äußeren Aufsatz (22, 26) wenigstens eine Wellung (40) ausgebildet wird.