DE69102548T2 - Befestigungsvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Halterung eines Bauteils an einer Tragkonstruktion mit verhältnismäßig großen differentiellen Wärmedehnungskoeffizienten Insbesondere bezieht sie sich auf eine mechanische Montageanordnung für einen Komposit- oder nichtmetallischen Flammenhalter im Nacherhitzungssystem eines Gasturbinentriebwerks.
• Ein Beispiel einer Anordnung der in Rede stehenden Art findet sich im Nacherhitzungssystem von Gasturbinentriebwerken. Zukünftige Generationen von Gasturbinentriebwerken mit Nacherhitzung arbeiten bei höheren Turbinenauslaßtemperaturen, welche die Verwendung von höher temperaturbeständigen Flammenhaltern erfordern. Ein Flammenhalter ist ein geformtes Bauteil, das in den heißen Gasstrom stromab der Nacherhitzerbrennstoffverteiler hineinragt. Es ist eine Mehrzahl solcher Flammenhalter vorhanden, und diese erzeugen in ihrem Strömungsschatten Bereiche, in welchen sich turbulente Wirbel zur Unterstützung der Verbrennung bilden. Die örtliche Gasgeschwindigkeit wird hinter den Flammenhaltern auf einen Wert verringert, bei welchem die Flammen im Nacherhitzungszyklus stabil werden. Ohne diese Flammenstabilisatoren arbeitet das Nacherhitzungssystem nicht gleichmäßig und ergibt keine stetige Verbrennung über einen Bereich von Gemischkonzentrationen und Gasgeschwindigkeiten.
• Die EP 142 389 schlägt eine Halteanordnung für einen Flammenhalter bzw. einen Flammenstabilisator im Nacherhitzungssystem eines Bypass-Gasturbinentriebwerks vor, bei welcher innere und äußere Teile des Stabilisatorkörpers sich in heißen bzw. kalten Gasströmen befinden und deshalb unterschiedlicher Wärmedehnung ausgesetzt sind. Dieser Flammenstabilisator ist ringförmig und hat einen etwa V-förmigen Querschnitt und besteht aus zwei unabhängigen Teilen, nämlich aus einen radial inneren Ring, der sich im heißen Turbinenabgasstrom befindet, und einen radial äußeren Ring, der sich im verhältnismäßig kühleren Bypassstrom befindet. Die Stabilisatorhalter weisen eine Anzahl von mit Umfangsabständen angeordneten und gelenkig an einer Strömungskanalwand befestigten Winkelhebeln auf. Ein Stabilisatorring ist direkt an den Winkelhebeln angelenkt, und der andere ist über ein drehbares Kuppelglied befestigt, wobei an allen Halterungsstellen jeweils alle Drehachsen parallel verlaufen. Durch diese Anordnung können die beiden Stabilisatorringe aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung sich unabhängig voneinander bewegen.
• Außerdem ist aus der EP 316 233 die Verwendung elastischer Halter zur Halterung zweier koaxialer Körper aus unterschiedlichen Materialien mit deutlich verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten im Strahlrohr eines Gasturbinentriebwerks bekannt. Die Anordnung kann zur Halterung eines keramischen Abgaskonus an einem metallenen Abgasgehäuse eingesetzt werden. Mindestens drei elastische Halter mit trapezartiger Form sind an ihren breiteren Seiten an dem metallenen Abgasgehäuse befestigt und tragen an ihren schmaleren äußeren Enden den keramischen Konus, um Spiel zwischen den beiden Bauteilen zu vermeiden.
• Diese Erfindung betrifft die Verwendung von Bauteilen, insbesondere von Flammenhaltern, die aus nichtmetallischen Materialien aufgebaut sind, beispielsweise aus Kohle/Kohle- Kompositwerkstoffen. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung breitere Anwendung finden kann als lediglich bei Gasturbinentriebwerksbauteilen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung zur Halterung eines Bauteils an einer Tragkonstruktion mit verhältnissmäßig großem differentiellem Wärmedehnungskoeffizienten vorgesehen, wobei die Anordnung aufweist:
• Ein für eine freitragende Montage ausgebildetes Bauteil mit einem mit zwei Montagebohrungen mit zueinander parallelen und duch eine kurze Distanz versehenem Ende,
• eine Tragkonstruktion mit einem lasttragenden Element, das für ein gelenkiges Zusammenwirken mit einer der Montagebohrungen ausgebildet ist, und
• ein elastisches Festlegungsorgan, das an der Tragkonstruktion verankert ist und mit seinem anderen Ende gelenkig in die zweite Montagebohrung eingreift.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung zur Halterung eines Bauteils an einer Tragkonstruktion im Strahlrohr eines Gasturbinentriebwerks vorgesehen, wobei die Anordnung aufweist:
• Ein für eine freitragende Montage ausgebildetes nichtmetallisches Bauteil, das ein mit zwei Montagebohrungen mit zueinander parallelen und durch eine kurze Distanz beabstandeten Achsen versehen ist,
• eine im Strahlrohr befestigte metallene Tragkonstruktion, die mit einem Lastaufnahmeorgan versehen ist, das gelenkig in eine der Montagebohrungen eingreift, und
• einen flexiblen, aber im wesentlichen nichtdehnbaren Gurt, der mit einem Ende an der metallenen Tragkonstruktion verankert ist und mit seinem anderen Ende gelenkig mit der zweiten Montagebohrung zusammenwirkt.
• Die Erfindung und ihre Umsetzung in die Praxis wird nachstehend unter lediglich beispielshalber Bezugnahme auf die in den anliegenden Zeichnungen dargestellte Anordnung mehr im einzelnen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 eine Ansicht der mechanischen Halteanordnung eines Nacherhitzungsflammenhalters in einem Gasturbinentriebwerk aus der Schnittebene AA in den Fig. 2 und 3 zeigt
• Fig. 2 eine Darstellung der Halterung in der Schnittebene BB in Fig. 1 zeigt, und
• Fig. 3 ein Segment eines Nacherhitzungsflammenhalterrings in Blickrichtung von hinten nach vorne zeigt.
• Gemäß den Zeichnungen ist ein Flammenhalter 2 gelenkig an einem Konsolträger 4 montiert. Der Flammenhalter 2 ist, wie bereits erwähnt, ein Teil des Nacherhitzungssystems eines Gasturbinentriebwerks. Die Nacherhitzungsbrennstoffeinsprit zer, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden, sind aus den Zeichnungen weggelassen, wurden aber stromauf der Flammenhalter liegen, d.h. in den Fig. 1 und 2 grundsätzlich links bzw. in Fig. 3 in Blickrichtung. Der Träger 4 ist am hinteren Ende einer Ringwand 6 montiert, die einen Basistriebwerk-Heißgasströmungsweg 8 von der verhältnismäßig kühleren Luft aus einem Triebwerksbypasskanal 10 trennt. Eine Mehrzahl von Flammenhaltern 2 ist in ringförmiger Anordnung vorgesehen, so daß sie stromab der Niederdruckturbine (ebenfalls nicht dargestellt) radial einwärts in das Strahlrohr vorstehen. Das Strahlrohr ist in Fig. 3 mit 12 bezeichnet.
• Erhöhte Turbinenauslaßtemperaturen führen dazu, daß die Flammenhalter 2 nicht nur größeren Wärmebeanspruchungen ausgesetzt sind, sondern einer für Metallegierungsmaterialien, aus welchen die Flammenhalter herkömmlicherweise aufgebaut sind, auch wesentlich ungünstigeren Gesamteinflüssen. Die vorgesehene Lösung sieht einen Ersatz des stark beeinträchtigten Materials durch Alternativen vor, die gegen die Extreme der herrschenden Bedingungen weniger empfindlich sind. Für die Flammenhalter sind nichtmetallische Werkstoffe wie beispielsweise Kohle/Kohle-Kompositwerkstoffe gewählt.
• Jedoch ist eine einfache Substitution eines alten Bauteils durch ein neues Bauteil wegen der beträchtlich unterschiedlichen Wärmedehnungseigenschaften der neuen Bauteile nicht ohne weiteres möglich. Ein erhöhter Wärmeübergang auf die innere Kanalwand 6 infolge der höheren Gastemperaturen kann durch ein vergrößertes Kühlluftvolumen aus dem umgebenden Bypasskanal 10 auf der kühleren Seite der Wand kompensiert werden. Obwohl die Halterungen gekühlt werden können, müssen die Flammenhalter den gesteigerten Temperaturen standhalten. Die neuen Materialien besitzen jedoch wesentlich geringere Wärmedehnungskoeffizienten als das für die Kanalwand 6 und die Träger 4 verwendete Metall. Der sich daraus ergebende Wärmedehnungsunterschied muß bei der Konstruktion der Halterungen ermöglicht werden.
• Ein Flammenhalter 2 besteht aus einem länglichen Bauteil, das über einen wesentlichen Teil seiner Länge die Form einer im Querschnitt V-förmigen Rinne hat. Die offene Seite der Rinne weist stromabwärts, d.h. in Richtung des Gasstroms und zur Triebwerksabgasdüse hin. Das radial äußere Ende Flammenhalters, an welchem er gehaltert ist, also ist massiv. Die Wände können dicker werden und die Tiefe der Rinne kann fortschreitend abnehmen, so daß die dickeren Wände an beiden Seiten der Rinne zur Bidung des massiven Endes zusammenlaufen.
• Jeder Flammenhalter hat an seinem proximalen Ende zwei Montagebohrungen 14, 16. Die erste Bohrung 14 hiervon verläuft durch den massiven Teil des Bauteils, um einen lasttragenden Montagestift 18 aufzunehmen, der vom Träger 4 gehalten wird.
• Fig. 2, welche einen Querschnitt durch die Halterung in der Ebene BB in Fig. 1 zeigt, stellt die gelenktige Montage des Flammenhalters deutlicher dar. Der Träger 4 weist einen ausgesparten Teil 20 zur Aufnahme des Flammenhalters auf, der eine komplementäre Form hat, d.h. im Querschnitt etwa V- förmig ist, wobei die offene Seite der V-förmigen Aussparung stromabwärts weist. Die Flanken des V-förmigen Trägers sind miteinander gegenüberliegenden Bohrungen ausgebildet, um den Montagestift 18 aufzunehmen.
• Der Flammenhalter 2 ist mit einer keramischen Verschleißbuchse 22 in der Bohrung 14 versehen, um Oberflächen-, d.h. Hertz'sche Spannungen auf das Kohle/Kohle-Material zu verringern und Verschleiß einer Oberflächenbeschichtung aufgrund relativer Bewegung des Stifts 18 zu vermeiden. Der Stift 18 haltert also den Flammenhalter relativ zur Tragkonstruktion in innerhalb enger Grenzen, die durch das Spiel zwischen dem Flammenhalter 2 und dem Träger 4 gegeben sind, in gelenkiger Weise.
• Die zweite Montagebohrung 16 ist im Flammenhalter parallel zur ersten Bohrung 14 und mit Abstand von dieser gebildet. Die Breite des Flammenhalters bei der beschriebenen Ausführungsform nimmt zum Montageende zu, um den zulässigen Abstand zwischen den Montagebohrungen vergrößern zu können. Die zweite Montagebohrung ist über ein Befestigungselement einer Konstantdrehmomentbauart mit einem nichtdehnbaren Gurt 26 verbunden.
• Das Befestigungselement 24 weist eine Schraube 28 auf, die in eine Gewindehülse 30 eingeschraubt ist. Der Kopf der Schraube 28 greift in eine keramische Verschleißbuchse 32 ein, die in der Bohrung 16 in einer Seitenwand des Flammenhalters gehalten ist. Die Hülse 30 weist einen Senkkopf auf, der in einer Ansenkung der Bohrung 16 in der gegenüberliegenden Seitenwand des Flammenhalters sitzt. Beim Zusammenbau wird das Befestigungselement 24 auf ein vorgegebenes Drehmoment angezogen, wobei die Konstruktion sicherstellt, daß die Schraubenvorspannung bei allen Betriebsbedingungen aufrechterhalten bleibt.
• Das Befestigungselement ergreift den Gurt 26, der einen an einer Blattfeder befestigten Zapfen aufweist. Der Gurt 26 besteht aus einem dünnen flexiblen Mittelabschnitt 34 mit verhältnismäßig dickeren starren Enden 36, 38. Das eine Ende 36 ist am Träger 4 verankert, der von der Tragkonstruktion gehalten wird, während das andere Ende in der V-förmigen Aussparung des Flammenhalters sitzt und vom Befestigungs element 24 gehalten wird. Die fehlende Dehnbarkeit des Gurts 26 bewirkt die Festlegung des Flammenhalters 2 gegen eine Schwenkung um den Stift 18. Die Flexibilität des elastischen Mittelabschnitts 34 ermöglicht aber eine begrenzte Relativbewegung des Stifts 18 und der Schraube 28 in der Ebene ihrer Achsen. Dadurch kann die Blattfeder einen Wärmedehnungsunterschied aufgrund der Ungleichheit der Wärmedehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien aufnehmen.
• Ein Wärmeschild bzw. eine Verkleidung 40 in Form eines Löffels ist zum Schutz der Festlegungsblattfeder 26 und der Zapfenhalterung gegen die schädlichen Einwirkungen der Verbrennungstemperaturen vorgesehen. Die Abschirmung 40 ist als einfaches Preßteil bzw. Metallblechteil in Form einer Haube ausgebildet, die auf dem Zapfen koaxial mit dem Befestigungselement 24 montiert ist. Die Seitenteile der Abschirmung sind durchbrochen, damit das Befestigungselement 24 hindurchverlaufen kann, und die Unterseite ist so geformt, daß sie unter dem und teilweise um das Befestigungselement und mit Abstand vom Zapfenende der Halterung verläuft, um einen Luftkanal zwischen ihr und den heißesten Verbrennungsbereichen herzustellen.
• Die Abschirmung ist außerdem mit einem nach vorne ragenden Teil 42 versehen, was in Längsrichtung mit Bezug auf die Triebwerksachse verläuft. Ein Radialflanschteil des ringförmigen Halters 4, an welchem die Mehrzahl der Flammenhalter montiert ist, ist bei jedem Flammenhalter durch eine von einer Vielzahl von Öffnungen 44 durchbrochen, die in Umfangsrichtung mit Abständen um das Strahlrohr angeordnet sind. Jede solche Öffnung 44 stellt eine Kühlluftdurchtrittsöffnung aus dem Triebwerksbypasskanal 10 her, durch welche die Kühlluft die Zapfenhalterung erreichen kann. Der verlängerte Teil 42 eines Wärmeschilds verläuft durch jede dieser Öffnungen hindurch und wirkt als Luftschöpflöffel, um dadurch Kühlluft zur Zapfenhalterung und zur Kühlung der Blattfeder zu leiten.

Claims (9)

1. Anordnung zur Halterung eines Bauteils an einer Tragkonstruktion mit verhältnismäßig großem differentiellem Wärmedehnungskoeffizienten, mit

einem Lastaufnahmeelement (18) an der Tragkonstruktion (4), das für ein drehbares Zusammenwirken mit einem Konsolträger für das Bauteil (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

das Bauteil (2) ein mit zwei Montagebohrungen (14, 16) versehenes Ende aufweist, deren Achsen parallel zueinander verlaufen und die um eine kurze Distanz auseinander liegen, und

ein elastisches Festlegungsorgan (26) mit einem Ende (36) an der Tragkonstruktion (4) verankert ist und mit dem entgegengesetzten Ende (38) drehbar mit der zweiten Montagebohrung (16) zusammenwirkt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Festlegungsorgan (26) ein flexibler Gurt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Gurt (26) eine Blattfeder mit einem flexiblen dünnen Abschnitt (34) ist, der quer zu einer die Montagebohrungen (14, 16) schneidenden Ebene verläuft, und starre Enden (36, 38) aufweist, um das eine Ende (36) an der Tragkonstruktion (4) und das andere Ende (38) an dem Bauteil (2) zu befestigen.

4. Anordnung zur Halterung eines nichtmetallischen Bauteils (2) an einer Tragkonstruktion (4) im Strahlrohr eines Gasturbinentriebwerks, mit einem Lastaufnahmeelement (18) an der metallenen Tragkonstruktion (4), das am Strahlrohr befestigt ist und für das drehbare Zusammenwirken mit einem das Bauteil (2) haltenden Konsolarm ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

das Bauteil (2) ein mit zwei Montagebohrungen (14, 16) versehenes Ende aufweist, deren Achsen parallel zueinander verlaufen und die durch eine kurze Distanz voneinander getrennt sind, und

ein flexibler, aber im wesentlichen nicht dehnbarer Gurt (26) mit einem Ende an der metallenen Tragkonstruktion (4) verankert ist und mit dem entgegengesetzten Ende (38) drehbar mit der zweiten Montagebohrung (16) zusammenwirkt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Gurt (26) eine Feder aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Gurt (26) eine Blattfeder mit einem flexiblen dünnen Abschnitt (34) ist, der quer zu einer die Montagebohrungen (14, 16) schneidenen Ebene verläuft, und starre Enden (36, 38) aufweist, um das eine Ende (36) an der Strahlrohrkonstruktion (4) und das andere Ende (38) an dem Bauteil (2) zu befestigen.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verkleidungsorgan (40) in der Nachbarschaft des flexiblen Gurts (26) zum Abschirmen des Gurts gegen den heißen Gasstrom (8).

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verkleidungsorgan (40) so angeordnet und ausgebildet ist, daß es Kühlluft (10) zu dem flexiblen Gurt (26) leitet.

9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel zum Leiten von Kühlluft (10) aus einem Triebwerksbypasskanal in das Verkleidungsorgan (40).