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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinentriebwerks-Brenneinrichtung.
Insbesondere betrifft sie die Verbindung von aus Hochtemperaturmaterialien
hergestellten Komponenten, die normalerweise nicht schweißbar sind
und beträchtlich
unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten
haben.
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Die Betriebstemperaturen von Brenneinrichtungen
sind bis in jüngste
Zeit durch die Leistungsfähigkeit
des Materials begrenzt gewesen, und Einzelzylinderrohr-Brenner,
Rohr-Ring-Brenner
oder Ringbrenner sind aus Metalllegierungen hergestellt wurden,
die gewöhnlich
durch Schweißen
leicht miteinander verbindbar sind. Da in manchen Brennerkonstruktionen
die Spitzenbrenntemperaturen über
den Schmelzpunkt der herkömmlichen
Legierungskomponenten angehoben worden sind, sind Kühltechniken und
Hochleistungsmaterialien entwickelt worden. Oftmals sind diese Materialien,
wie beispielsweise Keramikmaterialien, Kompositmaterialien und manche
der höher
leistungsfähigen
Nickellegierungen, nicht schweißbar,
und es müssen
alternative Verbindungstechniken eingesetzt werden.
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Ein Beispiel dieser Entwicklungen
ist die gut bekannte Konstruktion einer Brenneinrichtung, bei welcher
der Brennkammerkopf durch Hitzeschildsegmente, wie sie beispielsweise
im US-Patent Nr. 4 843 825 beschrieben sind, oder Ziegel abgeschirmt
ist, die an der Innenfläche
der Dosierplatte im Kopf gehalten werden. Diese Hitzeschildziegel
sind aus einer nichtschweißbaren
Legierung oder vielleicht einem Keramikmaterial hergestellt und
sind mittels Zapfenbefestigungselementen montiert. Mindestens ein Zapfen
oder beabstandetes Fußteil
ist an der Rückseite
des Hitzeschilds gebildet und trägt
einen Gewindeschaft, der lang genug ist, um durch eine Spielraum
aufweisende Bohrung in der Dosierplatte hindurchzwagen und an deren
Rückseite
mit einer Haltemutter gesichert zu werden. Obwohl dieses Verfahren
einen Gewichtsnachteil mit sich bringt, ist es trotz des gegebenen
Gesamtgewichts der Brenneinrichtung gegenüber der erzählten zusätzlichen Brennerleistung als
akzeptabel beurteilt wurden.
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Jedoch geht der anhaltende Trend
der Brenneinrichtungskonstruktion dahin, sowohl die mechanische
Größe der Brenneinrichtungen
zu verringern als auch die Verbrennungstemperaturen zu steigern. Aus
Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgründen gibt
es eine minimale Größe für Schraubzapfen
und Haltemutterbefestigungselemente, die daher einen zunehmend signifikanten
Anteil zum Gewicht der Brenneinrichtung beitragen. Des weiteren
vergrößern sie
die Bauteileanzahl der Brenneinrichtung in einer Zeit, wo ein Gesamttrend
zur Verringerung der Anzahl von Komponenten in einem Triebwerk besteht.
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Die vorliegende Erfindung sucht diese
Nachteile durch Schaffen einer Brenneinrichtung zu überwinden,
bei welcher die Komponentenverbindungen einfacher, leichter und
weniger Komponenten als bisher umfassend sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist daher eine Gasturbinentriebwerks-Brenneinrichtung vorgesehen,
die aufweist
ein Brennkammerrohr mit einem zylindrischen Teil, dessen
stromaufwärtiges
Ende mit einem erhabenen Rand ausgebildet ist,
einen Brennkammerkopf
mit einer Dosierwand und einem Hitzeschild,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die
Dosierwand mit einer verformbaren Lippe ausgebildet ist, und das
Rohr, die Dosierwand und der Hitzeschild so zusammengebaut sind,
daß Teile
des Hitzeschilds zwischen der Dosierwand und dem Rohr durch die
verformbare Lippe an der Dosierwand des Brennkammerkopfs festgelegt
sind, die gebördelt oder
gewalzt ist, um den erhabenen Rand des Rohrs zu umgreifen.
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Vorzugsweise ist weiter vorgesehen
eine
Gaturbinentriebwerks-Brenneinrichtung dieser Art für eine ringförmige Brennkammer,
wobei das Rohr die radial äußere Wand
der Brennkammer bildet, der Brennkammerkopf eine ringförmige Dosierwand
aufweist, und die verformbare Lippe als Teil des radialäußeren Umfangs
der Wand ausgebildet ist und der erhabene Rand das stromaufwärtige Ende
des Rohrs bildet.
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Bei einer Brenneinrichtung, die eine
Mehrzahl von teilringförmigen
Hitzeschildsegmenten aufweist, die in einer ringförmigen Anordnung
angeordnet sind, bilden die eingeschlossenen Teile des Hitzeschilds
vorzugsweise radial einwärts
und auswärts verlaufende
Vorsprünge.
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Die Erfindung und in die sie in die
Praxis umgesetzt werden kann, wird nunmehr beispielshalber mit Bezug
auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
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1 eine
teilweise geschnittene perspektivische Darstellung des stromaufwärtigen Endes
einer Hochtemperatur-Brennkammer,
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2 eine
Querschnittsdarstellung in einer Radialebene A-A in 1,
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3 eine
auseinandergezogene Darstellung von 2,
wobei die einzelnen Komponenten dargestellt sind,
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4 eine
perspektivische Darstellung eines der Hitzeschildsegmente in der
vorhergehenden Zeichnung, und
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5 eine
Querschnittsdarstellung ähnlich 2 einer zweiten Ausführungsform.
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug
genommen, wo in 1 ein
Teil einer ringförmigen Brenneinrichtung
in teilweise aufgeschnittener perspektivischer Darstellung im Blick
stromaufwärts
zum Kopf der Brennkammer dargestellt ist. Teile des Gasturbinentriebwerks
wie beispielsweise Verdichterstufen, Turbinenstufen, Verbindungswellen
oder Wellen und sogar die Brennkammer umgebende Konstruktionsteile,
die aber nicht an der Erfindung beteiligte Teile sind, sind der
Klarheit halber weggelassen.
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In der Zeichnung ist also dargestellt,
ein Brennkammeraußenrohr 2 ein
Brennkammeraußenrohr 2,
ein Innenrohr 4, eine Lufteintrittsdosierwand 6 und
ein Hitzeschild, der allgemein mit 8 bezeichnet ist, und
der aus einer Mehrzahl von Hitzeschildsegmenten mit glei cher Bezugszahl
besteht. Die in 1 dargestellte
Anordnung umfasst auch einen Haltering 10. Die stromaufwärtige Grenze
der Brennzone 16 wird durch die Dosierwand 6 gebildet,
die auf der heißen
Seite, d. h. der Brennzone 16 zugewandten Seite, durch
den Hitzeschild 8 geschützt
ist.
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Sowohl das Außenrohr 2 als auch
das Innenrohr 4 haben eine grundsätzliche zylindrische Form, mindestens über die
abgebildete axiale Länge,
und sind koaxial angeordnet. Diese beiden Komponenten sind aus einer
Kobaltbasislegierung mit Hochtemperaturspezifikation, wie beispielsweise
MARM 002, gegossen, um wohl auch andere Legierungsmaterialien mit
gleich guter oder besserer Temperaturbeständigkeit verwendet werden können. Alternativ kann
eines oder beide der Rohre 2, 4 aus einem keramischen
oder Kompositmaterial hergestellt sein, beispielsweise aus einem
Metallmatrix/Keramik-Kompositmaterial.
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Die Rohre 2, 4 sind
mit einer Mehrzahl von verteilten Durchgangsöffnungen, von denen einige bei 12, 14 dargestellt
sind, zum Lufteintritt in eine Brennzone 16 ausgebildet,
die den Ringraum zwischen den Rohren 2 und 4 einnimmt.
Diese Luft, welche die Verbrennung unterstützt, wird aus einem in den
Zeichnungen nicht dargestellten Verdichter zugeführt und bewegt sich grundsätzlich von
rechts nach links in den 1 bis 3 der Zeichnungen. Ein Teil
der Luft wird durch einen Brennkammerkopfbereich und durch Brennstoff/Luft-Mischgeräte geleitet, beispielsweise
Luftsprühbrenner,
die ebenfalls nicht dargestellt sind. Eine Mehrzahl solcher Brenner
ist um die Dosierwand 6 am stromaufwärtigen Ende der Brennzone 16 angeordnet
und diese können
durch Öffnungen
in der Dosierwand und dem Hitzeschild hindurchragen oder ausblasen.
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Die Anordnung zur Montage der Brennkammerkomponenten
nimmt die Dehnung der einzelnen Komponenten auf, wodurch ein gewisses
Maß an Relativbewegung
zwischen einigen der Komponenten ermöglicht wird, während andere
fest unter Verbindungstechniken aneinander befestigt sind, welche die
Nichtspeisbarkeit der Komponentenmaterialien berücksichtigen. Diese Komponentenmaterialien können daher
nicht schweißbare
Hochtemperaturlegierungen sowie auch Keramik- und Kompositmaterialien
sein, beispielsweise metallverstärktes
Keramikmaterial.
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Die Dosierwand 6 ist höchstwahrscheinlich aus
einer Metalllegierung hergestellt, wahrscheinlich einer Nickellegierung,
die eine Hochtemperaturlegierung sein kann, aber dies ist nicht
absolut notwendig, weil diese Wand sich in einer relativ kühlen Umgebung
befindet, das sie vollständig
innerhalb eines Förderluftstroms
vom Verdichter liegt. Die Wand 6 besteht aus einem einzigen
ringförmigen
Bauteil 20, in welchem eine Mehrzahl von beabstandeten
Brenneraufnahmeöffnungen 22 gebildet
ist. Innen- und Außenumfang
des ringförmigen
Bauteils 20 haben über
ihre gesamte Länge
integrale abstehende Lippen 24, 26. Diese sind
beide an der gleichen Seite des Bauteils angeordnet und verlaufen
bei der Anordnung in stromabwärtiger
Richtung. Auf der entgegengesetzten Seite des Bauteils 20 und
angrenzend an seinem Innenumfang verläuft in stromaufwärtiger Richtung
ein ungefähr
zylindrischer Flansch 28, der in einer radialen, auswärts gebogenen
Lippe 30 endigt (2).
Mittels dieser Lippe kann der Flansch 28 rückseitig
mit dem stromabwärtigen
Ende des Verdichters oder Brennkammergehäuses (nicht dargestellt) befestigt,
zum Beispiel verschraubt werden. Die Dosierwand 6 ist dadurch
fixiert und innerhalb des Triebwerks abgestützt. Es ist klar daß die Art
der Brennkammer, ob sie der Axial-, Umkehrstrombauart usw. angehört, die
Erfindung nicht beschränkt.
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Der Hitzeschild 8 ist an
der heißen
Fläche,
d. h. der Brennzonenseite, der Dosierwand 6 angeordnet,
und weist darin gebildete Brenneraufnahmeöffnungen 32 auf. Die Öffnungen
können
durch ein kurzes Stück
einer zylindrischen Wand 34 gebildet sein, die von dem
ebenen Flächenteil 36 des
Hitzeschilds vorsteht. Diese zylindrische Wand ist außen so dimensioniert,
daß sie
satt in die Dosierwandöffnungen 22 paßt, und
ist innen so dimensioniert, daß sie
die Brennstoff/Luft-Gemischbrenner (nicht dargestellt) aufnimmt,
die Dichtungsringe haben können.
Der Hitzeschild kann als ein einziges ringförmiges Bauteil ausgebildet
sein, wobei in diesem Fall Abmessungen und Toleranzen vorgesehen
sein müssen,
um der unterschiedlichen Wärmedehnung
zwischen den Hitzeschild und der Dosierwand Rechnung zu tragen.
Jedoch wird bevorzugt, den Hitzeschild 8, wie in den 1 und 4 der Zeichnungen dargestellt, als Mehrzahl
von teilringförmigen
Segmenten aufzubauen. Beispielsweise kann eine Gesamtzahl von 16 gleichen
Segmenten vorhanden sein, die jeweils einen Winkel von 22,5° vom Zentrum
des Rings überspannen.
Weiter wird bevorzugt, daß diese
Anzahl gleich oder ein Mehrfaches der Anzahl der Brenner ist. In
einer Brennkammer mit 16 Hitzeschildsegmenten und 16 Brennern
ist also jedes Segment aus gebildet, wie in 4 dargestellt, aber in einer Brenneinrichtung mit 16 Hitzeschildsegmenten
und 8 Brennern ist nur die Hälfte der Segmente, wie in 4 dargestellt, und die Hälfte von
ihnen ist massiv und eben.
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Zusammenfassend kann also die ringförmige Dosierwand 6 also
aus einer herkömmlichen
Nickellegierung aufgebaut werden und wird an allen ihren Flächen durch
Verdichterförderluft
bespült.
Die Wand trägt
den Kopf der Brennkammer und bewirkt eine axiale Festlegung über den
Flansch 28 und muß mindestens
ein Teil der Kräfte
auf die Brennkammerrohre tragen. Folglich ist die Wand, die aus
einer geeigneten Legierung gemacht ist, einer beträchtlichen Wärmedehnung
ausgesetzt. Die Brennkammerrohre 2, 4 arbeiten
normalerweise auf einer beträchtlich
höheren
Temperatur als die Dosierwand 6, da die Rohre der direkten
Strahlung vom Verbrennungsprozeß ausgesetzt
sind, während
die Wand 6 durch den Hitzeschild 8 abgeschirmt
ist. Die Erfindung bezwingt daher die Anpassung des Erfordernisses
der Befestigung der Komponenten aus unähnlichen Materialien, von denen
einige nicht schweißbar
sind und einige Keramikkomponenten aufweisen, die zu signifikanten
unterschiedlichen Wärmedehnungen
Anlaß geben.
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Die nach der Erfindung vorgeschlagene
Lösung
besteht darin, eines der Brennkammerrohre, bei der dargestellten
Ausführungsform
das Außenrohr 2,
mittels einer umgebördelten
Lippe 26 an der Dosierwand zu befestigen. Das Rohr 2 das,
wie man sieht, zum stromaufwärtigen
Ende angrenzend an die Dosierwand zylindrisch ist, ist mit einem
verdickten ringförmigen
Rand 38 ausgebildet, der einen erhabenen Rand, d. h. einen
Rand mit vergrößertem Durchmesser,
um den gesamten Außenumfang
bildet. Dieser erhabene Rand 38 und die ringförmige Lippe 26 bilden
miteinander eine Schiebesitzverbindung, und das distale Ende der
Lippe wird gewalzt oder gebördelt,
um den Rand 38 formschlüssig
zu ergreifen und ein Lösen
zu verhindern. Vorzugsweise werden die Hitzeschildsegmente 8 in
dieser Baugruppe festgeklemmt.
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Jedes der teilringförmigen Hitzeschildsegmente
ist mit radial vorstehenden Positioniernasen 40, 42 ausgebildet,
deren radial äußere Enden
zwischen der Brennkammerseite der Dosierwand 6 und der
Stirnfläche
des Rands 38 am Brennkammerrohr 2 liegen. Dies
positioniert den äußeren Umfang
des segmentierten Hitzeschilds formschlüssig.
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Das innere Brennkammerrohr 4 ist
bezüglich des
Innenradiusumfangs der ringförmigen
Dosierwand 6 positioniert, aber nicht fixiert. Daher wird
ein gewisses Maß an
Axialbewegung und unterschiedlicher Wärmedehnung zugelassen. Die
Positionierung des Rohrs wird durch zwei axial verlaufende Vorsprünge 44, 46 bewirkt,
die durch eine kurze Distanz beabstandet sind und über den
gesamten Umfang des stromaufwärtigen
Endes des Rohrs 4 verlaufen. Der Abstand zwischen diesen
Lippen 44, 46 dient zum Positionieren eines ringförmigen Zapfens 48, der
durch einen vorstehenden Teil des Rings 10 und die Innenumfangslippe 24 an
der Wand 6 gebildet ist.
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Die radial inneren Enden der Hitzeschildsegmentnasen 40, 42 passen
in den Radialraum zwischen dem Umfang der Dosierwandlippen 24, 26 mit einem
Ausdehnungsraum am radial inneren Umfang. Der Ring 10 ist
mit den radial inneren Enden dieser Hitzeschildnasen 40, 42 stumpf
gestoßen,
wobei die ringförmigen
Vorsprünge 48 vom
Hitzeschild und der Dosierwand wegweisen. Die radial innere Lippe 24 ist dann über den
Innenumfang dieses Rings gewalzt oder gebördelt. Daher ist der Innenumfang
des Hitzeschilds 8 relativ zur Dosierwand festgelegt und
eine relative Wärmedehnung
ist durch eine Gleitbewegung der den Hitzeschild abstützenden
Nasen 40, 42 an einer Fläche des Rings 10 möglich. Die
umgebördelte
Lippe 24 und der Ringvorsprung 48 sind so dimensioniert,
daß sie
in den Ringraum zwischen den Rohrvorsprüngen 44, 46 eingreift,
wodurch eine radiale Festlegung des Innenrohrs 4 erreicht
wird, während
eine Axialbewegung ermöglicht
wird.
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5 zeigt
eine zweite Ausführungsform
mit einer alternativen Anordnung zum Halten des Innenumfangs der
Hitzeschildsegmente. Diese modifizierte Anordnung ist eine Weiterentwicklung
er in den 1 und 2 gezeigten Anordnung, und
gleiche Teile tragen gleiche Bezugsahlen. Grundsätzlich besteht die Modifizierung
im Weglassen des Halterings 10 von der Kopfbaugruppe.
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Bei der Anordnung nach dieser zweiten
Ausführungsform
ist der lasttragende Flansch 28, welcher die Dosierwand 6 trägt, entlang
deren Innenumfang auf der Seite der Brennzone 16 mit einer
auswärts
weisenden Nut 50 gebildet. Dies ist alternativ zu der umgebördelten
Lippe 24, die entlang des Innenumfangs der ringförmigen Dosierwand
verläuft Diesen
In nenbereich der Dosierwand ist, anstatt mit einer abstehenden Lippe
ausgebildet zu sein, die anschließend umgebördelt wird, als dickerer Ringbereich
ausgebildet, in welchen die Haltenut 50 eingearbeitet ist.
Dies vermeidet die unvermeidliche Kaltverfestigung des Metalls,
die während
des Bördelprozesses
auftritt. Die Hitzeschildpositioniernasen 42 sind direkt
in die Nut 50 eingesetzt, dieses Mal ohne Zwischenschaltung
eines Halterings. Die der Brennzone 16 zugewandten Flächen der
Nasen 42 liegen an der entsprechenden Innenfläche der
Nut 50 an. Die gegenüberliegende
Fläche
der Nut ist hinterschnitten, um einen Spielraum zu der hinteren
Fläche des
Hitzeschilds zu schaffen, um Reibkontakt zu vermeiden. Die Tiefe
der Nut 50 ist auch ausreichend groß, um eine Differenzdehnungsbewegung
zu ermöglichen.
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Bei der besonderen Ausführungsform
nach 5 ist eine überarbeitete
Hitzeschildkonstruktion dargestellt, bei welcher das kurze Stück der zylindrischen
Wand 34 (siehe 4),
welche eine Brenneraufnahmeeröffnung 32 bildet,
als separates Bauteil 52 anstatt als einstückiges Teil
ausgebildet. Das kurze zylindrische Bauteil 52 trägt zum einen
Ende hin einen nach außen
abstehenden Ringflansch 54 oder radial auswärts vorspringende
Nasen, die zwischen der Dosierwand 6 und dem Hitzeschild 8 sitzen,
um das Bauteil relativ dazu zu fixieren.