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Ringförmige Brennkammer für Gasturbinentriebwerke Bei Verbrennungseinrichtungen
für Gasturbinen: triebwerke, insbesondere für Flrgzeuge, hat man ursprünglich mehrere
rohrförmige Brennkammern im Kreise um die Triebwerkachse angeordnet. Jede Brennkammer
wurde dabei von einem Flammrohr gebildet' das von einem zylindrischen, luftfüh renden
Gehäuse umschlossen ist. Um den Ausbau der Flammrohre zu erleichtern, hat man vorgeschlagen,
die Brennkammern über ihre Länge- in einzelne quer geteilte Abschnitte zu unterteilen
und sie so einzurichten, daß sich die Mittelstücke der Flammrohre zusammen. mit
dem sie umschließenden Teil des zylindrischen Gehäuses als Ganzes abnehmen lassen.
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In neuerer Zeit geht man mehr und mehr dazu über, an Stelle der einzelnen
rohrförmigen, Brennkammern eine ringförmige Brennkammer zu verwenden, bei der innenhalb
des die Triebwerka.chse umschließenden Gehäuses von ringförmigem Querschnitt ein
zu dem Gehäuse konzentrisches Flammrohr von ebenfalls ringförmigem Querschnitt angeordnet
ist, dessen Wände in Abstand von der inneren und äußeren Gehäusewand liegen. Die
Erfindung bezieht sich auf eine solche Brennkammeranordnung.
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Bei diesen Verbrennungssystemen bereitet das Ein- und. Ausbauen der
konzentrisch zur Trieb--,verkach se irnuerhalb des ringförmigen Gehäuses angeordneten,
von einem ringförmigen Flammrohr gebildeten Brennkammer Schwierigkeiten. Zwar hat
man vorgeschlagen, die Brennkammer von außen, her duduroh zugänglich zu machen,
daß man
den die Brennkammer umschließenden Teil der rohrförmigen
Außenwand dies Gehäuses nach hinten oder nach vorn von dem Triebwerk abzieht. Die
Brennkammer läß.t sich diann aber nicht als Ganzes abnehmen, weil sie die Triebwerkachse
und die rohrförmige Innenwand des Gehäuses- umschließt. Um die ringfärmige Brennkammer
dennoch abnehmen zu können:, hat man vorgeschlagen, ihre äußere und innere Wand
aus in Längsrichtung geteilten Wandabschnitten zusammenzusetzen. Dabei ist jede
der beiden Brernnkammerwände in vier bogenförmige Abschnitte unterteilt, die längs
ihrer Kanten durch Schrauben oder sonstige lösbare Verbindungsmittel zusammengehalten
sind. Nach Freilegen der Außenwand) der Brennkammer durch Abstreifen der äußeren
Gehäusewand lassen sich dann zunächst die einzelnen Abschnitte der Außenwand des
Flammrohres und anschließend, soweit erforderlich,, die einzelnen Abschnitte der
Innenwand. des Flammrohres. voneinander lösen und abnehmen. Dies erfordert eine
umständliche Montagearbeit und,- eine beträchtliche Montagezeit, während der das
Triebwerk nicht veirwendbar ist.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet, d's konzentrisch zur Triebwerkachse
innerhalb eines ringförmigen Gehäuses angeordnete Flammrohr so auszubilden, daß
es sieh mit verkürzter Montagezeit ein- und ausbauen und: bei Bedarf auswechseln
läßt, wobei es vorzugsweise zugleich auch so gestaltet ist, daß eine wirksamere
Speisung des Flammrohres mit siekundlärer Verbrennungsluft stattfinden kann.. Die
innere nndi die äußere Wandi des Flammrohres sind hierbei ebenfalls aus in Längsrichtung
geteilten Wandabschnitten zusammengesetzt. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß die längs geteilten Abschnitte der inneren und äußeren Flammrohrwände dfiurch
radiale Verbindungsmittel zu doppelwandigen. Ringrohrsegmenten vereinigt sind, die
nach Entfernen der Außenwand des Gehäuses und nach Lösen ihrer Befestigungsmittel
je im ganzen als zusammenhängende Flammrohrabschnitte von der Innenwand des Gehäuses
abnehmbar sind. Die doppelwandigen Flammro-hrabschnitte sind vorzugsweise durch
längs ihrer Teilungsfugen sich erstreckende radiale Trennwände zu getrennten Brennkammern
ausgestaltet, wobei diese Trennwände zweckmäßig in Abstand von den Trennfugen liegen
und luftführende Längskanäle zwischen sich frei lassen, aus, denen die Brennkammern
zusätzlich und besonders wirksam mit Sekundärluft gespeist werden können. Hierdurch
wird zugleich auch eine verbesserte Kühlung der Brennkammerwände erzielt. Die Befestigungsmittel,
mit denen die Ringrohrsegmenbe untereinander verbunden sind, liegen zweckmäßig im
Bereich. dieser luftführenden Längskanäle, so daß sie gegen. Wärmeaufnahme, Wärmedehnungen
und hierdurch bedingtes Lockern und Undichtwerden gesichert sind.
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Außerdem sieht die Erfindung Maßnahmen vor, um eine wirksame Kühlung
der zwischen den benachbarten Teilen des ringförmigen Flammrohres befindlichen Flächen
zu erzielen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für Brennkammern nach der
Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Seiftienunsicht eines teilweise
aufgeschnittenen Gasturbinentriebwerks mit ringförmiger Brennkammer, Fig. a eine
perspektivische Ansicht eines Teils dies teilweise aufgeschnittenen Triebwerks.,
und zwar der Brennkammern der Turbine und benachbarter Baubeile, in größerem Maßstabe,
Fig.3 einen Querschnitt durch das Triebwerk nach der Linde 3-3 von, Fig. i in größerem
Maßstab, Fig. q. einen Querschnitt durch einen Teil der Brennkammer in noch größerem
Maßstab zur Veranschaulichung anderer Mittel für die Verbindung zweier Teile des
ringförmigen, Flammrohres und zur Befestigung dies Flammrohres an dien äußeren Gehäuse
einer ringförmigen Brennkammer, Fig. 5 einen Schnitt durch das Flammrohr nach Linie
5-5 von Fig. q. und Fig. 6 einen Teilquerschnitt entsprechend Fig. q. mit Einzelheiten
für die Befestigung des. Flammrohres an dien äußeren Gehäuse einer ringförmigen
Brennkammer.
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Das in Fig. i dargestellte Gasturbinentriebwerk weist einten Axialverdfiichter
io, eine Brenneinrichtung mit -der a11-gemeinen, Bezeichnung i i und eine Turbine
12 auf, die alle gleichachsig hintereinander angeordnet sind!. Der Verdichter und
die Turbine sind durch die Welle 13 miteinander verbunden, die in einem vorderen
Lager 1q,, einem mittleren Lager r5 und, einem hinteren Lager 16 gelagert ist.
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Die Welle 13 ist von einem äußeren ringförmigen Gehäuse
17 und einem inneren ringförmigen Gehäuse 18 umgeben, die zusammen eine ringförmige
Brenn'kanimer ig bilden. Diese Kammer enthält ein ringförmiges Flammrohr 2o, das
gleichachsig mit den Gehäusen 17 und 18 angeordnet ist und in Längsrichtung
in zwei voneinander - trennbare Hälften 2i unterteilt ist, die im Querschnitt Ringsegmentform
haben (Fig. 3). Jeder -dieser Teile besteht aus einer im wesentlichen halbzylindrischen
inneren Wand 22 und einer entsprechenden äußeren Wand 23. Zwei etwa in Längsrichtung
verlaufende Trennwände 2¢ erstrecken sich radial zwischen diesen Wänden im, der
Nähe der Längskanten jedes Teils und sorgen für den. richtigen Abstand der
Wände. Die Wände und die Trennwände zusammen bilden in jedem Teil eine Brennzone
25 von halbringförmigem Querschnitt. Die Zwischenwände sind i nicht ganz außen an
den Wänden 2:2. und 23 vorgesehen, sondern in einigem Abstand von deren Längskanten
entfernt, und laufen an dem in Strömungsrichntung hinteren Ende bis an diese Kanten
heran, so daß nach dem Zusammenbau der beiden Teile des Flammrohres zu einem vollen
Ring die ne#beneinand erliegenden Zwischenwände in Längsrichtung verlaufende längliche
Kanäle 26 bilden, denen Querschnitt in Strömungsrichtung immer kleiner wird und
die am hinfiteren Ende geschlossen sind,. Die Verbindung der, beiden Teile
des
Flammrohres miteinander erfolgt mittels radialer Fl.ansdIe 27, die an der Außenfläche
der äußeren Wand 23 jeder Hälfte entlang ihren, Längskanten vorgesehen sind. Diese
Flansche weisen mehrere Löcher 28 auf, durch die Schraubbolzen 29 gesteckt werden..
Die Kanten der inneren Wände 22 der beidem Teile des Flammrohres weisen Bördelungen
oder Flansche 27' auf, die nicht fest miteinander verbunden sind, sondern nur aneinanderliegen,
wenn die Flansche 27 der äußeren. Wände miteinander verschraubt sind. Wenn. die
beiden Teile dies Flammrobmes miteinander verbunden sind, wird eine Verbindung zwischen
den beiden Brennzonen 25 durch Rohre 3o hergestellt. Diese Rohre sind' an: Rohrstutzen
31 befestigt, die an den Zwischenwänden 24 sitzen. Das vordere Ende jeder Flammrohrhälfte
ist zwischen den Zwischenwänden 24 durch, ein quer liegendes Leitblech: 32 abgeschlossen,
in dem mehrere Löcher 33 in Abständen vorgesehen sind, durch die Primärluft in die
Brennzonen 25 gelangen, kann. Brennstoffdüsen 34 befinden; sich- in der Mitte jedes
dieser Löcher und- werden in dieser Lage durch als schräg gestellte Schaufeln ausgebildete
Rippen 35 gehalten, die der eintretenden Luft einen Drall erteilen. Die vorderen
Enden dl--r Kanäle 26 sind, nicht geschlossen. Der Zutritt von Sekundärluft zu den
Brennzonen wird durch Löcher 36 in den Zwischenwänden und weitere. Löcher 37 in
den inneren und äußeren Wänden des Flammrahnes gewährleistet.
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Der Einbau der Brennkammer und des Flammrohres in das Triebwerk ist
schwierig, und zwar teils deshalb, weil die Befestigung des Flammrohres so erfolgen
muß, daß es sich bei Erhitzung ausdehnen kann, und teils deshalb, weil die äußeren
und inneren Gehäuse 17 und', 18 das Gewicht des allgemein mit 38 bezeichneten Turbinenleitwerks
und des allgemein mit 39 bezeichneten Vortriebsdüsenkonus aufnehmen muß. Die Brennkammer
wird an ihrem vorderen Ende durch ein Diffusorgehäuse 4o getragen, das auch das
Hauptlager 15
enthält. Die Befestigung des äußeren und des inneren Gehäuses
17 und. 18 an dem Diffusorgehäuse erfolgt durch die rundum vorgesehenen Bolzen
40a-Das hintere Ende des inneren Gehäuses 18 trägt ein nach innen gerichtetes kegelstumpfförmiges
Rohrstück 41, an dem das hintere Lager 16 befestigt ist, und außerdem ein nach außen
gerichtetes kegelstumpfförmiges Rohrstück 42, das einen Versteifungsflansch 43 aufweist
und, einen Ring 44 trägt, der die inneren Enden der Turbinenleitschaufeln hält.
Das hinter Ende des äußeren Gehäuses 17 weist einen Flanschteil45 auf, der
mittels Bolzen 45a mit dem äußeren Haltering 46 für die Turbinenleitschaufeln verbunden
ist, sowie einen Versteifungsflansch 47. Der äußere Haltering 46 trägt den Turbinenmantelring
48 und den Vortriebsdüsenkonus 39.
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Das hintere Ende des Flammrohres wird durch die beiden Versteifungsflansche
43 und 47 gehalten und an einer radialen Bewegung gehindert. Bördelungen 49 sind
an der Innen- bzw. Außenfläche der inneren und der äußeren. Flammrohirwand vorgesehen'
um eine begrenzte Längsbewegung zu ermöglichen. An seinem vorderen Ende ist das
Flammrohr dtureh mehrere radiale und nach innen gerichtete Halterohre 5o gehalten.,
die in gleichen Abständen rund um das äußere Gehäuse 17 angeordnet sind.
Die Halterohre sind in in Warzen des Gehäuses vorgesehene Löcher eingesetzt und
weisen einen Kopf auf, mit dem sie sich von außen gegen: die,- Warzen anlegen. Die
inneren Enden der Halterohre passen gleitend. in Rährstutzen 52 hinein, die außen
auf der äußeren Wand23 des Flammrohres sitzen. Das innere Gehäuse 18 ist mit mehreren
im Querschnitt -T-förmigen Schienen 53 versehen, die in: gleichen Abständen in.
Längsrichtung so außen befestigt sind, daß ihr T-Schaft radial nach außen zeigt.
An der dieser Fläche zugewendeten Fläche der inneren Wand des- Flammrohres sind
jeweils zwei im Querschnitt U-förmig-Schienen 54 vorgesehen, die zusammen eine Rinne
bilden, in die der T-Schaft einer Schiene 53 hineirrpaßt. Diese Rinnen gewährleisten,
daß das Flammrohr genau zentrisch innerhalb der Brennikammer liegt, so daß bei Einbau
des äußeren Gehäuses 17 die Halterohre 50 genau in. die Rohrstutzen 52 gelangen;
wenn sie in die Warzenlöeher 5 i hineingesteckt werden. Es ist noch zu erwähnen,
daß, obwohl dus Flammrobraggregat andern inneren, Gehäuse 18 durch die Schienen
53 gehalten wird, wenn; das Triebwerk kalt ist, das Flammrohr sich bei Erhitzung
im Betrieb ausdehnt und dabei die innere Wand- des Flammrohres außer Berührung mit
den im Querschnitt T-förmigen Schienen 53 bringt, so daß dann: das gesamte Gewicht
des Flammrohres durch die Halterohre 5o aufgenommen wird.
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Beim Betrieb des Triebwerks wird Luft durch den Verdichter io angesaugt,
verdichtet und zu der Verbrennungseinrichtung i i gedrückt, wo Brennstoff eingespritzt
wird. Das Gemisch wird verbrannt und strömt durch die Turbine 12, die den Verdichter
io antreibt. Die in die Brennkammer i9 eintretende Luft wird in zwei Teile geteilt,
nämlieh die Primärluft, die in das Flammrohr 2o durch die öffnungen 33 der Leitbleche
32 eintritt, und die Sekundärluft, die in das Flammrohr durch die Löcher 36 und
37 eintritt und die Wändie 22 und 23 des Flammrohres sowie die Zwischenwände 24
kühlt. Die Zwischenwände trennen die Brennzonen 25 von den. Verbindungen zwischen
den Flammrohrhälffien und schützen sie vor Verformungen, und' möglicherweise entstehen
Undichtigkeiten. Der Primärluft wird beim Einströmen durch die Rippen 35 ein: Drall
erteilt, damit sie sich besser mit dem durch die Düsen 34 eingespritzten Brennstoff
vermischt. Eine nicht dargestellte Zündvorrichtung ist zur Einleitung des Verbrennungsvorganges
vorgesehen" doch kann diese Vorrichtung dann ausgeschwenkt werden, weil der Verbrennungsvorgang
sieh selbst aufrechterhält, wenn er einmal in Gang gesetzt ist. Die Verbindungsrohre
3o stellen eine unmittelbare Verbindung zwischen den Brennzonen der beiden Flammroh.rhälften:
her, so daß, wenn die Verbrennung in der.einen Zone unterbrochen wird,
die
Flamme der anderen Zone eine Wiederentzündung herbeiführt. Die Sekundärluft, die
durch dias vordere Endre der Brennkammer in die Kanäle 26 gelangt, strömt durch,
die Löcher 36 in die Flammzone. Sie kühlt dabei die Zw iischwn:wände und verhindert
dadurch deren Ausbrennen. Am hinteren Ende der Brennkammer treffenr die Zwischenwände
zusammen., schließen dIamit die Kanäle 26 ab und. bewirken, daß die Brennzonen a5
zusammen einen vollkommen geschlossenen, Kreisring bilden., aus dem die Brenngase
in die Turbine übertreten.
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Wenn die Brennkammer aus irgendeinem Grunde ausgebaut werden soll,
werden die Bolzen.45" die den. Flanschteil 45 am hinteren Ende des äußeren Gehäuses
17 mit dem äußeren Haltering46 für dtie Turbinenleitschaufeln . verhinden, und die
Bolzen 4o", die das vordere Endre des Gehäuses mit dem Diffusorgeihäuse 4o verbinden,
gelöst und die Halterohre 5o aus den Rohrstutzen. 52 gezogen. Das äußere Gehäuse
17 wird dann nach hinten über das Turbinenleirtverk 38 und den Schubdüsenkonus 39
hinweg abgezogen., damit das Flammrohr 20 freigelegt wird. Dann werden die Verbindungen.
zu den Einspritzdüsen 34 gelöst und, die die Längsflansche 27 verbindenden Bolzen
29 entfernt, so daß die beiden Hälften des - Flammrohres durch Vorschiieben des
Flammrohmes herausgenommen werden können. Durch das Vorschieben kommt dabei die
Bördelung 49 von dir Verstärkungsflanschen 43 und 47 und die T-Schienen 53 von den
Führungsschienen 54 frei. Beim Zusammenbau erfolgen die Arbeitsgänge umgekehrt.
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Es ist zu betonen, daß das Turbinenleitwerk stark genug sein muß,
um das Gewicht des Vortriebsdüsenkonus 39 auf das innere Gehäuse 18 zu übertragen,
wenn das äußere Gehäuse 17 abgenommen ist. Die Vorkehrungen, die im Turbinenleitwerk
38 für die radiale Ausdehnung der Turbinenleitschaufeln und für die während des
Betriebs auftretende unterschiedliche Längenausdehnung des inneren und, des äußeren
Gehäuses 17 und 18 getroffen sind, sind derart, daß sie eine Berührung zwischen
dien Turbinenlaufschaufeln, 12" und dem Haltering 48 nicht zulassen, wenn das äußere
Gehäuse 17 vorn dem kalten Triebwerk abgezogen wird. Die nicht dargestellten Zapfen,
mit denen das Triebwerk .im Flugzeug oder auf einem Transportwagen befestigt wird,
sind an dem Diffusorgehäuse 4o vor dem äußeren Gehäuse 17 vorgesehen und stören
das Abziehen, des äußeren Gehäuses nach hinten nicht.
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Eine abgeänderte Bauart für das Flammrohr und seine Tragvorrichtung
ist in Fig. 4 bis 6 veranschaulicht. Auch hier besteht das Flammrohr aus zwei Teilen,
die allgemein. mit 21ä und 21b bezeichnet sind. Beide haben eine innere Wand22',
eine äußere Wand 23' und, Zwischenwände 24', doch ist irr diesem Falle der radiale
Abstand zwischen den Wänden des einen Flammrohrteils 21ä an seinen Befestigungskanten
größer als der radiale Abstand der Wände an den Verbindungskanten des anderen Flammrohrteilserb
, so daß diese Kanten zwischen die Kanten dies ersten Teils eingeschoben werden
können und so Kanäle 26' bilden. Dünne Metallstreifen-. 55 sind: mittels
Nahtschweißung an den einander zugewendeten Flächen der inneren und der äußeren
Wand' dies. größeren Teils :2i,' befestigt, während auf den voneinander abgewendeten
Flächen der innerem und der äußeren Wand des kleineren Teils 2,v entsprechende Metallstreifen
56 befestigt sind, die radiale Ränder 57 haben, deren Höhe der Dicke der Streifen
55 entspricht. Mehrere Schlitze 58 sind in den Kanten des kleineren FXamm@roh,rteils
2zv und' in den Streifen 56 vorgesehen, während entsprechend angeordnete Löcher
59 in den Kanten des größeren Flammrahrteils 21o' und in den Streifen 55 vorgesehen
sind. Beim Zusammenbau der beiden Teile werden die Schlitze und Löcher zum Decken:
gebracht und' Schraubbolzen 6o hindurchgesteckt, auf deren inneres Ende Muttern
61 aufgeschraubt werden. Die Bolzen sind mit Abstandsmuffen 62 umgeben, deren Länge
dem Abstand der Wände des kleineren Flammrohrteils entspricht. Beim Zusammenbau
der beiden Teile werden die Bolzen 6o durch die Löcher des größeren Teils und durch
die Abstandsmuffen 62 gesteckt und. die Muttern 61 lose angezogen. Dann wird der
kleinere Teil 2zb in den, größeren eingeschoben, bis die radialen Ränder 57 der
Streifen 56 sich gegen. die Kanten der Streifen 55 anlegen. Schließlich: werden
die Bolzen fest angezogen.
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Zur Befestigung dies Flammrohres am äußeren Gehäuse 17' dir Brennkammer
sind: im Querschnitt H-förmige Blöcke 63 an mehreren- Stellen, an denen keine Schraubbolzen
vorstehen, zwischen: dem Flammrohr und dem äußeren Gehäuse vorgesehen. Jeder dieser
Blöcke ist mit, einer radialen mittleren Bohrung 6.4 und zwei Reihen radialer Gewindtbohrungen
6-5 in, den äußeren. Flanschen versehen. Diesen Gewindiebohrungen entsprechende
Durchgangslöcher 66 sind-, in dem äußeren: Gehäuse 17'
und in Deckplatten
67 angeordnet, die an. diesen Stellen außen auf das Gehäuse 17' unter Zwischenlage
einer Dichtung 68 aufgesetzt werden, um Undiohtigkeiten zu vermeiden, durch die
Sekundärluft eintreten könnte. Die Blöcke 63 werden mittels Schraubbolzen 69 und'
Muttern 7o an den. äußeren Wänden des Flammrohres befestigt. Der Zusammenbau erfolgt
in der Weise, daß zunächst die Blöcke 63 an dien, Flammrohr befestigt werden und
dann das Gehäuse 17' über den Sch ubdüsenkonus hinweg nach vorn über das Flammrohr
geschoben wird, wie dies schon beschrieben wurde. Die Dichtungen 68 und Deckplatten
67 werden, dann durch Schrauben 71 befestigt, wobei der Umstand, daß die Löcher
66 etwas größer als die Schrauben sind, die Montage erleichtert. Es ist zu erwähnen,
daß die der Befestigung der Blöcke 63 am Flammrohr dienenden Bolzen auch zur Befestigung
der beiden Flammrahrteile miteinander beitragen.
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Das Flammrohr kann auch aus mehr als zwei Teilen bestehen. Es kann
auch in anderer Weise in der Brennkammer gehalten und der Brennstoff auf andere
Weise, als hier beschrieben, eingespritzt werden. Weiterhin kann: bei genügend kleinem
Außendurchmesser dies Verdichters das äußere Gehäuse
17 zum Freilegen
des Flammrohres auch nach vorn statt nach hinten abgezogen werden.