EP1106927B1 - Verfahren zum Herstellen einer Brennkammer eines Gasturbinen-Triebwerks - Google Patents

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EP1106927B1
EP1106927B1 EP00121120A EP00121120A EP1106927B1 EP 1106927 B1 EP1106927 B1 EP 1106927B1 EP 00121120 A EP00121120 A EP 00121120A EP 00121120 A EP00121120 A EP 00121120A EP 1106927 B1 EP1106927 B1 EP 1106927B1
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EP
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combustion chamber
gas turbine
turbine engine
manufacturing
engine combustion
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Karl Schreiber
Heike Flöge
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49231—I.C. [internal combustion] engine making

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a combustion chamber Gas turbine engine consisting of individual wall parts made by casting consists. For technical reasons, reference is made to the EP 0 753 704 A1.
  • Gas turbine combustors are usually forged and / or rolled rings which are subsequently machined and be drilled appropriately. To achieve increased thermal resilience Thermal barrier coatings are sometimes applied to the rings.
  • the dome of the combustion chamber is particularly highly thermally stressed manufactured in some embodiments as a casting and exists made of a heat-resistant nickel-based cast alloy.
  • the rings and the Combustion chamber domes are usually welded together connected, but has this welded connection, due to the limited thermal load capacity of the required filler metal, not the thermal resilience of the cast material.
  • a gas turbine is described in EP 0 753 704 A1 mentioned above, their combustion chamber and a transition piece adjoining them to the downstream turbine section as cylindrical castings are designed without a weld seam, and in turn by inert gas welding be connected to each other.
  • the individual cast wall parts of a gas turbine combustion chamber can be joined together by laser welding.
  • the casting material is a highly heat-resistant nickel-based casting alloy is due to the low energy input laser welding, a crack-free connection of wall parts made of nickel-based cast materials possible, but no thermally less resilient Filler metal is required.
  • the crack-free weldability was, for example the high-temperature cast alloy C1023 has been verified.
  • the individual wall parts of the combustion chamber can therefore preferably be made using the precision casting process are produced and after the necessary processing of the Joining edges joined by laser welding, i.e. be connected this laser welding also with the now very inexpensive Diode laser is possible. It is preferably the individual Wall parts around segments of the annular or circular Combustion chamber, i.e. one considers the combustion chamber in a direction to the combustion chamber longitudinal axis vertical cross section, so you can see the one Circle or circular ring of wall parts lined up, each segment represent this circle or annulus, and each in the direction the combustion chamber longitudinal axis, preferably over its entire length.
  • several burners are arranged in an annular chamber, in each case on a combustion chamber manufactured according to the invention a wall part or segment can be assigned to a burner.
  • the proposed method results in lower manufacturing costs as well as an increased thermomechanical load capacity of the combustion chamber and resulting in an increased with respect to the gas turbine engine specific power density, a reduced specific fuel consumption, as well as a reduced pollutant emission.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennkammer eines Gasturbinen-Triebwerks, die aus einzelnen durch Gießen gefertigten Wandteilen besteht. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die EP 0 753 704 A1 verwiesen.
Üblicherweise werden Gasturbinen-Brennkammern aus geschmiedeten und/oder gewalzten Ringen hergestellt, die anschließend zerspant und geeignet gebohrt werden. Zur Erzielung einer erhöhten thermischen Belastbarkeit werden teilweise sog. Thermal Barrier Coatings auf die Ringe aufgebracht. Der thermisch besonders hoch belastete Dom der Brennkammer ist in manchen Ausführungsformen als Gußteil hergestellt und besteht dabei aus einer hochwarmfesten Nickelbasis-Gußlegierung. Die Ringe und der Brennkammer-Dom werden üblicherweise durch Schweißen miteinander verbunden, jedoch besitzt diese Schweißverbindung, bedingt durch die eingeschränkte thermische Belastbarkeit des benötigten Schweißzusatzwerkstoffes, nicht die thermische Belastbarkeit des Gußwerkstoffes.
Durch die Fertigungsroute als geschmiedeter Ring mit anschließender Zerspanung und ggf. folgendem Einschweißen des gegossenen Domes ist der Fertigungsaufwand sehr groß. Ferner haben die verfügbaren Schmiedewerkstoffe gegenüber verfügbaren Feingußwerkstoffen Nachteile in der thermo-mechanischen Belastbarkeit von mehr als 100°C, wodurch ein erheblicher Anteil der im Verdichter des Gasturbinen-Triebwerks verdichteten Luft für die Bauteilkühlung auch der Brennkammer benötigt wird und somit für die Verbrennung nicht zur Verfügung steht. Dies wirkt sich ungünstig auf die Leistungsdichte und auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission des Gasturbinen-Triebwerks aus.
In der oben genannten EP 0 753 704 A1 ist eine Gasturbine beschrieben, deren Brennkammer sowie ein sich an diese anschließendes Übergangsstück zum nachgeschalteten Turbinenabschnitt jeweils als zylindrische Gußstücke ohne Schweißnaht ausgebildet sind, und die ihrerseits durch Schutzgasschweißen miteinander verbunden werden. Komplett d.h. einstückig giessbar so wie in dieser Schrift vorgeschlagen sind jedoch nur sehr kleine Brennkammern für Gasturbinen-Triebwerke mit geringer Schubkraft. Im Schubbereich über 10.000 lbs. Startschub ist bereits allein aufgrund der Brennkammergröße und den gestellten Maß- und Qualitätsanforderungen eine Fertigung der Brennkammer durch Gießen nicht wirtschaftlich realisierbar.
Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie auch größere Brennkammern von Gasturbinen-Triebwerken vollständig aus Gußmaterial, d.h. aus durch Gießen gefertigten Wandteilen hergestellt werden können (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung). Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile durch Laserschweißen miteinander verbunden und somit zur Brennkammer zusammengesetzt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß sollen die einzelnen Guß-Wandteile einer Gasturbinen-Brennkammer durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Insbesondere wenn es sich beim Gußmaterial um eine hochwarmfeste Nickelbasis-Gußlegierung handelt, ist aufgrund der geringen Energieeinbringung des Laserschweißens eine rißfreie Verbindung von Wandteilen aus Nickelbasis-Gußwerkstoffen möglich, wobei kein thermisch weniger belastbarer Zusatzwerkstoff benötigt wird. Die rißfreie Schweißbarkeit wurde bspw. an der hochwarmfesten Gußlegierung C1023 nachgewiesen.
Die einzelnen Wandteile der Brennkammer können somit bevorzugt im Feingußverfahren hergestellt werden und nach ggf. notwendiger Bearbeitung der Fügekanten durch Laserschweißen gefügt, d.h. miteinander verbunden werden, wobei diese Laser-Schweißung auch mit den inzwischen sehr preiswerten Diodenlasem möglich ist. Bevorzugt handelt es sich bei den einzelnen Wandteilen dabei um Segmente der ringförmigen oder kreisförmigen Brennkammer, d.h. betrachtet man die Brennkammer in einem zur Brennkammer-Längsachse senkrechten Querschnitt, so erkennt man die zu einem Kreis bzw. Kreisring aneinander gereihten Wandteile, die jeweils Segmente dieses Kreises oder Kreisringes darstellen, und die sich jeweils in Richtung der Brennkammer-Längsachse, bevorzugt über deren gesamte Länge, erstrecken. In einer Ringkammer sind bekanntermaßen mehrere Brenner angeordnet, wobei an einer erfindungsgemäß gefertigten Brennkammer jeweils ein Wandteil bzw. Segment einem Brenner zugeordnet sein kann.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ergeben sich geringere Herstellkosten sowie eine erhöhte thermomechanische Belastbarkeit der Brennkammer und daraus resultierend bezüglich des Gasturbinen-Triebwerkes eine erhöhte spezifische Leistungsdichte, ein reduzierter spezifischer Kraftstoffverbrauch, sowie eine reduzierte Schadstoffemission.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Brennkammer eines Gasturbinen-Triebwerkes, die aus einzelnen durch Gießen gefertigten Wandteilen besteht,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile durch Laserschweißen miteinander verbunden und somit zur Brennkammer zusammengesetzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den einzelnen Wandteilen um Segmente der ringförmigen oder kreisförmigen Brennkammer handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Gußmaterial der Wandteile um eine hochwarmfeste Nickelbasis-Gußlegierung handelt.
EP00121120A 1999-12-09 2000-09-28 Verfahren zum Herstellen einer Brennkammer eines Gasturbinen-Triebwerks Expired - Lifetime EP1106927B1 (de)

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