EP2527743A2

EP2527743A2 - Segmentbauteil aus Hochtemperaturgussmaterial für eine Ringbrennkammer, Ringbrennkammer für ein Flugzeugtriebwerk, Flugzeugtriebwerk und Verfahren zur Herstellung einer Ringbrennkammer

Info

Publication number: EP2527743A2
Application number: EP12169511A
Authority: EP
Inventors: Karl Schreiber; Miklos Gerendas
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: EP2527743A3; DE102011076473A1; US20120304658A1; US8646279B2; EP2527743B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Segmentbauteil aus Hochtemperaturgussmaterial für eine Ringbrennkammer eines Flugzeugtriebwerkes, gekennzeichnet durch eine Brennkammerwand (11, 12), die im Betrieb eine sich entlang einer Brennerachse (21) erstreckende Brennstoffflamme (20) gegenüber der Umgebung abschirmt, wobei die Brennkammerwand (11, 12) eine Ausbuchtung (13, 14) in eine Richtung aufweist, die von der Brennerachse (21) wegzeigt. Die Erfindung betrifft ferner eine Ringbrennkammer, ein Flugzeugtriebwerk mit einer Ringbrennkammer, sowie Verfahren zur Herstellung einer Ringbrennkammer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Segmentbauteil aus Hochtemperaturgussmaterial für eine Ringbrennkammer, eine Ringbrennkammer für ein Flugzeugtriebwerk, ein Flugzeugtriebwerk und ein Verfahren zur Herstellung einer Ringbrennkammer.
Moderne Flugzeugtriebwerke weisen üblicherweise Ringbrennkammern auf, die axial zwischen Verdichter und Turbine angeordnet sind. Eine Ringbrennkammer weist koaxial zur Triebwerkslängsachse einen von Brennkammerwänden begrenzten Ringraum auf, der auch als Flammrohr bezeichnet wird. Entlang des ringförmigen Querschnitts des Ringraums sind die Injektoren für den Brennstoff angeordnet. Im Betrieb erstrecken sich die Brennstoffflammen von diesen Injektoren in den Ringraum hinein.
Aufgrund der hohen thermischen Belastungen müssen die Brennkammerwände entsprechend thermisch stabil ausgebildet sein. So ist es bekannt, die Brennkammerwände mit thermisch besonders belastbaren Platten auszustatten. Aus der EP 1 106 927 ist ein Verfahren bekannt, mit dem der Ringraum einer Ringbrennkammer aus einzelnen Segmenten aus Gussmaterial zusammengesetzt wird, wobei Hochtemperaturgussmaterialien verwendet werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Segmentbauteile für Ringbrennkammern zur Verfügung zu stellen, die thermisch und strömungstechnisch verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Segmentbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei weist eine Brennkammerwand, die im Betrieb eine sich entlang einer Brennerachse erstreckende Brennstoffflamme gegenüber der Umgebung abschirmt, eine Ausbuchtung auf, wobei die Ausbuchtung in eine Richtung zeigt, die von der Brennerachse wegzeigt. Ein Teil eines Segmentbauteils für eine äußere Brennkammerwand einer Ringbrennkammer weist z.B. eine Ausbuchtung auf, die radial nach außen zeigt. Ein Teil eines Segmentbauteils für eine innere Brennkammerwand weist z.B. eine Ausbuchtung auf, die nach außen zeigt. Durch die Ausbuchtungen wird im unmittelbaren Bereich um die Brennerflamme ein größerer Raum geschaffen, indem der Abstand der Brennkammerwände zumindest bereichsweise um die Brennerflamme vergrößert wird.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine innere Brennkammerwand und eine äußere Brennkammerwand, zwischen denen im Betrieb eine Brennstoffflamme entlang einer Brennerachse angeordnet ist, verwendet werden, die z.B. U-förmig angeordnet sind. Dabei weisen dann die innere und / oder die äußere Brennkammerwand eine Ausbuchtung in die Richtung auf, die von der Brennerachse wegzeigt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die mindestens eine Ausbuchtung der Brennkammerwand im Wesentlichen an die Kontur der Brennstoffflamme im Betrieb angepasst ist. Dabei kann vorteilhafterweise die Länge und / oder Breite der Ausbuchung im Wesentlichen der Länge und / oder Breite der Brennstoffflamme im Betrieb entsprechen.
Vorteilhafte Hochtemperaturgussmaterialien sind eine Superlegierung enthaltend Nickel, Chrom, Kobalt und / oder Nickel-Eisen, insbesondere insbesondere Inconel 738/ Inconel 738 LC, Inconel 939 / Inconel 939 LC, Inconel 713 / Inconel 713 LC, C1023, Mar M 002 und / oder CM 274LC. Diese Materialien weisen eine hinreichende Temperaturbeständigkeit auf.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die innere Brennkammerwand und die äußere Brennkammerwand einteilig als Gussteil über einen Brennkammerkopf miteinander verbunden oder die innere Brennkammerwand und äußere Brennkammerwand sind mit einem Brennkammerkopf verbunden. Bei der ersten Variante liegen einstückige Segmentbauteile vor, bei der zweiten Variante liegen zwei Segmentbauteile vor, die miteinander verbunden werden.
Dabei liegt eine vorteilhafte Ausführungsform vor, wenn am Brennkammerkopf mindestens ein Befestigungsflansch angeordnet ist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn am Brennkammerkopf eine Vorrichtung zur Anordnung eines Injektors für Brennstoff vorgesehen ist. Auch kann vorteilhafterweise mindestens ein einstückig an eine Brennkammerwand angeformter Stutzen für Kühlluft vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise weist die Brennkammerwand bei einer Ausführungsform eine mittlere Dicke zwischen 1 und 4 mm, insbesondere 1,4 bis 3 mm auf.
Die Aufgabe wird auch durch eine Ringbrennkammer für ein Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dabei werden mindestens zwei Segmentbauteile gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Ringbrennkammer weisen entlang des Umfangs des Ringraums eine variable Ringraumhöhe auf. Durch die Anpassung der Ringraumhöhe an z.B. Brennerflammen und / oder Injektoren kann die thermische und / oder mechanische Belastung der Wandungen erreicht werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich Bereiche A einer größeren Ringraumhöhe H_RA sich mit Bereichen B einer geringeren Ringraumhöhe H_RB entlang des Umfanges abwechseln, so dass die Brennkammerwände eine Art wellenartige Struktur ausbilden
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn Bereiche mit einer größeren Ringraumhöhe und Bereiche mit einer kleineren Ringraumhöhe gebildet werden, wobei im Zusammenbau Injektoren für den Brennstoff in den Bereichen mit der größeren Ringraumhöhe angeordnet sind. Die Bereiche der größeren Ringraumhöhe geben der Brennstoffflamme mehr Platz und schirmen sie gegen Störungen im Ringraum ab.
Ferner sind in vorteilhaften Ausgestaltungen die Segmentbauteile untereinander durch Schweißnähte, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißnähte mit IN626 Filler, Polymet 972 oder anderen duktilen Schweißzusätze verbunden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Flugzeugtriebwerk mit einer Ringbrennkammer nach den Ansprüchen 11 bis 14 gelöst. Die gesamte Strömung vom Verdichter, über die Brennkammer bis zur Turbine wird durch die um die Flammen herum angeordneten Ausbuchtungen verbessert.
Die Aufgabe wird ferner auch durch Verfahren zur Herstellung einer Ringbrennkammer gelöst.
In einer Ausführungsform werden mindestens zwei Segmentbauteile mit einer inneren Brennkammerwand, einer äußeren Brennkammerwand und einem Brennkammerkopf aus Hochtemperaturgussmaterial gegossen. Anschließend werden die mindestens zwei Segmentbauteile durch Fügen, insbesondere Schweißen, zur Ringbrennkammer verbunden.
Alternativ werden mindestens zwei Segmentbauteile zu einer inneren Vollringstruktur verbunden, insbesondere verschweißt. Mindestens zwei Segmentbauteile werden zu einer äußeren Vollringstruktur verbunden, insbesondere verschweißt. Die vorliegenden Vollringstrukturen werden mit einer Brennkammerkopfstruktur verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische, perspektivische Darstellung einer an sich bekannten Ringbrennkammer;
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Segmentbauteils mit zwei Brennkammerwänden für eine Ringbrennkammer,
Fig. 2A: eine Ansicht vom Brennkammerkopf auf die Ausführungsform gemäß Fig. 2;
Fig. 2B: eine Schnittansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 2 in Längsrichtung;
Fig. 2C: eine Schnittansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 2 senkrecht zur Längsrichtung;
Fig. 3: eine axiale Schnittansicht auf eine Ausführungsform für eine Ringbrennkammer gebildet aus Segmentbauteilen gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2;
Fig. 4: eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Segmentbauteils mit zwei Brennkammerwänden,
Fig.5: eine weitere Ausführungsform eines Segmentbauteils mit einer Brennkammerwand;
Fig. 6A: eine perspektivische Ansicht einer ersten Stufe des Aufbaus einer Ringraumstruktur;
Fig. 6B: eine perspektivische Ansicht einer zweiten Stufe des Aufbaus einer Ringraumstruktur.

In Fig. 1 ist in einer perspektivischen Ansicht eine Ringbrennkammer mit einem Ringraum 30 dargestellt, wie sie z.B. in einem Flugzeugtriebwerk verwendet werden.
Der Ringraum 30 ist in Hauptströmungsrichtung des Flugzeugtriebwerks hinter dem hier nicht dargestellten Kompressor und dem Einlaufbereich einer Turbine 40 angeordnet. In der Darstellung der Fig. 1 sind zwei Injektoren 25 sichtbar, aus denen im Betrieb Brennstoffflammen 20 (hier nicht dargestellt) entlang von Brennerachsen 21 austreten. Die Brennerachsen 21 und damit auch die Brennstoffflammen 20 liegen somit zwischen der inneren Brennkammerwand 11 und der äußeren Brennkammerwand 12. Dieser Ringraum 30 wird auch als Flammrohr bezeichnet. Die Brennkammerwände 11, 12 schirmen damit die Brennstoffflammen 20 nach innen und nach außen gegenüber der Umgebung ab.
Der Abstand zwischen den Brennkammerwänden 11, 12, die Ringraumhöhe H_R (auch als Flammraumhöhe bezeichnet) variiert zwar in axialer Richtung des Flugzeugtriebwerks, ist aber entlang des Umfangs der Ringbrennkammer 10 konstant.
Die im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsformen beschriebene Erfindung betrifft u.a. Ringbrennkammern, bei denen entlang des Umfangs die Ringbrennkammerhöhe H_R nicht-konstant ist.
Eine solche Ringbrennkammer ist z.B. aus mindestens zwei Segmentbauteilen 10 aus Hochtemperaturgussmaterial zusammengesetzt. Im Fall von zwei Segmentbauteilen würde jedes der Segmentbauteile 10 z.B. 180° des Ringraums 30 bereitstellen.
In Fig. 2 ist ein Segmentbauteil 10 dargestellt, das einen deutlich kleineren Winkelbereich abdeckt, nämlich 30°, wie in der Ansicht der Fig. 2A besonders deutlich zu erkennen ist.
Eine Ringbrennkammer, aus solchen Segmentbauteilen 10 zusammengesetzt, weist daher 12 dieser Segmentbauteile 10 auf. Grundsätzlich ist es möglich, die Segmentbauteile 10 geometrisch anders zu gestalten, so dass weniger oder mehr als 12 Segmentbauteile 10 verwendet werden. Auch ist es nicht zwingend, dass eine gerade Anzahl von Segmentbauteilen 10 verwendet wird, um einen Ringraum 30 zu bilden.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines Segmentbauteils 10 dargestellt, bei dem Teile die innere Brennkammerwand 11 und die äußere Brennkammerwand 12 bilden, wenn die Segmentbauteile 10 zusammengesetzt sind (siehe Fig. 5). Am Brennkammerkopf 22 ist eine Öffnung 24 für den hier nicht dargestellten Injektor 25 vorgesehen. Die mit dem Injektor 25 erzeugte Brennstoffflamme 20 (hier nicht dargestellt) erstreckt sich entlang der Brennerachse 21 in den Ringraum 30 hinein in Richtung des Einlaufbereichs der Turbine 40 (hier nicht dargestellt, siehe Fig. 1).
Diese Ausführungsform des Segmentbauteils 10 ist einteilig aus einem Hochtemperaturgussmaterial hergestellt. Dazu kann vorteilhafterweise eine Superlegierung verwendet werden, die Nickel, Chrom, Kobalt und / oder Nickel-Eisen enthält. Typische Hochtemperaturgusslegierungen sind insbesondere Inconel 738/ Inconel 738 LC, Inconel 939 / Inconel 939 LC, Inconel 713 / Inconel 713 LC, C1023, Mar M 002 und / oder CM 274LC. Die Gussverfahren (z.B. Feinguss) erlauben, Segmentbauteile 10 mit sehr dünnen Wandungen und in sehr komplexen Formen herzustellen.
So ist es z.B. vorteilhaft, wenn die Brennkammerwände 11, 12 eine mittlere Dicke zwischen 1 und 4 mm aufweisen. Die Wandung des Brennkammerkopfes 23 kann zwischen 2 und 4 mm betragen. In der Formgebung ist es z.B. möglich, Stutzen 15 für Luftkühlung beim Gießen mit anzuformen. Auch können Befestigungsflansche 23 am Brennkammerkopf 22 einstückig mitgegossen werden. Grundsätzlich sind die Möglichkeiten der Formgebung nicht auf die dargestellten Merkmale beschränkt.
Die Brennkammerwände 11, 12 dieser Ausführungsform sind in einer besonderen Weise konturiert. Die innere Brennkammerwand 11 weist eine Ausbuchtung 13 auf, die in der hier gewählten Darstellung nach unten zeigt. Die Ausbuchtung 13 weist somit von der Brennerachse 21 weg. Die äußere Brennkammerwand 12 weist eine in etwas gleich geformte Ausbuchtung 14 nach oben auf. Die Ausbuchtung 14 weist somit ebenfalls von der Brennerachse 21 weg.
Die Ausbuchtungen 13, 14 sind dabei so angeordnet, dass sie in etwa der Kontur der Brennstoffflamme 20 entsprechen, wenn die Ringbrennkammer im Betrieb ist.
Diese Zusammenhänge sind schematisch in den Fig. 2B, C dargestellt, wobei Fig. 2B einen Längsschnitt durch den Ringraum 30 dargestellt; Fig. 2C zeigt eine Schnittansicht senkrecht dazu. In der Schnittansicht der Fig. 2B ist schematisch die Brennstoffflamme 20 dargestellt, die sich vom Injektor 25 in den Ringraum 30 über eine Länge L_B erstreckt. Die Länge des gesamten Ringraums wird mit L bezeichnet. Es ist vorteilhaft, wenn für die Länge L_B der Brennstoffflamme 20 gilt: L_B = 0,5 - 0,9 L. Dies bedeutet, dass sich die Brennstoffflamme 20 über 50 bis 90% der axialen Erstreckung des Ringraums erstreckt.
Die Ausbuchtung 13 an der inneren Brennkammerwand 11 und die Ausbuchtung 14 an der äußeren Brennkammerwand 12 reichen in axialer Richtung in etwa soweit, wie die Brennstoffflame 20 sich in den Ringraum erstreckt.
In vorteilhaften Ausführungsformen beträgt die axiale Erstreckung der Ausbuchtungen, 13, 14 ca. 50 bis 90% der gesamten axialen Erstreckung des Ringraums. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Breite B_B der Ausbuchungen 13, 14 ca. 30 bis 60% der Breite B eines Segmentbauteils 10 beträgt, wobei die Breite B der Ausbuchtung an der Innenseite kleiner ist als an der Außenseite.
In Fig. 2C ist die zur Ansicht der Fig. 2B senkrechte Schnittansicht dargestellt, bei der ebenfalls erkennbar ist, dass die Ausbuchtungen 13, 14 in etwa der Kontur der Brennstoffflamme angepasst sind.
In Fig. 2C ist ein Bereich A eingezeichnet, in dem die Ringraumhöhe H_RA durch die Ausbuchrungen 13, 14 vergrößert ist und ein Bereich B, in dem die Ringraumhöhe H_RB verkleinert ist.
Eine Bogenlänge U des Segmentbauteils 10 setzt sich somit aus A + 2B zusammen. Es ist vorteilhaft, wenn der Anteil des Bereiches A 50 bis 80% der Bogenlänge U und der Anteil des Bereichs B 20 bis 50% der Bogenlänge U ausmacht.
Ferner sind in Fig. 2C die üblichen Radien der Brennkammerwände eingezeichnet, nämlich R_i und R_a, wobei erkennbar ist, dass Ausbuchtungen 13, 14 teilweise außerhalb von R_a oder innerhalb von R_i liegen. Die übliche Ringraumhöhe H_konv entspricht somit R_a - R_i.
Vorteilhafte Ausgestaltungen weisen Ausbuchtungen 13, 14 auf, für die gilt: H_RA = 1,1 - 1,5 H_konv. Dies bedeutet, dass die Höhe des Brennraumes im Bereich der Ausbuchtungen 13, 14 zwischen 10 und 50% gegenüber der konventionellen Bauart erweitert wird.
Es ist auch vorteilhaft, wenn im Bereich B, d. h. Bereichen ohne Ausbuchrungen 13, 14 gilt: H_RA = 0,7 - 0,9 H_konv. Dies bedeutet, dass die Höhe des Brennraumes im Bereich außerhalb der Ausbuchtungen 13, 14 70 bis 90% der üblichen Höhe beträgt.
Werden nun mehrere dieser Segmentbauteile 10 miteinander verbunden, so wird eine Ringbrennkammer gebildet, deren Ringraumhöhe H_R in Umfangsrichtung variabel ist. Segmentbauteile 10 werden z.B. durch Laser oder Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden, wobei die eingebrachte Streckenenergie minimiert wird. Es kann ein geeigneter, duktiler Filler beim Schweißen verwendet (IN625 oder Polymet 972) werden.
Eine dermaßen zusammengesetzte Rinnbrennkammer ist in Fig. 3 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden hier nur sechs Segmentbauteile 10 verwendet, um einen Ringraum 30 zu bilden. Bereiche A einer größeren Ringraumhöhe H_RA wechseln sich mit Bereichen B einer geringeren Ringraumhöhe H_RB entlang des Umfanges ab, so dass die Brennkammerwände 11, 12 eine Art wellenartige Struktur ausbilden.
Die Brennstoffflammen 20 (hier nicht dargestellt) liegen dabei jeweils in den erweiterten Bereichen A. Zwischen den Brennstoffflammen 20 liegen verengte Bereiche B. Dies führt dazu, dass jede Brennstoffflamme 20 gewissermaßen in einem eigenen Brennraum brennen kann. Störungen in einem Bereich des Ringraums 30 können sich auf Grund der Verengungen in den Bereichen B schwerer im ganzen Ringraum 30 ausbreiten.
Auch kann in den Bereichen B zwischen den Injektoren 25 Luft mit weniger starker Umlenkung vom Verdichter zur Turbine 40 geführt werden, wodurch der Druckverlust auf diesem Strömungspfad sinkt.
Die beschriebene Ausführungsform hat aber auch außerhalb des Ringraums 30 vorteilhafte Wirkungen, da auch die Turbinenkühlluft K, die außerhalb des Ringraums geführt wird, durch die Konturierung der Brennkammerwände 11, 12 beeinflusst wird.
Dabei wird der Druckverlust bei der Überführung der Turbinenkühlluft K vom Verdichteraustritt an der Brennkammer vorbei zum Eintritt in das Kühlsystem durch die Strömungsführung auf diesem Weg bestimmt. Muss die Turbinenkühlluft K wiederholt (insbesondere radial) umgelenkt und beschleunigt (und dann wieder verzögert) werden, dann erhöht sich der Druckverlust. In der Brennerachse 21 strömt nur wenig Turbinenkühlluft K an dem Brenner und Mischluftloch vorbei in Richtung Turbine, daher ist der Druckverlust dort nicht so ausschlaggebend.
Zwischen den Brennern ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Brennkammerkopf 22 so gestaltet, dass die Turbinenkühlluft K nicht erst stark radial nach außen und innen umgelenkt wird. Dies sind die Bereiche B zwischen den Ausbuchtungen 13, 14, aber an den jeweiligen Außenseiten des Ringraums 30. Nach der radialen Ablenkung erfolgt dann eine Umlenkung in axialer Richtung. Somit erfolgt im Bereich B eine kleine Umlenkung in die viel tieferen Annuli um die an dieser Stelle schmalere Brennkammer. Der Strom der Turbinenkühlluft K ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.
Bei entsprechender Strömungsführung entstehen so weniger Druckverluste. Der Druckverlust wird durch die Einbuchtung zwischen den Brennern vermindert. Durch die tieferen Annuli hat die Turbinenkühlluft K auch im Vergleich zur üblichen Spaltströmung weniger Kontakt zur heißen Brennkammerwand und wird somit kälter bei der Turbine angeliefert, was der Kühlwirkung in der Turbine zugute kommt.
Ingesamt kann der Gesamtdruckverlust verringert werden, was den Brennstoffbedarf senkt. Außerdem fließt weniger Luft zwischen den Injektoren 25 in den Bereich des Brennkammerkopfes 22 als an der Position der Injektoren 25, so dass an diesen Umfangspositionen hinreichend Luft zur Überleitung in die Turbine 40 zur Verfügung steht.
Des Weiteren führen die Ausbuchtungen 13, 14 dazu, dass sich in den Brennkammerwänden 11, 12 eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in Umfangsrichtung ausbildet, was einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer der Ringbrennkammer hat. In den Bereichen A, in denen die Brennstoffflame 20 liegt, ist die Brennkammerwand 11, 12, auf Grund der Ausbuchtungen 13, 14 relativ weit von der Brennstoffflamme 20 entfernt. In den Bereichen B, zwischen den Brennstoffflammen 20, liegen die Brennkammerwände 11, 12 dichter beieinander, da die Ringraumhöhe H_R hier geringer ist. Ohne die Ausbuchtungen 13, 14 wären die Wandungsbereiche der Brennkammerwände 11, 12, die der Brennstoffflamme 20 am nächsten sind, heißer als andere Bereiche. Aus diesen Gründen muss im Bereich A nicht so viel Kühlluft verwendet werden. Die so eingesparte Kühlluft steht für Maßnahmen zur Verminderung der Abgasemissionen zur Verfügung.
Wie in Fig. 3 erkennbar, weisen die innere Brennkammerwand 11 und die äußere Brennkammerwand 12 eine wellige Struktur auf, wenn sie aus Segmentbauteilen 10 z.B. gemäß Fig. 2 zusammengesetzt sind. Diese wellige Struktur ermöglicht einen leichteren Ausgleich von thermischen und / oder mechanischen Spannungen in den Brennkammerwänden 11, 12 als dies bei Ringräumen mit kreisförmigen Querschnitten in Umfangsrichtung möglich wäre.
Wenn es notwendig erscheint (z.B. bei größeren Flugzeugtriebwerken), können die Segmentbauteile 10 mit einer Wärmedämmschicht versehen werden.
Wenn ein duktiler Schweißzusatz verwendet wird, muss im Fall nachträglichen Laserbohrens an der Ringbrennkammer nicht auf die Positionen der Längsschweißnähte zwischen den Segmentbauteilen 10 Rücksicht genommen werden.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Segmentbauteils 10 dargestellt. Grundsätzlich hat es die gleichen Funktionen und Eigenschaften wie das zuvor beschriebene Segmentbauteil 10, so dass auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Im Gegensatz zu den im Wesentlichen rechteckigen Ausbuchtungen 13, 14 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind hier die Ausbuchtungen 14 in Form der
Brennstoffflamme 20 vom Brennkammerkopf 23 in Richtung zur Turbine 40 (hier nicht dargestellt) angeordnet. Die Ausbuchtung 13 weist in der Nähe des Brennkammerkopfes 23 eine eher kleine Breite auf, die sich stetig aufweitet, um dann wieder kleiner zu werden.
Grundsätzlich sind mit dem Gussverfahren auch andere Formen für Ausbuchtungen möglich, die einem bestimmten Einsatzzweck angepasst werden können. Gerade durch die Verwendung der oben genannten Materialien und dem Gussverfahren ist es möglich, die Ausbuchtungen 13, 14 gezielt zu formen.
In den Fig. 2, 3 und 4 waren Ausführungsformen dargestellt, bei denen sich zwei Brennkammerwände 11, 12 gegenüberliegen. Diese Segmentbauteile 10 weisen somit eine im Wesentlichen U-förmige Form auf, da die Brennkammerwände 11, 12 über den einstückig mit ihnen gegossenen Brennkammerkopf 23 verbunden sind.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass ein Segmentbauteil 10 nur einen äußeren oder inneren Teil der Ringbrennkammer aufweist. In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines Segmentbauteils 10 dargestellt, das nur eine äußere Brennkammerwand 12 aufweist. Wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen weist auch dieses Segmentbauteil 10 eine Ausbuchtung 14 auf, die von der Brennerachse 21 wegweist. Um die Verwendung dieses Segmentbauteils 10 zu verdeutlichen, sind in Fig. 5 gestrichelt die Brennstoffflamme 20 und die Brennerachse 21 eingezeichnet.
Auch mit dieser Ausführungsform und einem entsprechenden Segmentbauteil 10 für die innere Brennkammerwand 11 lässt sich eine Ringbrennkammer aufbauen, wie dies in Fig. 6A, B dargestellt ist.
Dazu werden mindestens zwei Segmentbauteile 10' zu einer inneren Vollringstruktur 31 verbunden, insbesondere verschweißt. Ferner werden zwei Segmentbauteile 10" zu einer äußeren Vollringstruktur 32 verbunden, insbesondere verschweißt. In Fig. 6A sind die beiden Vollringstrukturen 31, 32 dargestellt, die jeweils aus Gründen der Einfachheit nur sechs Segmentbauteile 10 aufweisen. Anschließend werden die innere Vollringstruktur 31 und die äußere Vollringstruktur 32 mit einer Brennkammerkopfstruktur 43 verbunden, wie dies in Fig. 6B dargestellt ist.

Bezugszeichenliste

10: Segmentbauteil
11: innere Brennkammerwand
12: äußere Brennkammerwand
13: Ausbuchtung innerer Brennkammerwand
14: Ausbuchtung äußerer Brennkammerwand
15: Stutzen für Kühlluft

20: Brennstoffflamme
21: Brennerachse
22: Brennkammerkopf
23: Befestigungsflansch
24: Vorrichtung zur Anordnung eines Brenners
25: Injektor für Brennstoff

30: Ringraum
31: innere Vollringstruktur
32: äußere Vollringstruktur

40: Einlaufbereich Turbine

K: Turbinenkühlluft
H_RA: Bereich größerer Ringraumhöhe
H_RB: Bereich kleinerer Ringraumhöhe
H_R: Ringraumhöhe
H_konv: übliche Ringraumhöhe
R_i: Radius der inneren Brennkammerwand
R_a: Radius der äußeren Brennkammerwand
B: Breite Segmentbauteil
B_B: Breite Ausbuchtung
L_B: Länge Brennstoffflamme
L: Länge Brennstoffkammer
U: Bogenlänge eines Segmentbauteils

Claims

Segmentbauteil aus Hochtemperaturgussmaterial für eine Ringbrennkammer eines Flugzeugtriebwerkes,
gekennzeichnet durch
eine Brennkammerwand (11, 12), die im Betrieb eine sich entlang einer Brennerachse (21) erstreckende Brennstoffflamme (20) gegenüber der Umgebung abschirmt, wobei die Brennkammerwand (11, 12) eine Ausbuchtung (13, 14) in eine Richtung aufweist, die von der Brennerachse (21) wegzeigt.
Segmentbauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine innere Brennkammerwand (11) und eine äußere Brennkammerwand (12), zwischen denen im Betrieb eine Brennstoffflamme (20) entlang einer Brennerachse (21) angeordnet ist, wobei die innere und / oder äußere Brennkammerwand (11, 12) eine Ausbuchtung (13, 14) in die Richtung aufweist, die von der Brennerachse (21) wegzeigt.
Segmentbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausbuchtung (13, 14) der Brennkammerwand (11, 12) im Wesentlichen an die Kontur der Brennstoffflamme (20) im Betrieb angepasst ist, insbesondere dass die Brennkammerwand (11, 12) eine Ausbuchtung (13, 14) aufweist, deren Länge (L_B) und / oder Breite (B_B) im Wesentlichen der Länge und / oder Breite der Brennstoffflamme (20) im Betrieb entspricht.
Segmentbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperaturgussmaterial eine Superlegierung enthaltend Nickel, Chrom, Kobalt und / oder Nickel-Eisen ist, Inconel 738/ Inconel 738 LC, Inconel 939 / Inconel 939 LC, Inconel 713 / Inconel 713 LC, C1023, Mar M 002 und / oder CM 274LC.
Segmentbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (11) und die äußere Brennkammerwand (12) einteilig als Gussteil über einen Brennkammerkopf (12) miteinander verbunden sind oder die innere Brennkammerwand (11) und äußere Brennkammerwand (12) mit einem Brennkammerkopf (13) verbunden sind.
Segmentbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Brennkammerkopf (22) mindestens ein Befestigungsflansch (23) angeordnet ist und / oder am Brennkammerkopf (13) eine Vorrichtung (24) zur Anordnung eines Injektors (25) vorgesehen ist.
Segmentbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen einstückig an eine Brennkammerwand (11, 12) angeformten Stutzen (15) für Kühlluft.
Segmentbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (11, 12) eine mittlere Dicke zwischen 1 und 4 mm, insbesondere 1,4 bis 3 mm, aufweist.
Ringbrennkammer für ein Flugzeugtriebwerk mit mindestens zwei Segmentbauteilen (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8.
Ringbrennkammer nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch h eine entlang des Umfangs des Ringraums (30) variable Ringraumhöhe (H_R), insbesondere dass sich Bereiche (A) einer größeren Ringraumhöhe (H_RA) sich mit Bereichen (B) einer geringeren Ringraumhöhe (H_RB) entlang des Umfanges abwechseln, so dass die Brennkammerwände (11, 12) eine Art wellenartige Struktur ausbilden
Ringbrennkammer nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch Bereiche mit einer größeren Ringraumhöhe (H_RA) und Bereiche mit einer kleineren Ringraumhöhe (H_RB), wobei im Zusammenbau Injektoren (25) für den Brennstoff in den Bereichen mit der größeren Ringraumhöhe (H_RA) angeordnet sind.
Ringbrennkammer nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentbauteile (10) untereinander durch Schweißnähte, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißnähte mit IN626 Filler, Polymet 972 oder anderen duktile Schweißzusätze verbunden sind.
Flugzeugtriebwerk mit einer Ringbrennkammer nach den Ansprüchen 9 bis 12.
Verfahren zur Herstellung einer Ringbrennkammer nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) mindestens zwei Segmentbauteile (10) mit einer inneren Brennkammerwand (11), einer äußeren Brennkammerwand (12) und einem Brennkammerkopf (13) aus Hochtemperaturgussmaterial gegossen werden, und anschließend die

b) mindestens zwei Segmentbauteile (10) durch Fügen, insbesondere Schweißen zur Ringbrennkammer (10) verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung einer Ringbrennkammer nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) mindestens zwei Segmentbauteile (10') zu einer inneren Vollringstruktur (31) verbunden, insbesondere verschweißt werden,

b) mindestens zwei Segmentbauteile (10") zu einer äußeren Vollringstruktur (32) verbunden , insbesondere verschweißt werden,

c) die innere Vollringstruktur (31) und die äußere Vollringstruktur (32) mit einer Brennkammerkopfstruktur (43) verbunden werden.