EP2738470A1

EP2738470A1 - Schindelbefestigungsanordnung einer Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: EP2738470A1
Application number: EP13191950.8A
Authority: EP
Inventors: Stefan Penz
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-07
Also published as: US20140144146A1; US9341372B2; DE102012023297A1; EP2738470B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schindelbefestigungsanordnung einer Gasturbinenbrennkammer 15 mit einer Brennkammerwand 29 und mit in einem Abstand an dieser befestigten Schindeln 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel 30 mit einem an ihrer der Brennkammerwand 29 zugeordneten Seite angeordneten Ringflansch 31 versehen ist, welcher passend zu einer Ausnehmung 32 der Brennkammerwand 29 dimensioniert und mittels eines die Brennkammerwand 29 durchgreifenden Befestigungselements 33 an der Brennkammerwand 29 befestigt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schindelbefestigungsanordnung einer Gasturbinenbrennkammer gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Brennkammer einer Gasturbine, wobei an einer Brennkammerwand Schindeln befestigt sind, welche einen Abstand zu der Brennkammerwand aufweisen.
Bei derartigen sogenannten zweiwandigen Brennkammern ist es bekannt, die Schindeln mittels Gewindestiften an der Brennkammerwand bzw. dem Schindelträger zu befestigen. Die Gewindestifte sind üblicherweise einstückig mit der Schindel ausgebildet. Diese Ausgestaltung wird insbesondere auch für Prall-Effusions-Schindeln verwendet. Bei derartigen Schindeln werden um den Gewindestift oder Bolzen herum Abstandshalter eingesetzt, um eine gleichmäßige Belastung der Bolzen oder Gewindestifte zu erzielen und um sowohl eine gute Abdichtung als auch einen gleichmäßigen Abstand zwischen der Schindel und dem Schindelträger sicherzustellen.
Weiterhin ist es bei Brennkammern bekannt, einen großen Teil der Verbrennungsluft über Mischluftöffnungen in die Brennkammer einzuleiten. Dabei werden zur gezielten Ausrichtung des Luftstroms Luftleitelemente oder Luftleitrohre verwendet (chutes). Die Mischluftöffnungen werden entweder in der Brennkammerwand integriert bzw. daran befestigt oder sie sind in die Schindeln integriert. Derartige Schindeln mit integrierten Mischluftöffnungen und Mischluftleitelementen werden üblicherweise mittels eines Gießverfahrens hergestellt.
Bei Brennkammern ist es wünschenswert, die Schindeln über die gesamte Fläche gleichmäßig zu kühlen. Bei den oben beschriebenen Ausgestaltungen mit Gewindestiften bzw. Bolzen und Abstandshaltern ergibt sich jedoch der Nachteil, dass keine effektive Prall-Effusions-Kühlung erfolgen kann. Der Grund dafür liegt darin, dass die Bolzen und Abstandshalter in ihrem Befestigungsbereich keine Ausbildung von Kühlluftdurchtrittsausnehmungen ermöglichen. Somit entstehen hohe Temperaturen und Temperaturgradienten im Bereich der Befestigung der Schindeln an der Brennkammer. Dies wiederum beeinflusst die Dauerfestigkeit der Schindeln negativ. Dieser Nachteil wird, wie erwähnt, insbesondere dadurch hervorgerufen, dass im Bereich der integrierten Bolzen oder Gewindestifte bzw. der Abstandshalter und der Mischluftleitelemente keine Effusionsbohrungen mittels Laser eingebracht werden können, da hierdurch die integrierten Bauteile beschädigt würden. Dies führt dazu, dass an der heißen Seite der Schindel der Kühlluftfilm beeinträchtigt oder unterbrochen wird. Dies führt zu den erwähnten lokalen hohen Temperaturen und Temperaturgradienten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schindelbefestigungsanordnung einer Gasturbinenbrennkammer zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine gute Kühlung, insbesondere der Schindel, ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die weiteren Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Schindel mit einem an ihrer der Brennkammerwand zugewandten Seite angeordneten Ringflansch versehen ist. Dieser Ringflansch ist passend zu einer Ausnehmung der Brennkammerwand dimensioniert und greift entweder in diese Ausnehmung ein oder liegt bündig mit dem Rand der Ausnehmung an der Brennkammerwand an. Mittels eines Befestigungselements ist die Schindel mit der Brennkammerwand verbunden. Das Befestigungselement durchgreift dabei die Ausnehmung der Brennkammerwand und ist mechanisch mit dem Ringflansch verbunden. Diese Verbindung mit dem Ringflansch kann entweder direkt erfolgen. Hierzu weist der Ringflansch an seiner Innenseite ein Gewinde auf, welches sich im Eingriff mit einem Gewindeansatz des Befestigungselements befindet. Als Alternative hierzu ist es erfindungsgemäß auch möglich, ein Mischluftrohr zu verwenden, welches mit einem Innengewinde versehen ist und mit dem Befestigungselement verschraubt ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Ringflansch zwischen dem Mischluftleitrohr und dem Befestigungselement geklemmt, so dass die Schindel fest gegen die Brennkammerwand geklemmt wird.
Erfindungsgemäß ist das Befestigungselement rund ausgebildet. Es kann dabei, sofern kein Mischluftleitrohr verwendet wird, napfartig ausgestaltet sein. Dabei ist es besonders günstig, wenn im zentrischen Bereich der napfartigen Ausgestaltung des Befestigungselements Luftdurchtrittsausnehmungen vorgesehen sind, durch welche Kühlluft zu der Schindel zugeleitet werden kann. Die Schindel ist bevorzugterweise angrenzend an den zentrischen Bereich des Befestigungselements ebenfalls mit Luftdurchtrittsausnehmungen versehen, um Kühlluft zur heißen Seite der Schindel durchzuleiten.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es somit möglich, zwischen der Schindel und der Brennkammerwand (Schindelträger) eine effiziente Prall-Effusions-Kühlung zu realisieren. Hierdurch werden hohe Temperaturen im Bereich der Befestigung der Schindel an der Brennkammerwand vermieden. Der erfindungsgemäß vorgesehene Ringflansch kann dabei so dimensioniert werden, dass er nur eine sehr geringe Fläche der Schindel benötigt, so dass im Betrieb keine Störung des Kühlluftfilms auf der heißen Seite der Schindel erfolgt.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass der Ringflansch eine sehr geringe Höhe aufweisen kann. Durch die geringere Höhe des Ringflansches im Vergleich zu einem Gewindestift wird das Einbringen von Effusions - Kühlluftausnehmungen mittels z.B. Laser oder Elektronenstrahl weniger behindert. Hierdurch ist es möglich, Effusions-Kühlluftausnehmungen näher an die Verbindungsstelle, d.h., an den Ringflansch, heranzuführen. Auch hierdurch wird der Kühlfilm auf der heißen Seite der Schindel nicht oder nur geringfügig gestört.
Die erfindungsgemäße Schindelbefestigungsanordnung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Zum einen ist es möglich, eine geringere Bauhöhe zu realisieren. Hierdurch ist es in der Folge möglich, kleinere Brennkammergehäuse oder größere Brennkammervolumen bei gleichem Bauraum zu ermöglichen. Dies führt zu einem geringeren Gewicht der Brennkammer sowie zu einer Einsparung an Material und Fertigungskosten. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, den Bereich der Schindelbefestigung effektiv zu kühlen. Hierdurch werden heiße Bereiche, wie sie beim Stand der Technik auftreten, vermieden. Dies führt zu einer höheren Lebensdauer der Brennkammerschindeln. Die höhere Lebensdauer ergibt sich auch dadurch, dass eine gleichmäßigere Kühlung der Schindeln erfolgt und dass die aus dem Stand der Technik bekannten hohen Temperaturgradienten vermieden werden. Ursache hierfür ist die im Wesentlichen ungestörte Ausbildung des Kühlfilms durch die erfindungsgemäße Schindelbefestigungsanordnung. Auch die erfindungsgemäß mögliche Kombination der Schindelbefestigung mit den Mischluftleitrohren (chutes) führt zu einer Optimierung der Kühlung und zu geringeren Flächen, die für die Kühlung erforderlich sind. Es ergibt sich somit eine geringere ungekühlte Fläche, Auch dies führt, wie erwähnt, zur Vermeidung von hohen Temperaturgradienten und resultiert in einer Erhöhung der Lebensdauer.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist weiterhin zu berücksichtigen, dass die Verbindung mit dem Befestigungselement mittels der auftretenden Klemmwirkung durch einen Kraftfluss im "kalten" Bereich sichergestellt wird. Dies bedeutet, dass die thermischen und mechanischen Belastungen, welche im Bereich der Schindel und der Schindelbefestigung auftreten, nicht gemeinsam wirken. Dies ist ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung.
Das Mischluftleitrohr kann erfindungsgemäß entweder als separates Teil oder einstückig mit der Schindel ausgebildet sein. Bei einem separaten Mischluftleitrohr kann es günstig sein, dass die Effusionsbohrungen im Mischluftleitrohr einfacher und genauer herstellbar sind, so dass auch das Mischluftleitrohr besser gekühlt werden kann.
Das Befestigungselement kann unterschiedliche Gewindegrößen aufweisen, abhängig von den jeweiligen Baugrößen und den speziellen Einsatzbedingungen. Hierdurch ergibt sich eine optimale Anpassbarkeit der erfindungsgemäßen Lösung an unterschiedliche Anforderungen.
Die Luftdurchtrittsausnehmungen (Effusionskühlbohrungen) können bei der erfindungsgemäßen Lösung senkrecht zur Mittelebene oder geneigt ausgebildet werden. Insofern bietet die Erfindung eine Vielzahl von Anpassungsmöglichkeiten an die jeweiligen konstruktiven Vorgaben.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sich an der Befestigungsstelle, an welcher die Schindel mittels des Befestigungselements an der Brennkammerwand befestigt ist, ein sehr geringes Spiel ergibt. Hierdurch kann eine sehr gute Positionierung zwischen der Schindel und der Brennkammerwand erzielt werden. Dies wiederum beeinflusst die Zuordnung der Luftdurchtrittsausnehmungen, so dass diese in günstiger Zuordnung zueinander angeordnet werden können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2: eine vereinfachte perspektivische Teil-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Befestigungselements mit Luftdurchtrittsausnehmungen,
Fig. 3: eine Darstellung, analog Fig. 2, eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Befestigungselements mit einem Mischluftleitrohr,
Fig. 4: eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel, und
Fig. 5: eine Schnittansicht des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels.

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils perspektivische vereinfachte Teil-Schnittansichten. Dabei ist eine Brennkammerwand 29 dargestellt, an welcher mit einem Abstand zur Brennkammerwand 29 eine Schindel 30 gelagert ist. Erfindungsgemäß weist die Brennkammerwand 29 im Bereich der Befestigung der Schindel eine kreisrunde Ausnehmung 32 auf. Diese Ausnehmung kann auch unrund sein, beispielsweise polygonal. Die Schindel 30 ist mit einem Ringflansch 31 versehen, welcher einstückig an der Schindel 30 ausgebildet ist und so dimensioniert ist, dass er gemäß Fig. 2 die Ausnehmung 32 durchgreift. Der Ringflansch ist an seiner Innenseite mit einem Gewinde 34 versehen. Im Innenbereich des Ringflansches 31 weist die Schindel an ihrer Wandung eine Vielzahl von Luftdurchtrittsausnehmungen 38 auf. Hierdurch ist es möglich, Kühlluft durch die Schindel 30 durchzuführen und, wie beschrieben, einen Kühlluftfilm auf der heißen Seite der Schindel 30 auszubilden.
Die Fig. 2 zeigt weiterhin ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Befestigungselements 33. Dieses ist in Form eines runden Einsatzkörpers ausgebildet, welcher eine napfartige Struktur hat. Das Befestigungselement 33 weist ein Außengewinde auf, welches mit dem Gewinde 34 des Ringflansches 31 verschraubbar ist. Im zentrischen Bereich ist das Befestigungselement 33 mit einer Vielzahl von Luftdurchtrittsausnehmungen 37 versehen, durch welche Kühlluft zur Außenseite der Schindel 30 zugeführt werden kann.
Wie die Darstellung der Fig. 2 zeigt, ist das Befestigungselement 33 fest mit dem Ringflansch 31 der Schindel 30 verschraubt. Dabei liegt der Ringflansch 31 dichtend gegen den Rand der Ausnehmung 32 der Brennkammerwand 29 an, so dass der unerwünschte Durchtritt von Leckageströmung vermieden wird. Die Dichtwirkung wird auch dadurch gewährleistet, dass das Befestigungselement 33, wie in Fig. 2 gezeigt, ebenfalls gegen die Außenseite der Brennkammerwand 29 anliegt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion ist weiterhin ersichtlich, dass der Außendurchmesser des vorstehenden Bereichs des Ringflansches 31 und der Innendurchmesser der Ausnehmung 32 ein Spiel zulassen, so dass Fertigungsungenauigkeiten oder Wärmeausdehnungen kompensiert werden können, ohne dass die Dichtwirkung beeinflusst wird. Eine enge Spielpassung an einzelnen Befestigungspunkten kann die Positionierung der Schindel und damit der Mischluftöffnungen innerhalb der Brennkammer positiv beeinflussen. Weiterhin ist eine genauere Ausrichtung der Kühlluftbohrungen im Schindelträger zu den Kühlluftbohrungen in der Schindel möglich.
Die Fig. 3 zeigt eine Darstellung analog Fig. 2. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Bei der Darstellung der Fig. 3 ist das Befestigungselement 33 rohrförmig ausgebildet. Es ist mit seinem Gewinde 34 nicht gegen den Ringflansch 31 verschraubt, sondern klemmt den Ringflansch 31 gegen ein Mischluftleitrohr (chute), welches mit einem Innengewinde versehen ist. Das Befestigungselement 33 befindet sich somit in formschlüssigem Eingriff mit dem Mischluftleitrohr und klemmt somit den Randbereich der Ausnehmung 32 der Brennkammerwand 29 und den Ringflansch 31 in dichtender Anlage. Somit ist es möglich, das Mischluftleitrohr 35 in einfacher, kostengünstiger Ausgestaltung herzustellen und an der Brennkammerwand 29 bzw. der Schindel 30 zu lagern. Durch eine optimierte Ausgestaltung des Einströmbereichs 39 des Befestigungselements 33, beispielsweise durch geeignete Abrundung, wird eine optimierte Strömungsführung gewährleistet.
Die Fig. 4 und 5 zeigen in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ansicht ist zu erkennen, dass das Befestigungselement 33 an seiner Außenkontur mit Werkzeugeingriffsmitteln 40 versehen ist. Diese können in Form eines Sechskants oder einer anderen polygonalen Ausgestaltung oder in Form von Bohrungen oder Ähnlichem zum Eingriff mit einem geeigneten Werkzeug ausgebildet sein.
Die Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher das Mischluftleitrohr 35 einstückig mit der Schindel 30 ausgebildet ist. Durch ein Verschrauben der Schindel 30 wird somit das Mischluftleitrohr 35 ebenfalls befestigt.

Bezugszeichenliste:

1: Triebwerksachse
10: Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
11: Lufteinlass
12: Fan
13: Mitteldruckkompressor (Verdichter)
14: Hochdruckkompressor
15: Brennkammer
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Leitschaufeln
21: Triebwerksgehäuse
22: Kompressorlaufschaufeln
23: Leitschaufeln
24: Turbinenschaufeln
26: Kompressortrommel oder -Scheibe
27: Turbinenrotornabe
28: Auslasskonus
29: Brennkammerwand
30: Schindel
31: Ringflansch
32: Ausnehmung
33: Befestigungselement
34: Gewinde
35: Mischluftleitrohr
36: zentrischer Bereich
37: Luftdurchtrittsausnehmung
38: Luftdurchtrittsausnehmung
39: Einströmbereich
40: Werkzeugeingriffsmittel

Claims

Schindelbefestigungsanordnung einer Gasturbinenbrennkammer (15) mit einer Brennkammerwand (29) und mit in einem Abstand an dieser befestigten Schindeln (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (30) mit einem an ihrer der Brennkammerwand (29) zugeordneten Seite angeordneten Ringflansch (31) versehen ist, welcher passend zu einer Ausnehmung (32) der Brennkammerwand (29) dimensioniert und mittels eines die Brennkammerwand (29) durchgreifenden Befestigungselements (33) an der Brennkammerwand (29) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (33) mittels eines Gewindes (34) mit dem Ringflansch (31) verschraubt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (33) mittels eines Gewindes (34) mit einem Mischluftleitrohr (35) unter Klemmung des Ringflansches (31) verschraubt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (33) rund ausgebildet ist und im zentrischen Bereich (36) mit Luftdurchtrittsausnehmungen (37) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (30) zumindest innerhalb des Ringflansches (31) mit Luftdurchtrittsausnehmungen (38) versehen ist.
Schindelbefestigungsanordnung einer Gasturbinenbrennkammer (15) mit einer Brennkammerwand (29) und mit in einem Abstand an dieser befestigten Schindeln (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (29) mit zumindest einer kreisrunden Ausnehmung (32) versehen ist, durch welche von der der Schindel (30) abgewandten Seite aus ein rund ausgebildetes Befestigungselement (33) durchgeführt und unmittelbar oder mittelbar mit einem an der Schindel (30) ausgebildeten Ringflansch (31) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (33) rohrartig ausgebildet und unter Klemmung des Ringflansches (31) mit einem Mischluftleitrohr (35) verschraubt ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (33) napfförmig ausgebildet ist, an seinem mittleren Bereich mit Luftdurchtrittsausnehmungen (37) versehen ist und mit einem Gewinde (34) des Ringflansches (31) verschraubt ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (30) innerhalb des Ringflansches (31) mit Luftdurchtrittsausnehmungen (38) versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (33) an seiner Außenseite mit Werkzeugeingriffsmitteln (40) versehen ist.