EP3034944A1 - Gasturbinenbrennkammer mit veränderter wandstärke - Google Patents

Gasturbinenbrennkammer mit veränderter wandstärke Download PDF

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EP3034944A1
EP3034944A1 EP15198122.2A EP15198122A EP3034944A1 EP 3034944 A1 EP3034944 A1 EP 3034944A1 EP 15198122 A EP15198122 A EP 15198122A EP 3034944 A1 EP3034944 A1 EP 3034944A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
gas turbine
air holes
turbine combustor
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15198122.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dr.-Ing. Miklós Gerendás
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP3034944A1 publication Critical patent/EP3034944A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04Air inlet arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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    • F23R3/50Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00005Preventing fatigue failures or reducing mechanical stress in gas turbine components

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine combustor according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a gas turbine combustor having at least one combustion chamber wall in which mixing air holes are formed in predetermined regions.
  • the invention has for its object to provide a gas turbine combustor of the type mentioned above, which avoids the disadvantages of the prior art with a simple structure and simple, cost manufacturability and in particular in the area of the mixing air holes has sufficient strength.
  • the combustion chamber has a greater wall thickness in the area of the mixed air holes than in the areas not provided with mixed air holes.
  • the mixing air holes are arranged in a central region of the combustion chamber, based on the axial extent of the combustion chamber and in the circumferential direction of the combustion chamber.
  • This annular peripheral region, in which the mixing air holes are arranged, is provided according to the invention with a greater wall thickness.
  • the load-bearing wall thickness of the combustion chamber wall is thus increased locally to the extent in which the cross section carrying the mixing air holes in the circumferential direction is removed. According to the invention, it is possible to use this solution both in single-layer and in two-layer combustion chamber walls. In the case of a two-layer combustion chamber wall, it is possible according to the invention to provide or to thicken only one layer, for example the load-bearing outer combustion-chamber wall or the hot, inner combustion-chamber wall or both.
  • the stiffness of the combustion chamber wall no longer varies in the longitudinal direction, but is constant, in particular in the area of the mixing air holes, in particular compared with the areas in which no mixed air holes are formed.
  • the external load distortions do not concentrate in the area provided with the mixed air holes.
  • a gap which may arise between the shingle (inner combustion chamber wall) and the shingle support (outer combustion chamber wall), becomes smaller due to the constant rigidity.
  • the invention is applicable both to combustion chamber walls which are manufactured as a cast part, and to combustion chamber walls which are produced by means of a generative method (laser sintering, ALM, additive layer manufacturing).
  • ALM laser sintering
  • ALM additive layer manufacturing
  • the invention can also apply to combustor walls made of fiber reinforced ceramic (CMC).
  • CMC fiber reinforced ceramic
  • the number of layers of ceramic fiber fabric or windings in the area of the mixed air holes is increased locally. This is associated with little additional effort, since the wall is basically constructed of several layers, only in the area of the mixed air holes, the number of layers of, for example, 12 increased to 20.
  • the increase in wall thickness is more pronounced in CMC, since the wall temperature may be higher, so less cooling air must be used, and thus more air to be passed through the mixing holes, which increases their diameter beyond what is possible with a metallic construction.
  • the layers can be inserted on the inside or outside or as additional intermediate layers with limited axial extent.
  • the shingle can be thickened by eliminating the bridge to the outside. This can also be done in the form of a rib on the cold side of the shingle, which then protrudes through the opening in the cold combustion chamber wall.
  • the gas turbine engine 110 is a generalized example of a turbomachine, in which the invention can be applied.
  • the engine 110 is formed in a conventional manner and comprises in succession an air inlet 111, a fan 112 circulating in a housing, a medium pressure compressor 113, a high pressure compressor 114, a combustion chamber 115, a high pressure turbine 116, a medium pressure turbine 117 and a low pressure turbine 118 and a Exhaust nozzle 119, which are all arranged around a central engine center axis 101.
  • the intermediate pressure compressor 113 and the high pressure compressor 114 each include a plurality of stages, each of which includes a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 120, commonly referred to as stator vanes, which are radially inwardly of the engine casing 121 in an annular manner Flow channel through the compressors 113, 114 protrude.
  • the compressors further include an array of compressor blades 122 projecting radially outward from a rotatable drum or disk 125 coupled to hubs 126 of high pressure turbine 116 and intermediate pressure turbine 117, respectively.
  • the turbine sections 116, 117, 118 have similar stages, comprising an array of fixed vanes 123 projecting radially inward from the housing 121 into the annular flow passage through the turbines 116, 117, 118, and a downstream array of turbine blades 124, projecting outwardly from a rotatable hub 126.
  • the compressor drum or compressor disk 125 and the vanes 122 disposed thereon and the turbine rotor hub 126 and turbine blades 124 disposed thereon rotate about the engine centerline 101 during operation.
  • the Fig. 2 shows a longitudinal sectional view of a known from the prior art combustion chamber wall in an enlarged view.
  • a combustion chamber 1 is shown with a central axis 9, which comprises a combustion chamber head 3, a base plate 8 and a heat shield 2.
  • a burner seal is provided with the reference numeral 4.
  • the combustion chamber 1 has an outer cold combustion chamber wall 7, to which an inner, hot combustion chamber wall 6 is attached.
  • mixed air mixing air holes 5 are provided for supplying mixed air mixing air holes 5 are provided. The presentation of impingement cooling holes and effusion holes has been omitted for clarity.
  • the inner combustion chamber wall 6 is provided with bolts 13, which are designed as threaded bolts and are screwed by means of nuts 14.
  • the storage of the combustion chamber 1 via Brennschflansche 12 and 11 Brennschhfitmaschine.
  • Prior art combustor walls made of sheet metal typically have a constant thickness in the range of 0.9 to 1.6 mm, while combustor walls made as castings have wall thicknesses of between 1.2 and 2.5 mm have.
  • the 3 and 4 show in a schematic side view of a combustion chamber wall, the arrangement of mixed air holes.
  • the Fig. 3 shows, for example, the assignment of mixed air holes, as they are known from the prior art. It will be understood that the change in wall thickness, and hence rigidity, of the combustion chamber wall will depend on the arrangement and pattern of the mixing air holes. In particular, the axial distance and the circumferential distance of the mixed air holes must be taken into account. Furthermore, the respective diameters of the mixed air holes play a role.
  • the wall thickness is increased substantially by 41%.
  • the wall thickness is increased substantially by 73%.
  • the smallest web width occurs between the mixed air holes of one row or between the mixed air holes of adjacent rows. This only determines the axial position of the maximum wall thickness. If the smallest web width lies between the mixed air holes of a row, then the maximum of the wall thickness lies at the axial position of the axes of the mixed air hole row. If the minimum land width lies between mixed air holes of adjacent rows of mixed air holes, then the maximum wall thickness between the central axes of the two rows of mixing air holes is substantially midway between the rows.
  • the axial extent of the thickening for a mixed air hole row is substantially limited to the range between a hole diameter upstream and a hole diameter downstream.
  • the axial extent of the thickening for two rows of mixed air holes is limited to the range between a hole diameter of the upstream mixed air hole row upstream and a hole diameter of the downstream mixed air hole row downstream.
  • the wall thickness may be increased in a ramp in front of the thickness-determining ligament, followed by a region of constantly high wall thickness in the area of the mixing air holes and a ramp back to a lesser wall thickness, which then substantially until shortly before the end of the combustion chamber is maintained.
  • the substantially constant wall thickness before the mixing air hole row need not be identical to the substantially constant wall thickness downstream thereof.
  • the transitions in the wall thickness are fluent designed to avoid voltage spikes by cross-sectional jumps.
  • the sheet thickness of the outer, cold combustion chamber wall 7 from 1.2 mm to 1.6 mm, while the thickness of a formed as a casting, inner, hot combustion chamber wall 6 in the mixing air holes of 1.4 mm 2 mm is increased.
  • the Fig. 4 illustrates a possible embodiment according to the invention, in which the two Mischluftlochschloisn are substantially approximated in the circumferential direction or almost overlap.
  • the weakening of the combustion chamber wall would be further increased. According to the invention thus takes place in this area a greater thickening, as it follows in connection with the Fig. 5 and 6 is described.
  • a sheet thickness of a combustion chamber wall can be increased from 1.2 mm to 1.8 mm.
  • the wall thickness of a casting of 1.4 mm can be increased according to the invention, for example in the region of the intersection of the mixed air holes to 2.5 mm.
  • the invention can be used both with single-walled and two-walled combustion chambers.
  • a single-walled combustion chamber for example, the wall thickness of the metal sheet in the area of the mixed air holes is increased or the adjacent area not provided with mixed air holes is reduced in its cross-section by ironing pressures.
  • Abstreckrise a move away from standardized sheet thicknesses to a adapted to the local requirements wall thickness.
  • By means of ironing produced components with locally adapted wall thickness are cheaper to produce than components which are joined from several sheets, forgings or castings.
  • a multilayer wall construction of the combustion chamber wall which is produced for example as a cassette or by joining laminated sheets, it is possible according to the invention to adapt the wall thickness in the region of the mixing air holes analogously to the local requirements.
  • the Fig. 5 shows a sectional view of a combustion chamber analogous to Fig. 2
  • Fig. 2 is in the upper part of the figure as a diagram the wall thickness W over the length of the Combustion chamber wall applied. It follows that the combustion chamber wall has a constant wall thickness W over its entire length.
  • the in Fig. 5 shown embodiment in the area of the mixing air holes 5, a thickening of the wall and thus a greater wall thickness provided, as can be seen from the diagram in the upper half of the figure Fig. 5 results.
  • the Fig. 5 shows in the sectional view of a construction in which both the outer, cold combustion chamber wall 7, and the inner, hot combustion chamber wall 8 are formed thickened.
  • the Fig. 6 shows a further embodiment in a representation analog Fig. 5 , It can be seen that in addition to the in Fig. 5 provided thickening or increasing the wall thickness in the area between the mixing air holes 5 and in the region of their overlap (s Fig. 4 ) a further increase in wall thickness or wall thickness occurs. This results in particular from the diagram in the upper half of the representation of Fig. 6 ,

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einer Brennkammerwand 6, 7, in welcher in einem vorgegebenen Bereich, welcher sich ringförmig, bezogen auf eine Mittelachse der Brennkammer, in einem mittleren Bereich der Brennkammer um diese erstreckt, Mischluftlöcher 5 ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand 6, 7 im ringförmigen Bereich der Mischluftlöcher 5 eine größere Dicke W aufweist, als in den nicht mit Mischluftlöchern 5 versehenen Bereichen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einer Brennkammerwand, in welcher in vorgegebenen Bereichen Mischluftlöcher ausgebildet sind.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in Brennkammerwänden von Gasturbinen Mischluftlöcher vorzusehen, durch welche zusätzliche Luft in den Brennkammerinnenraum eingeleitet wird.
  • Zum Stand der Technik hierzu wird auf die EP 1 528 322 A2 , die EP 1 795 809 A2 oder die US 2002/0116929 A1 verwiesen.
  • Durch die Mischluftlöcher wird an einer bestimmten axialen Position eine deutliche Schwächung in die Brennkammerwand eingebracht. Mit steigendem Mischluftanteil durch bessere Kühlung und/oder durch verbesserte, festere Wandmaterialien ist es möglich, die Mischluftlöcher größer auszubilden. Dies führt dazu, dass die Festigkeit der Brennkammerwand zunehmend geschwächt wird. Diese Schwächung ergibt sich, da ein- oder zweischichtige Brennkammerwände aus Blechen oder Gussteilen konstanter Wandstärke hergestellt werden. Aufgrund dieser Materialschwächungen ergeben sich Risse. Der Rissfortschritt von Mischluftloch zu Mischluftloch ist dabei ein wesentlicher Faktor beim Versagen von Brennkammerwänden. Mit steigendem Mischluftanteil nimmt somit die Versagensgefahr erheblich zu.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere im Bereich der Mischluftlöcher eine ausreichende Festigkeit aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Brennkammer im Bereich der Mischluftlöcher eine größere Wanddicke aufweist, als in den nicht mit Mischluftlöchern versehenen Bereichen.
  • Die Mischluftlöcher sind in einem mittleren Bereich der Brennkammer, bezogen auf die axiale Erstreckung der Brennkammer und in Umfangsrichtung der Brennkammer angeordnet. Dieser ringförmige Umfangsbereich, in dem die Mischluftlöcher angeordnet sind, ist erfindungsgemäß mit einer größeren Wanddicke versehen.
  • Erfindungsgemäß wird somit die tragende Wandstärke der Brennkammerwand lokal in dem Maß erhöht, in dem in Umfangsrichtung durch die Mischluftlöcher tragender Querschnitt entfernt wird. Erfindungsgemäß ist möglich, diese Lösung sowohl bei einschichtigen, als auch bei zweischichtigen Brennkammerwänden einzusetzen. Bei einer zweischichtigen Brennkammerwand ist es erfindungsgemäß möglich, nur eine Schicht, beispielsweise die lasttragende äußere Brennkammerwand oder die heiße, innere Brennkammerwand oder beide mit einer größeren Dicke zu versehen bzw. aufzudicken.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich somit der Vorteil, dass die Steifigkeit der Brennkammerwand in Längsrichtung nicht mehr variiert, sondern insbesondere im Bereich der Mischluftlöcher konstant ist, insbesondere verglichen mit den Bereichen, in denen keine Mischluftlöcher ausgebildet sind. Hierdurch konzentrieren sich die Verformungen durch externe Lasten nicht in dem mit den Mischluftlöchern versehenen Bereich. Weiterhin wird ein Spalt, welcher zwischen der Schindel (innere Brennkammerwand) und dem Schindelträger (äußere Brennkammerwand) entstehen kann, durch die konstante Steifigkeit kleiner.
  • Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen ein wesentlicher Versagensmechanismus in der Brennkammer durch den Rissfortschritt von Mischluftloch zu Mischluftloch gebildet wird, erfolgt durch die erfindungsgemäße Aufdickung oder Vergrößerung der Dicke der Brennkammerwand speziell an den durch die Mischluftlöcher geschwächten Bereichen eine Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit der Brennkammerwand. Hierdurch ist es möglich, die Rissbildung und den Rissfortschritt zu minimieren. Dies erfolgt durch einen minimalen Materialaufwand bzw. eine minimale Gewichtserhöhung durch die Verdickung der Brennkammerwand.
  • Die Erfindung ist sowohl bei Brennkammerwänden, welche als Gussteil gefertigt sind, anwendbar, als auch bei Brennkammerwänden, welche mittels eines generativen Verfahrens (Lasersintern, ALM, additive layer manufacturing) hergestellt sind. Bei aus Blech hergestellten Brennkammern ist es erfindungsgemäß möglich, speziell konturierte Platinen zu verwenden oder die dünneren Bereiche der Wandung durch Abstreckdrücken zu erzeugen.
  • Analog läßt sich die Erfindung auch auf Brennkammerwände aus faserverstärkter Keramik (CMC) anwenden. Hier wird die Anzahl der Lagen der Keramikfasergewebe oder -wicklungen im Bereich der Mischluftlöcher lokal erhöht. Dies ist mit einem geringen zusätzlichen Aufwand verbunden, da die Wand grundsätzlich aus mehreren Lagen aufgebaut wird, nur wird im Bereich der Mischluftlöcher die Lagenanzahl von zum Beispiel 12 auf 20 erhöht. Die Erhöhung der Wandstärke fällt bei CMC stärker aus, da die Wandtemperatur höher sein darf, also weniger Kühlluft verwendet werden muss, und damit mehr Luft durch die Mischluftlöcher geführt werden soll, was deren Durchmesser über das bei einer metallischen Konstruktion mögliche Maß erhöht. Die Lagen können auf der Innen- oder Außenseite oder als zusätzliche Zwischenlagen mit begrenzter axialer Erstreckung eingefügt werden.
  • Bei bestimmten Mischluftlochmustern in einer doppelwandigen Brennkammer ist es zusätzlich vorteilhaft, zwischen eng benachbarten Mischluftlöchern keinen schmalen Steg mehr zwischen den Mischluftlöchern zu haben, sondern die beiden engbenachbarten Mischluftlöcher in der Schindel durch eine einzige Öffnung in der kalten Brennkammerwand mit Luft zu versorgen. Die Schindel kann durch Wegfall des Steges nach außen aufgedickt werden. Dies kann auch in Form einer Rippe auf der Kaltseite der Schindel geschehen, welche dann durch die Öffnung in der kalten Brennkammerwand hindurchragt.
  • In jedem Falle erfolgt eine Vergrößerung der Dicke der Brennkammerwand so, dass die Mischluftlöcher die Steifigkeit der Brennkammerwand nicht mindern.
  • 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 Längs-Schnittansicht einer Brennkammer gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    eine schematische Ansicht der Anordnung von Mischluftlöchern gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 4
    eine Ansicht, analog Fig. 3, einer erfindungsgemäßen Anordnung von Mischluftlöchern,
    Fig. 5
    eine schematische Seitenansicht einer Brennkammer analog Fig. 2, eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
    Fig. 6
    eine Ansicht, analog Fig. 5, eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Das Gasturbinentriebwerk 110 gemäß Fig. 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 110 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 111, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 112, einen Mitteldruckkompressor 113, einen Hochdruckkompressor 114, eine Brennkammer 115, eine Hochdruckturbine 116, eine Mitteldruckturbine 117 und eine Niederdruckturbine 118 sowie eine Abgasdüse 119, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksmittelachse 101 angeordnet sind.
  • Der Mitteldruckkompressor 113 und der Hochdruckkompressor 114 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 120 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 121 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 113, 114 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 122 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 125 vorstehen, die mit Naben 126 der Hochdruckturbine 116 bzw. der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt sind.
  • Die Turbinenabschnitte 116, 117, 118 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 123, die radial nach innen vom Gehäuse 121 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 116, 117, 118 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 124, die nach außen von einer drehbaren Nabe 126 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 125 und die darauf angeordneten Schaufeln 122 sowie die Turbinenrotornabe 126 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 124 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksmittelachse 101.
  • Die Fig. 2 zeigt eine Längs-Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerwand in vergrößerter Darstellung. Dabei ist eine Brennkammer 1 mit einer Mittelachse 9 dargestellt, welche einen Brennkammerkopf 3, eine Grundplatte 8 und ein Hitzeschild 2 umfasst. Eine Brennerdichtung ist mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Die Brennkammer 1 weist eine äußere kalte Brennkammerwand 7 auf, an welcher eine innere, heiße Brennkammerwand 6 befestigt ist. Zur Zuführung von Mischluft sind Mischluftlöcher 5 vorgesehen. Auf die Darstellung von Prallkühllöchern und Effusionslöchern wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
  • Die innere Brennkammerwand 6 ist mit Bolzen 13 versehen, welche als Gewindebolzen ausgeführt sind und mittels Muttern 14 verschraubt sind. Die Lagerung der Brennkammer 1 erfolgt über Brennkammerflansche 12 und Brennkammeraufhängungen 11.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Brennkammerwände, welche aus Blech gefertigt sind, weisen üblicherweise eine konstante Dicke im Bereich von 0,9 bis 1,6 mm auf, während Brennkammerwände, die als Gussteile gefertigt werden, Wanddicken zwischen 1,2 und 2,5 mm aufweisen.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen in einer schematischen Seitenansicht einer Brennkammerwand die Anordnung von Mischluftlöchern. Die Fig. 3 zeigt beispielsweise die Zuordnung von Mischluftlöchern, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind. Es versteht sich, dass die Änderung der Wanddicke und damit der Steifigkeit der Brennkammerwand von der Anordnung und dem Muster der Mischluftlöcher abhängen. Dabei ist insbesondere der Axialabstand und der Umfangsabstand der Mischluftlöcher zu berücksichtigen. Weiterhin spielen die jeweiligen Durchmesser der Mischluftlöcher eine Rolle.
  • Die größere Dicke (W) der Brennkammer (6, 7) ist mit einer Wandstärke ausgebildet, wobei die maximale Wandstärke nach folgender Gleichung berechnet wird: W max = C * A - S r / A * W 0
    Figure imgb0001
    Mit
    • Wmax: maximale Wandstärke
    • W0: nominale Wandstärke
    • A: Abstand der Lochmitten benachbarter Löcher
    • Sr. Summe der Lochradien benachbarten Löcher
    • C: Wirkfaktor 0,7..1,3: vom Konstrukteur zu wählen, basierend auf früheren Erfahrungen. Dieser Faktor kann für unterschiedliche Anwendungen (je nach Erfahrung) andere Werte annehmen.
  • Es ergibt sich somit beispielsweise für einen Wirkfaktor=1 folgende Handlungsanweisung:
    • Unterschreitet die verbleibende Stegbreite zwischen benachbarten Mischluftlöchern die Summe der Durchmesser der beiden Mischluftlöcher um mehr als 20%, so wird die Wandstärke um mindestens 27% erhöht.
  • Unterschreitet die verbleibende Stegbreite zwischen benachbarten Mischluftlöchern den Mittelwert der Durchmesser der beiden Mischluftlöcher, so wird die Wandstärke im Wesentlichen um 41 % erhöht.
  • Unterschreitet die verbleibende Stegbreite zwischen benachbarten Mischluftlöchern den Mittelwert der Radien der beiden Mischluftlöcher, so wird die Wandstärke im Wesentlichen um 73% erhöht.
  • Hierbei ist es unerheblich, ob die geringste Stegbreite zwischen den Mischluftlöchern einer Reihe oder zwischen den Mischluftlöchern benachbarter Reihen auftritt. Dies legt nur die axiale Position der maximalen Wandstärke fest. Liegt die geringste Stegbreite zwischen den Mischluftlöchern einer Reihe, so liegt das Maximum der Wandstärke an der axialen Position der Achsen der Mischluftlochreihe. Liegt die minimale Stegbreite zwischen Mischluftlöchern benachbarter Mischluftlochreihen, dann liegt die maximale Wandstärke zwischen den Mittelachsen der beiden Reihen der Mischluftlöcher im Wesentlichen in der Mitte zwischen den Reihen.
  • Die axiale Erstreckung der Aufdickung für eine Mischluftlochreihe wird im Wesentlichen auf den Bereich zwischen einem Lochdurchmesser stromauf und einem Lochdurchmesser stromab beschränkt.
  • Die axiale Erstreckung der Aufdickung für zwei Mischluftlochreihen wird auf den Bereich zwischen einem Lochdurchmesser der stromaufliegenden Mischluftlochreihe stromauf und einem Lochdurchmesser der stromabliegenden Mischluftlochreihe stromab beschränkt.
  • Sind unterschiedliche Mischluftlochdurchmesser in einer Reihe vorhanden, so gilt für diese Begrenzungen der größte Durchmesser der jeweiligen Lochreihe.
  • Zur Vereinfachung der Fertigung kann die Erhöhung der Wandstärke in einer Rampe vor dem die Dicke bestimmenden Ligament erfolgen, gefolgt von einem Bereich konstant hoher Wandstärke im Bereich der Mischluftlöcher und einer Rampe zurück zu einer geringeren Wandstärke, welche dann im Wesentlichen bis kurz vor Ende der Brennkammer beibehalten wird. Hierbei muss die im Wesentlichen konstante Wandstärke vor der Mischluftlochreihe nicht identisch sein mit der im Wesentlichen konstanten Wandstärke stromab hiervon. Hierdurch werden die Übergänge in der Wandstärke fließend gestaltet, um Spannungsspitzen durch Querschnittssprünge zu vermeiden.
  • Erfindungsgemäß ist es beispielsweise möglich, die Blechdicke der äußeren, kalten Brennkammerwand 7 von 1,2 mm auf 1,6 mm zu erhöhen, während die Dicke einer als Gussteil ausgebildeten, inneren, heißen Brennkammerwand 6 im Bereich der Mischluftlöcher von 1,4 mm auf 2 mm erhöht wird. Somit ist es möglich, bei bekannten Mustern oder Anordnungen von Mischluftlöchern 5 durch eine Verdickung der Wandstärke eine Änderung der Steifigkeit so zu erreichen, dass die ohne die Verdickung auftretende Schwächung der Wandung kompensiert wird.
  • Die Fig. 4 verdeutlicht eine erfindungsgemäß mögliche Ausgestaltung, bei welcher die beiden Mischluftlochreihen in Umfangsrichtung erheblich angenähert sind oder sich fast überdecken. Ohne eine Erhöhung der Wanddicke, so wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, würde die Schwächung der Brennkammerwand weiter erhöht. Erfindungsgemäß erfolgt somit in diesem Bereich eine stärkere Aufdickung, so wie es nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 beschrieben wird. Beispielsweise kann eine Blechdicke einer Brennkammerwand von 1,2 mm auf 1,8 mm erhöht werden. Die Wandstärke eines Gussteils von 1,4 mm kann erfindungsgemäß beispielsweise im Bereich der Überschneidung der Mischluftlöcher auf 2,5 mm erhöht werden.
  • Die Erfindung ist, wie erwähnt, sowohl bei einwandigen als auch zweiwandigen Brennkammern einsetzbar. Bei einer einwandigen Brennkammer wird beispielsweise die Wandstärke des Blechs im Bereich der Mischluftlöcher erhöht oder es wird der angrenzende, nicht mit Mischluftlöchern versehene Bereich durch Abstreckdrücken in seinem Querschnitt verringert. Durch das Abstreckdrücken erfolgt eine Abkehr von standardisierten Blechdicken hin zu einer an die lokalen Erfordernisse angepassten Wandstärke. Durch Abstreckdrücken erzeugte Bauteile mit lokal angepasster Wandstärke sind kostengünstiger herstellbar als Bauteile, welche aus mehreren Blechen, Schmiede- oder Gussteilen gefügt werden. Bei einer mehrschichtigen Wandkonstruktion der Brennkammerwand, welche beispielsweise als Kassette oder durch Fügen von laminierten Blechen hergestellt wird, ist es erfindungsgemäß möglich, die Wandstärke im Bereich der Mischluftlöcher analog den lokalen Erfordernissen anzupassen.
  • Die Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer Brennkammer analog der Fig. 2. In Fig. 2 ist im oberen Teil der Abbildung als Diagramm die Wandstärke W über die Länge der Brennkammerwand aufgetragen. Daraus ergibt sich, dass die Brennkammerwand eine konstante Wandstärke W über ihre gesamte Länge aufweist. Im Vergleich hierzu ist bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich der Mischluftlöcher 5 eine Verdickung der Wand und somit eine größere Wandstärke vorgesehen, so wie sich dies aus dem Diagramm in der oberen Hälfte der Abbildung der Fig. 5 ergibt.
  • Die Fig. 5 zeigt in der Schnittansicht eine Konstruktion, bei welcher sowohl die äußere, kalte Brennkammerwand 7, als auch die innere, heiße Brennkammerwand 8 verdickt ausgebildet sind. Hierdurch wird die Abnahme des hinsichtlich der Festigkeit zur Verfügung stehenden Querschnitts der beiden Brennkammerwände 7, 8 durch die Verdickung ausgeglichen.
  • Die Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Darstellung analog Fig. 5. Dabei ist ersichtlich, dass zusätzlich zu der in Fig. 5 vorgesehenen Verdickung oder Erhöhung der Wandstärke im Bereich zwischen den Mischluftlöchern 5 bzw. im Bereich deren Überdeckung (s. auch Fig. 4) eine nochmalige Erhöhung der Wandstärke oder Wanddicke erfolgt. Dies ergibt sich insbesondere auch aus dem Diagramm in der oberen Hälfte der Darstellung der Fig. 6.
  • Bezugszeichenliste:
  • 1
    Brennkammer
    2
    Hitzeschild
    3
    Brennkammerkopf
    4
    Brennerdichtung
    5
    Mischluft
    6
    innere, heiße Brennkammerwand/Segment/Schindel
    7
    äußere, kalte Brennkammerwand
    8
    Grundplatte
    9
    Mittelachse
    10
    Dichtlippe
    11
    Brennkammeraufhängung
    12
    Brennkammerflansch
    13
    Bolzen
    14
    Mutter
    101
    Triebwerksmittelachse
    110
    Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
    111
    Lufteinlass
    112
    Fan
    113
    Mitteldruckkompressor (Verdichter)
    114
    Hochdruckkompressor
    115
    Brennkammer
    116
    Hochdruckturbine
    117
    Mitteldruckturbine
    118
    Niederdruckturbine
    119
    Abgasdüse
    120
    Leitschaufeln
    121
    Triebwerksgehäuse
    122
    Kompressorlaufschaufeln
    123
    Leitschaufeln
    124
    Turbinenschaufeln
    125
    Kompressortrommel oder -Scheibe
    126
    Turbinenrotornabe
    127
    Auslasskonus
    W
    Wandstärke / Wanddicke

Claims (9)

  1. Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einer Brennkammerwand (6, 7), in welcher in einem vorgegebenen Bereich, welcher sich ringförmig, bezogen auf eine Mittelachse der Brennkammer, in einem mittleren Bereich der Brennkammer um diese erstreckt, Mischluftlöcher (5) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) im ringförmigen Bereich der Mischluftlöcher (5) eine größere Dicke (W) aufweist, als in den nicht mit Mischluftlöchern (5) versehenen Bereichen.
  2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) in allen Bereichen, insbesondere in Längsrichtung, bezogen auf die Durchströmungsrichtung der Brennkammer (1), eine im Wesentlichen konstante Steifigkeit aufweist.
  3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Dicke (W) der Brennkammer (6, 7) mit einer Wandstärke ausgebildet ist, wobei die maximale Wandstärke nach folgender Gleichung berechnet wird: W max = C * A - S r / A * W 0
    Figure imgb0002
    Wmax· maximale Wandstärke
    W0: nominale Wandstärke
    A: Abstand der Lochmitten benachbarter Löcher
    Sr. Summe der Lochradien benachbarten Löcher
    C: Wirkfaktor 0,7..1,3
  4. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) einschichtig ausgebildet ist.
  5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) zweischichtig ausgebildet ist und zumindest eine der Brennkammerwände (6, 7) im Bereich der Mischluftlöcher (5) mit einer größeren Wanddicke versehen ist.
  6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) als Gussteil gefertigt ist.
  7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) mittels eines generativen Verfahrens gefertigt ist.
  8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) aus konturierten Blechmaterialien gefertigt ist.
  9. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) aus einem faserverstärkten Keramikmaterial gefertigt ist.
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