[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer gemäß den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
[0002] Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbinenbrennkammer mit einer
Brennkammerwand und mit zumindest einer in einem Abstand von der Brennkammerwand an
dieser befestigten Schindel. Es liegt somit eine doppelwandige Brennkammerkonstruktion
vor, bei welcher die äußere Brennkammerwand als Schindelträger dient. Der Abstand
zwischen der Schindel und der Brennkammerwand wird von Kühlluft durchströmt. Zusätzlich
ist zumindest ein Mischluftloch vorgesehen, welches sowohl die Brennkammerwand als
auch die Schindel durchdringt, um Mischluft in den Innenraum der Brennkammer zu leiten.
[0003] Die Schindel weist an ihrem Umfangsrand einen Schindelrand auf, welcher gegen die
äußere Brennkammerwand anliegt. Der Schindelrand dient insbesondere dazu, den Abstand
zwischen der Brennkammerwand und der Schindel aufrechtzuerhalten und somit eine effektive
Kühlung sicherzustellen.
[0004] Durch das Mischluftloch der Brennkammerwand ist ein rohrförmiges, mit einem Ringflansch
versehenes Befestigungselement eingebracht, welches mit dem Ringflansch an der der
Schindel abgewandten Seite der Brennkammerwand, somit der kalten Seite der Brennkammerwand,
anliegt. Eine derartige Konstruktion ist aus der
EP 2 738 470 B1 bekannt.
[0005] Der Stand der Technik zeigt eine Vielzahl von Möglichkeiten, um die Schindel an der
Brennkammerwand zu befestigen:
Die EP 1 413 831 A1 und die EP 2 886 962 A1 zeigen Konstruktionen, bei welchen Hakenelemente vorgesehen sind, um die Schindeln
zu fixieren.
[0006] Aus der
EP 2 873 921 A1 ist eine Konstruktion vorbekannt, bei welcher ein Stehbolzen mit einem an der Kaltseite
der Brennkammerschindel verklebten Element verbunden wird. Der Stehbolzen erstreckt
sich durch die Brennkammerwand und ist an der Außenseite der Brennkammerwand verschraubt.
Eine Verschraubung mittels eines Bolzens, der von der Außenseite der Brennkammerwand
montiert wird, zeigt auch die
EP 2 295 865 A2. Eine Verschraubung mittels eines einstückig mit der Schindel ausgebildeten Bolzens
ist aus der
EP 2 743 585 A1 vorbekannt. Eine abgewandelte Konstruktion, bei welcher der Fußbereich des Bolzens
durch Prallkühlung gekühlt wird, zeigt die
EP 2 700 877 A2.
[0007] Die oben erwähnte
EP 2 738 470 B1 sieht eine Verschraubung eines ein Mischluftloch ausbildenden Befestigungselements
mit einem flanschartigen Ansatz der Schindel vor. Hierbei kann sich der Nachteil ergeben,
dass die Verschraubung zusätzlich gegen ein Lösen gesichert werden muss. Weiterhin
können nur kreisrunde Mischluftlöcher in dieser Konstruktion ausgebildet werden.
[0008] Ganz allgemein besteht bei doppelwandigen Brennkammern stets die Notwendigkeit, die
Brennkammerschindeln betriebssicher an der Brennkammerwand zu befestigen. Die Brennkammerschindeln
schützen das Brennkammergehäuse vor hohen Temperaturen, die während der Verbrennung
in der Brennkammer entstehen. Um eine ausreichende Lebensdauer der Schindeln zu erzielen,
sind diese auf der Heißgasseite mit einer Keramikschutzschicht versehen. Zusätzlich
weisen die Schindeln Effusionskühllöcher auf, durch welche aus dem Zwischenraum zwischen
der Brennkammerwand und der Schindel Kühlluft austreten kann, die sich als Kühlfilm
auf die Heißseite der Schindel legt. Die Kühlung der Schindel durch die Effusionskühllöcher
ist ein wesentlicher Aspekt, der eine gleichmäßige Schindeltemperatur gewährleistet.
Bei der Befestigung der Schindeln mittels üblichen Befestigungselementen, beispielsweise
Schrauben, ergibt sich der Nachteil, dass im Befestigungsbereich der Schrauben keine
ausreichende Kühlung der Brennkammerschindeln möglich ist, da dort keine Effusionskühllöcher
vorgesehen werden können, ohne die mechanische Eigenschaft des Befestigungselements
zu beeinträchtigen. Hierdurch ergibt sich eine nicht-effektive Kühlung der Heißseite
der Schindeln in diesen Bereichen. Dies wiederum führt zu lokal höheren Temperaturen,
durch welche die Lebensdauer der Befestigungselemente ebenso beeinträchtigt wird,
wie die Lebensdauer der Schindel selbst.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer mit Schindelbefestigung
zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit
die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine gute Kühlung
der Brennkammerschindel ermöglicht.
[0010] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst,
die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
[0011] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das Befestigungselement an seiner Außenseite
mit ersten Verrastungsmitteln versehen ist, welche mit zweiten Verrastungsmitteln
in Eingriff sind, welche an einem rohrförmigen Verrastungselement ausgebildet sind,
welches die Brennkammerschindel mit der Brennkammerwand verspannt.
[0012] Die erfindungsgemäße Lösung sieht somit eine Verrastung mittels des Befestigungselements
vor. Diese Verrastung erfolgt so, dass die Brennkammerschindel mit der Brennkammerwand
unter Aufbringung einer Vorspannung verspannt ist. Erfindungsgemäß sind somit keine
Schrauben oder Gewindebolzen oder ähnliches erforderlich. Es brauchen somit an der
Schindel selbst keine zusätzlichen Bauelemente vorgesehen sein. Hierdurch vereinfacht
sich der Gesamtaufbau der Schindel ganz erheblich. Im Übrigen kann die Schindel mit
einer gleichbleibenden Wanddicke versehen sein, sodass sich optimierte Kühlungseigenschaften
ergeben. Da erfindungsgemäß keine Verschraubung vorliegt, besteht auch nicht die Gefahr,
dass sich die Schindel von der Brennkammer löst, beispielsweise durch Vibrationen
während des Betriebs der Gasturbine.
[0013] Erfindungsgemäß ist es auch nicht erforderlich, in die äußere, kalte Brennkammerwand
für die Befestigung mittels Gewindebolzen oder ähnlichem zusätzliche Löcher einzubringen.
Diese können die Festigkeit der Gesamtkonstruktion beeinträchtigen und führen zu einem
erhöhten Fertigungsaufwand. Vielmehr werden erfindungsgemäß die vorhandenen Mischluftlöcher
oder Mischluftöffnungen verwendet, um jeweils ein Befestigungselement in diese Mischluftöffnungen
einzubringen, welches rohrförmig ausgebildet ist und sich in Richtung auf die Brennkammerschindel
oder durch diese erstreckt und zur Verrastung der Brennkammerschindel verwendet wird.
Es erfolgt somit eine selbstsichernde Verklemmung der Brennkammerschindel.
[0014] In günstiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verrastungsteil
einstückig mit der Brennkammerschindel ausgebildet ist. Es ist jedoch auch möglich,
das Verrastungselement als separates Bauteil zu fertigen und bei der Montage in das
Mischluftloch der Brennkammerschindel einzubringen. Die erste Ausgestaltungsvariante
ist insbesondere bei Brennkammerschindeln günstig, welche mittels eines Gussverfahrens
oder mittels eines additiven Verfahrens, beispielsweise eines Laserauftragsschweißverfahrens
hergestellt sind. Hierbei ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, das
Verrastungselement einstückig mit der Schindel zu fertigen. Bei einer separaten Ausgestaltung
des Verrastungselements können insbesondere Schindeln, welche aus einem Blechmaterial
gefertigt sind, einfach und betriebssicher an der Brennkammerwand befestigt werden.
[0015] Das Verrastungselement ist erfindungsgemäß bevorzugterweise rohrförmig ausgebildet
und weist an seiner Innenseite die zweiten Verrastungsmittel auf. Erfindungsgemäß
können die ersten und/oder die zweiten Verrastungsmittel in Form von ringartigen Erhebungen
und/oder Nuten ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, einzelne Verrastungshaken
oder ähnliches vorzusehen, welche in ringartige Nuten oder in Ausnehmungen des jeweils
zugeordneten Bauteils eingreifen.
[0016] Um das Verrastungselement mit dem Befestigungselement durch eine Rastverbindung zu
verankern, ist es besonders vorteilhaft, wenn entweder das Verrastungselement oder
das Befestigungselement im Bereich der Verrastungsmittel elastisch ausbildet ist.
Dies kann beispielsweise durch zumindest einen Längsschlitz, der sich längs der Mittelachse
des Mischluftlochs erstreckt, realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei,
wenn das an der Brennkammerschindel vorgesehene Verrastungselement starr ausgebildet
ist, während das Befestigungselement zumindest zum Teil elastisch ist, beispielsweise
mittels der oben beschriebenen Schlitzung.
[0017] Die Montage der Brennkammerschindel kann erfindungsgemäß durch manuelles Zusammendrücken
und Verrasten des Befestigungselements und des Verrastungselements erfolgen. Unter
Verwendung geeigneter Werkzeuge ist es möglich, die Brennkammerschindel wieder zu
entfernen, beispielsweise zu Reparaturzwecken oder Wartungszwecken.
[0018] Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Mischluftloch
nicht rund ausgebildet sein muss. Vielmehr ist es auch möglich, längliche oder ovale
Mischluftlöcher vorzusehen und entsprechend die Befestigungselemente und die Verrastungselemente
der Form des jeweiligen Mischluftlochs anzupassen.
[0019] Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht in vorteilhafter Weiterbildung eine Montage
der Brennkammerschindel an der Brennkammerwand, ohne dass die Brennkammerschindel
im Bereich des Mischluftlochs die Brennkammerwand direkt kontaktiert. Vielmehr liegt
die Brennkammerschindel mit ihren Schindelrändern gegen die Brennkammerwand an, um
einen ausreichenden Zwischenraum zur Einleitung von Kühlluft sicherzustellen. Im Bereich
der Mischluftlöcher kann die Montage in erfindungsgemäßer Weise so erfolgen, dass
eine Vorspannung zwischen der Schindel und der Brennkammerwand erreicht wird. Die
Größe der Vorspannung ist konstruktiv wählbar, beispielsweise durch die Höhe des Schindelrands
und/oder durch die Dimensionierung des Befestigungselements und des rohrförmigen Verrastungselements.
Die Vorspannung sichert die Montage der Brennkammerschindel.
[0020] 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 Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
bei welchem das Verrastungselement einstückig mit der Brennkammerschindel verbunden
ist,
- Fig. 4 und 5
- perspektivische Darstellungen einer Brennkammerschindel gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 3, und
- Fig. 6
- eine perspektivische Teil-Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels mit separatem
Verrastungselement.
[0021] 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
mit einem Auslasskonus, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksmittelachse 101 angeordnet
sind.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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. Mit 10 ist eine
Dichtlippe bezeichnet.
[0026] Die Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Dabei ist eine Brennkammerwand 7 dargestellt, welche eine äußere, kalte
Brennkammerwand 7 bildet und auch als Schindelträger bezeichnet werden kann. Die Brennkammerwand
7 ist mit einem Mischluftloch 5 versehen, dessen Mittelachse mit 21 bezeichnet ist.
[0027] Auf der heißen Seite der Brennkammerwand 7 ist eine Schindel 6 angeordnet, welche,
wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, mit einem umlaufenden Schindelrand 15 versehen
ist. Dieser liegt, analog der Darstellung der Fig. 6, gegen die Innenseite der Brennkammerwand
7 an und bildet somit einen Zwischenraum 22, durch welchen in nicht dargestellter
Weise Kühlluft durchgeführt werden kann, insbesondere durch nicht dargestellte Prallkühllöcher.
Die Kühlluft aus dem Zwischenraum 22 wird durch Effusionskühllöcher (nicht dargestellt)
der Schindel 6 auf die heiße Oberfläche der Schindel 6 geleitet.
[0028] Die Fig. 3 zeigt, dass die Schindel 6 ebenfalls mit einem Mischluftloch versehen
ist, welches durch ein rohrförmiges Verrastungselement 20 begrenzt wird. An der heißen
Seite der Schindel ist ein Ringflansch 23 vorgesehen, welcher sich in den Innenraum
der Brennkammer 1 erstreckt.
[0029] An der Innenseite des rohrförmigen Verrastungselements 20 sind zweite Verrastungsmittel
19 ausgebildet, welche in erste Verrastungsmittel 18 verrastet sind, welche an einem
rohrförmigen Befestigungselement 17 ausgebildet sind. Das rohrförmige Befestigungselement
17 weist einen äußeren Ringflansch 16 auf, mit welchem es gegen die kalte Außenseite
der Brennkammerwand 7 anliegt.
[0030] Die Verrastungsmittel 18 und 19 können in Form von sägezahnartigen oder trapezförmigen
Erhebungen und/oder Ausnehmungen ausgebildet sein, welche sich ringartig um den Umfang
sowohl des Verrastungselements 20 als auch des rohrförmigen Befestigungselements 17
erstrecken. Durch ein Eindrücken des Befestigungselements 17 in das Verrastungselement
20 werden die beiden Elemente miteinander verrastet. Da die Schindel 6 mit ihrem Schindelrand
15 gegen die Brennkammerwand 7 anliegt, ergibt sich zwischen dem Verrastungselement
20 und der Brennkammerwand 7 ein Abstand. Die Höhe des Verrastungselements 20 ist
somit geringer, als die Höhe des Schindelrands 15. Hierdurch ist es möglich, die Montage
der Schindel 6 an der Brennkammerwand 7 unter einer Vorspannung vorzunehmen.
[0031] Die Fig. 4 und 5 zeigen in perspektivischer Darstellung jeweils eine Schindel 6 in
Ansicht von der kalten Seite (Fig. 4) und der heißen Seite (Fig. 5). Dabei ist insbesondere
das rohrförmige Befestigungselement 17 mit dem Ringflansch 16 verdeutlicht dargestellt.
[0032] Die Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem das Verrastungselement
20 als separates Bauteil ausgebildet ist, welches einen Flansch 24 aufweist, mit dem
sich das Befestigungselement 20 von der heißen Seite der Schindel 6 an dieser abstützt.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Verrastungselement 20 zweite Verrastungsmittel
19 auf, welche in erste Verrastungsmittel 18 des Befestigungselements 17 eingerastet
sind. Auch aus der Fig. 6 ist ersichtlich, dass der Schindelrand 15 gegen die Brennkammerwand
7 anliegt, während die Höhe des Verrastungselements 20 geringer ist, als die Höhe
des Schindelrandes 15, so dass das Verrastungselement 20 die Brennkammerwand 7 nicht
berührt. Hierdurch ist die Montage mittels einer Vorspannung möglich.
Bezugszeichenliste:
[0033]
- 1
- Brennkammer
- 2
- Hitzeschild
- 3
- Brennkammerkopf
- 4
- Brennerdichtung
- 5
- Mischluftloch
- 6
- Schindel
- 7
- Brennkammerwand
- 8
- Grundplatte
- 9
- Mittelachse
- 10
- Dichtlippe
- 11
- Brennkammeraufhängung
- 12
- Brennkammerflansch
- 13
- Bolzen
- 14
- Mutter
- 15
- Schindelrand
- 16
- Ringflansch
- 17
- Befestigungselement
- 18
- erstes Verrastungsmittel
- 19
- zweites Verrastungsmittel
- 20
- Verrastungselement
- 21
- Mittelachse
- 22
- Zwischenraum
- 23
- Ringflansch
- 24
- Flansch
- 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
1. Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennkammerwand (7) und mit zumindest einer in einem
Abstand von der Brennkammerwand (7) an dieser befestigten Schindel (6), wobei die
Schindel (6) einen Schindelrand (15) aufweist, welcher gegen die Brennkammerwand (7)
anliegt, wobei die Brennkammerwand (7) und die Brennkammerschindel (6) jeweils zumindest
ein Mischluftloch (5) aufweisen und wobei durch das Mischluftloch (5) der Brennkammerwand
(7) ein rohrförmiges, mit einem Ringflansch (16) versehenes Befestigungselement (17)
eingebracht ist, welches mit dem Ringflansch (16) an der der Brennkammerschindel (6)
abgewandten Seite der Brennkammerwand (7) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (17) an seiner Außenseite mit ersten Verrastungsmitteln (18)
versehen ist, welche mit zweiten Verrastungsmitteln (19) in Eingriff sind, welche
an einem rohrförmigen Verrastungselement (20) ausgebildet sind, welches die Brennkammerschindel
(6) mit der Brennkammerwand (7) verspannt.
2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastungselement (20) einstückig mit der Brennkammerschindel (6) ausgebildet
ist.
3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastungselement (20) als separates Bauteil ausgebildet ist.
4. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastungselement (20) rohrförmig ausgebildet ist und an seiner Innenseite mit
den zweiten Verrastungsmitteln (19) versehen ist.
5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastungselement (20) eine Höhe aufweist, welche geringer ist, als die Höhe
des Schindelrandes (15).
6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verrastungselement (20) und der Brennkammerwand (7) im montierten Zustand
ein einen Zwischenraum (22) bildender Abstand ausgebildet ist.
7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerschindel (6) zumindest im Bereich des Mischluftlochs (5) mit Vorspannung
an der Brennkammerwand (7) verrastet ist.
8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (18) und/oder die zweiten (19) Verrastungsmittel in Form von ringartigen
Erhebungen und/oder Nuten ausgebildet sind.
9. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrastungselement (20) und/oder das Befestigungselement (17) im Bereich der
Verrastungsmittel (18, 19) zur Verrastung der Verrastungsmittels (18, 19) elastisch
ausgebildet sind.
10. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrastungsmittel (18, 19) lösbar ausgebildet sind.