[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit einem im Wesentlichen
zylindrischen Flammenrohr.
[0002] Die
GB-A 1 450 894 beschreibt den Aufbau einer Gasturbinenbrennkammer mit monolithischen Keramikschindeln.
Die Schindeln dienen zur Wärmeisolierung und werden an einem strukturtragenden metallischen
Gehäusebauteil befestigt. Da Keramik und Metall unterschiedliche Wärmeausdehnungen
aufweisen, muss auf deren Verbindung besondere Acht gegeben werden. Die Auflagefläche
zwischen metallischem und keramischem Bauteil liegt in einem speziellen Winkel vor,
der sich dadurch auszeichnet, dass die Klemmkraft auch bei erhöhten Temperaturen konstant
bleibt.
[0003] Ein Nachteil der Gasturbinenbrennkammer ist die direkte Verbindung der Schindeln
am Gehäuse, die sich für axiale Brennkammern mit einem hohen Massendurchsatz nicht
eignet, da der radiale Querschnitt nicht ausreicht, um den Druckverlust im Annulus
auf ein ausreichend niedriges Niveau zu bringen. Durch den segmentierten Aufbau des
Flammenrohrs, ergibt sich zusätzlich das Problem, die Spalte zwischen den einzelnen
Schindeln, welche die Tragstruktur ungeschützt lassen, vor Heißgas zu bewahren.
[0004] Die
US-A 6,397,603 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer, deren Flammenrohr voll aus CMC (ceramic matrix
composite material) gefertigt wird. Die Brennkammer wird am Kopf mit Stehbolzen in
ihrer entsprechenden Position gehalten.
[0005] Der Brennkammeraufbau hat zum Nachteil, dass die Verbindung des Flammenrohrs mit
dem Brennkammerkopf über einen Bolzen erfolgt, der große radiale Bewegungen erlaubt.
Aufgrund der Verbindungsart ist jedoch ein großes radiales Spaltmaß erforderlich,
dessen Kontrolle innerhalb des Betriebs als sehr schwierig erachtet wird. Das Spaltmaß
ergibt sich aus den durch unterschiedliche thermische Dehnungen resultierenden Relativbewegungen
des CMC-Rohrs zum metallischen Brennkammerkopf und zum Gehäuse. Bei Druckschwingungen
oder Stößen in der Triebwerksaufhängung schlägt das CMC-Bauteil wegen des notwendigen
Spiels auf die metallenen Befestigungselemente. Weiterhin bringt die Fertigung des
gesamten Flammenrohrs aus einem Stück hohe Kosten mit sich, da das Volumen eines Autoklaven
aufgrund der Hohlzylinderform nicht voll ausgenutzt wird.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger
Herstellbarkeit die Verwendung von faserverstärkten Keramikwerkstoffen ermöglicht.
[0007] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst,
die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
[0008] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das Flammenrohr aus einem keramischen
Werkstoff gefertigt und in Umfangsrichtung in mehrere Umfangselemente unterteilt ist.
Die Umfangselemente sind jeweils durch Axialflansche miteinander verbunden. Die Axialflansche
sind bevorzugterweise mittels gelenkiger Kopplungselemente mit den zugeordneten Bauteilen
verbunden oder gekoppelt, so dass zum einen eine statisch eindeutige Zuordnung geschaffen
ist und dass zum anderen Wärmeausdehnungen ohne Beschädigung der Bauelemente aufgefangen
werden können. Hierzu schneiden sich die verlängerten Mittellinien der Kopplungselemente
bevorzugterweise mit der Triebwerksachse.
[0009] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit
der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Flammenrohrs,
- Fig. 2
- eine vergrößerte Darstellung einer Teilansicht gemäß Fig. 1,
- Fig. 3
- eine weitere perspektivische Teilansicht,
- Fig. 4
- eine vereinfachte schematische Axial-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Flammenrohrs
mit Brennkammergehäuse,
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung, analog Fig. 4, mit Zuordnung zur Triebwerksachse, und
- Fig. 6
- eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer in einer Gasturbine.
[0010] Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein Flammenrohr 2 einer Brennkammer aus einer
faserverstärkten Keramik (keramischer Werkstoff) zu fertigen, die sowohl die mechanischen
wie auch die thermischen Lasten des Flammenrohres 2 aufnimmt. Die Brennkammer besteht
aus einem äußeren Flammenrohr 2, einem inneren Flammenrohr 8, und dem Brennkammerkopf
7. Äußeres und inneres Flammenrohr sind in Umfangsrichtung in drei oder mehr Teile
aufgeteilt.
[0011] Das Flammenrohr 2 ist in Umfangsrichtung in drei oder mehr Teile aufgeteilt. Die
einzelnen Segmente werden durch Axialflansche 1, 9, 201 mit Hilfe von Befestigungselementen
106 miteinander verbunden.
[0012] Die Halterung des Flammenrohrs 2 an einem Brennkammergehäuse 3 erfolgt mit einer
gelenkig gelagerten steifen Halterung in Form eines Kettengliedes 104, welches mit
dem Axialflansch 1 am Flammenrohr 2 und einem Vorsprung zur Befestigung am Brennkammergehäuse
3 verbunden ist. Hierbei schneiden sich die gedachten Verlängerungen 304 der Kettenglieder
104 auf einer Triebwerksachse 301 in einem Winkel, der größer 0° und kleiner 180°
ist.
[0013] Das Flammenrohr 2 wird auf einer angewinkelten Auflagefläche 208 geführt und positioniert.
Je nach Auslegung kann das Flammenrohr 2 auf der Auflagefläche 208 aufliegen, so dass
die Halterung eine konstante Klemmkraft im Betrieb ermöglicht, oder es kann ein zur
Kühlung gewünschter Spalt eingestellt werden, der im Laufe des Betriebs durch die
Halterung konstant gehalten wird.
[0014] Zwischen der Auflagefläche 208 und dem Flammenrohr 2 kann zusätzlich ein flexibles
hochtemperaturfestes Dichtelement 209 positioniert sein.
[0015] Die Verbindung zwischen Flammenrohr 2 und Brennkammerkopf 7 erfolgt ebenfalls über
eine gelenkige Halterung 4, 204, die sowohl am Axialflansch 1, 201 des Flammenrohrs
2 und an einem Vorsprung 101, 203 zur Befestigung am Brennkammergehäuse 3, 101 ansetzt.
Auch hier schneiden sich die Verlängerungen 302, 303 der Kettenglieder 104 auf der
Triebwerksachse 301 unter einem Winkel, der größer 0° und kleiner 180° ist.
[0016] Die Vorsprünge 101, 203 können mit Brennkammerkopf 7 einstückig ausgebildet oder
gefügt sein.
[0017] Der Vorsprung 103 kann mit dem Brennkammergehäuse 3 einstückig ausgebildet oder gefügt
sein.
[0018] Die Funktion der Halterung 4, 204 und der Vorsprünge 103, 203 ist unabhängig von
ihrer Form.
[0019] Die Verbindungselemente (Befestigungselement 106, Kettenglied 104) können aus metallischen
oder keramischen Werkstoffen sein.
[0020] Durch die Einführung der gelenkigen Halterung unter Verwendung der angewinkelten
Auflagefläche wird im Laufe des Betriebszyklus eine spannungsarme Verbindung des Flammenrohrs
am Gehäuse und am Brennkammerkopf ermöglicht. Je nach Auslegungsvariante lassen sich
damit entweder die Spaltmaße besser kontrollieren oder die Klemmkräfte über den gesamten
Betriebszyklus konstant halten.
[0021] Die erfindungsgemäße Halterung ermöglicht es bei hohen Temperaturen dem keramischen
Gehäuse, sich spannungsfrei relativ zum Brennkammergehäuse und zum Brennkammerkopf
zu bewegen. Die Relativbewegungen werden durch die gelenkige Lagerung des Flammenrohrs
abgefangen.
[0022] Die Segmentierung des Flammenrohrs ermöglicht es, die Fertigungskosten gegenüber
einer Vollringbauweise gering zu halten, da das Volumen eines Autoklaven durch Stapeln
der einzelnen Segmente besser ausgenutzt wird. Dennoch treten durch die Einführung
des Axialflanschs keine Leckagen, wie sie bei Schindeln nach der
GB-A 1 450 894 üblich sind, auf.
[0023] Fig. 6 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer
in einer Gasturbine. Dabei sind eine Brennkammer 401, ein Brenner 402 mit Arm und
Kopf, Nebenstrom 403, Fan 404, Verdichter 405, inneres und äußeres Brennkammergehäuse
407 und 408, Turbinenleitrad 409, Turbinenlaufrad 410, Antriebswelle 411 sowie Brennkammerkopf
412 vorgesehen.
Bezugszeichenliste
[0024]
- 1
- Axialflansch
- 2
- Flammenrohr (aus 10, 11, 12 gebildet)
- 3
- Äußeres Brennkammergehäuse
- 4
- Gelenkige Halterung/Kopplungselement
- 5
- Innere Plattform der Turbinenleitschaufel
- 6
- Brennerloch
- 7
- Brennkammerkopf
- 8
- Inneres Flammenrohr
- 9
- Innere Axialflansch
- 10
- Umfangselement
- 11
- Umfangselement
- 12
- Umfangselement
- 13
- Äußere Plattform der Turbinenleitschaufel
- 101
- Vorsprung
- 102
- Befestigungselement
- 103
- Vorsprung
- 104
- Kettenglied/Kopplungselement
- 105
- Äußere Plattform der Turbinenleitschaufel
- 106
- Befestigungselement des Axialflansches
- 107
- Befestigungselement des Kettengliedes
- 201
- Axialflansch
- 203
- Vorsprung
- 204
- Gelenkige Halterung/Kopplungselement
- 205
- Inneres Brennkammergehäuse
- 206
- Diffusor
- 207
- Turbinenleitschaufel
- 208
- Auflagefläche
- 209
- Dichtelement
- 301
- Triebwerksachse
- 302
- Verlängerung/Verlängerte Mittellinie
- 303
- Verlängerung/Verlängerte Mittellinie
- 304
- Verlängerung/Verlängerte Mittellinie
- 401
- Brennkammer
- 402
- Brenner mit Arm und Kopf
- 403
- Nebenstrom
- 404
- Fan
- 405
- Verdichter
- 407
- Inneres Brennkammergehäuse
- 408
- Äußeres Brennkammergehäuse
- 409
- Turbinenleitrad
- 410
- Turbinenlaufrad
- 411
- Antriebswelle
- 412
- Brennkammerkopf
1. Gasturbinenbrennkammer mit einem im Wesentlichen zylindrischen Flammenrohr (2), welches
aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist und in Umfangsrichtung in mehrere Umfangselemente
(10, 11, 12) unterteilt ist.
2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangselemente (10, 11, 12) jeweils durch Axialflansche (1, 9) verbunden sind.
3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflansche (1, 9) jeweils mittels gelenkiger Kopplungselemente (4, 104, 204)
gelagert sind.
4. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial äußerer Axialflansch (1) des Flammenrohrs (2) mittels des Kopplungselements
(104) an einem äußeren Brennkammergehäuse (3) gelagert ist.
5. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Axialflansch (201) des Flammenrohrs (8) mittels des Kopplungselements
an einem inneren Brennkammergehäuse (205) gelagert ist.
6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Axialflansch (8) des Flammenrohrs (2) mittels des Kopplungselements
(204) an einem Brennkammerkopf (7) gelagert ist.
7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial äußerer Axialflansch (1) des Flammenrohrs (2) mittels des Kopplungselements
(4) an einem Brennkammerkopf (7) gelagert ist.
8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass verlängerte Mittellinien (302, 303, 304) der Kopplungselemente (4, 104, 204) sich
mit einer Triebwerksachse (301) schneiden.