(19)
(11) EP 2 093 487 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
26.08.2009  Patentblatt  2009/35

(21) Anmeldenummer: 09002226.0

(22) Anmeldetag:  17.02.2009
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F23R 3/00(2006.01)
F23R 3/50(2006.01)
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL BA RS

(30) Priorität: 21.02.2008 DE 102008010294

(71) Anmelder: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
15827 Blankenfelde-Mahlow (DE)

(72) Erfinder:
  • Gerendás, Miklos, Dr.
    15838 Am Mellensee (DE)
  • Sadig, Sermed
    12169 Berlin (DE)

(74) Vertreter: Weber, Joachim 
Hoefer & Partner Patentanwälte Pilgersheimer Strasse 20
81543 München
81543 München (DE)

   


(54) Gasturbinenbrennkammer mit keramischen Flammenrohr


(57) Die vorliegende Erfindung betrifft eine 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.




Beschreibung


[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



Ansprüche

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.
 




Zeichnung




















Angeführte Verweise

IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente