[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenbrennkammern mit Brennkammerschindeln,
wobei die Brennkammerschindeln an einer tragenden Struktur der Brennkammeraußenwände
befestigt sind.
[0002] Die Brennkammerschindeln weisen eine beliebige (sehr hohe, oftmals mehrere Tausend)
Anzahl von Effusionskühllöchern auf der zur Brennkammer gerichteten Seite auf. Diese
Effusionskühllöcher dienen dazu, die Schindel gegenüber den hohen Temperaturen in
der Brennkammer zu kühlen. Darüber hinaus befindet sich auf der Brennkammerschindel
mindestens ein Mischluftloch, das dazu dient, Luft aus dem die Brennkammer außen umgebenden
Raum (Ringkanal/Annulus) in die Brennkammer zum Zwecke des Abkühlens und Abmagerns
der Verbrennung und damit der Reduktion der NOx Entstehung in die Brennkammer zu leiten.
Neben der Kühlung durch die Effusionskühllöcher sind die Schindeln häufig noch mit
einer keramischen Beschichtung versehen, die als Dämmschicht gegen die hohen Temperaturen
in der Brennkammer wirkt.
[0004] Die Figur 2 zeigt schematisch eine Brennkammer 15. Die Brennkammer 15 umfasst eine
Treibstoffdüse 29, welche in üblicher Weise an einem Brennkammerkopf gehaltert ist.
Weiterhin sind ein Brennkammeraußengehäuse 30 sowie ein Brennkammerinnengehäuse 31
vorgesehen. Eine Brennkammerwand 32 umschließt die eigentliche Brennkammer 15 und
trägt Brennkammerschindeln 34. Das Bezugszeichen 33 zeigt schematisch eine Turbinenvorleitreihe.
Durch Zumischlöcher 35 wird in üblicher Weise Luft zugeführt. Die Zuströmrichtung
ist mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet.
[0005] Die Figur 3 zeigt eine Schindel 34 mit Effusionskühllöchern 37 gemäß dem Stand der
Technik. Die Geometrie (Durchmesser, Form) des Zumischlochs 35 kann, wie aus dem Stand
der Technik bekannt, in geeigneter Weise ausgebildet werden. Gleiches trifft für die
Größe und Anordnung der Effusionskühllöcher 37 zu. Die Ausbildung der Zumischlöcher
35 erfolgt häufig so, dass diese konstruktiv wie ein Trichter oder ein Rohr, das in
die Brennkammer 15 hineinragt, ausgebildet sind.
[0006] Die Herstellung der Schindeln 34 erfolgt üblicherweise entweder durch Gießen, Beschichten
mit einer keramischen Schicht und Bohren der Effusionskühllöcher 37 (z.B. mit Laser)
oder durch Gießen, Bohren und Beschichten oder durch ein additives Fertigungsverfahren,
wie z.B. Selective Laser Sintering, Direct Laser Depositioning oder mittels Elektronenstrahlauftragsschweißen.
Bei den additiven Verfahren werden dabei die Effusionskühllöcher 37 direkt in die
Schindel 34 eingebracht und das aufwändige Bohren entfällt.
[0007] Während des Betriebs treten immer wieder Probleme mit sogenanntem Kriechen des Materials
auf, welches zum Versagen des Gewindestiftes führen kann und damit zu einem Verlust
der Schindel.
[0008] Darüber hinaus ist die Konstruktion der Schindel mit integriertem Gewindestift nur
bedingt für eine additive Fertigung, z.B. Selective Laser Sintering, Direct Laser
Depositioning oder Elektronenstrahlauftragsschweißen, geeignet, da entweder die kostenintensive
horizontale Fertigung gewählt werden muss oder eine aufwändige Unterkonstruktion zur
Abstützung des Gewindestiftes vorgesehen werden muss. Eine solche Unterkonstruktion
hat wesentliche Nachteile. Sie ist a) materialintensiv, b) sie verlängert den Fertigungsprozess
und c) sie muss nach der Fertigung von der Schindel entfernt werden. Dies ist sehr
kostenintensiv.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammerschindel einer Gasturbine
und eine Befestigungsmöglichkeit einer derartigen Brennkammer zu schaffen, welche
bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile
des Standes der Technik vermeiden und eine gute Befestigbarkeit gewährleisten.
[0010] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst,
die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
[0011] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Schindel im Wesentlichen plattenförmig
ausgebildet ist und an einer Seite (nämlich an der der Brennkammerwand zugewandten
Seite) zumindest ein Lagerelement aufweist, welches einstückig an der Schindel ausgebildet
ist. Das Lagerelement ist so ausgebildet, dass an diesem ein Bolzen, welcher als separates
Bauteil gefertigt ist, formschlüssig verankerbar oder befestigbar ist.
[0012] Die erfindungsgemäße Brennkammerschindel ist somit so ausgebildet, dass ein separater
Bolzen, der erfindungsgemäß ein Gewindebolzen oder ein mit einem Sicherungselement
zu befestigender Bolzen sein kann, formschlüssig an der Schindel verankert wird. Somit
ist es erfindungsgemäß möglich, den Bolzen aus einem anderen Material zu fertigen,
als die Schindel. Weiterhin ist es möglich, für die Schindel ein einfaches und kostengünstiges
Herstellungsverfahren zu wählen, da der Bolzen als separates Bauteil hergestellt werden
kann. Insbesondere durch die Möglichkeit, für die Schindel und den Bolzen unterschiedliche
Materialien zu verwenden, ist es möglich, die beim Stand der Technik bekannten Befestigungsprobleme
zu lösen und ein Kriechen des Bolzen-Werkstoffs zu unterbinden oder zu minimieren.
[0013] Erfindungsgemäß ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der Bolzen an seinem Endbereich
mit einem rechtwinklig zur Bolzenachse angeordneten Lagerbereich versehen ist, welcher
in einer Ausnehmung des Lagerelements angeordnet ist. Der Bolzen ist somit ähnlich
eines Hakens ausgebildet, und wird in die Ausnehmung des Lagerelements eingesteckt.
Dabei kann der Lagerbereich des Bolzens in geeigneter Weise dimensioniert werden,
beispielsweise plattenförmig oder mit beliebigen sonstigen Querschnitten, beispielsweise
rund, oval, viereckig oder rechteckig. Die Brennkammerschindel hat somit durch das
Lagerelement und die darin vorgesehene Ausnehmung eine Aufnahme für den Bolzen, so
dass dieser formschlüssig in die Schindel eingehängt werden kann. Dabei ist es erfindungsgemäß
möglich, den Lagerbereich mit Spiel oder ohne Spiel in der Ausnehmung aufzunehmen,
insbesondere, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen oder ähnliches zu berücksichtigen.
[0014] Die Ausnehmung des Lagerelements ist so ausgebildet, dass der Lagerbereich des Bolzens
seitlich eingesteckt werden kann. Um beim Betrieb ein Herausrutschen des Lagerbereichs
des Bolzens aus der Ausnehmung des Lagerelements zu vermeiden, kann es in Weiterbildung
der Erfindung günstig sein, an einer Schindel mehrere derartige Lagerelemente vorzusehen,
deren Ausnehmungen sich zu unterschiedlichen Richtungen hin öffnen. Hierdurch wird
ein Lösen des Bolzens verhindert.
[0015] Der erfindungsgemäße Bolzen wird in üblicher Weise durch ein Loch der Brennkammeraußenwand
gesteckt, so dass sich die eigentliche Befestigung des Bolzens nicht wesentlich vom
Stand der Technik unterscheidet. So ist es möglich, bei einem Gewindebolzen in üblicher
Weise eine Mutter aufzuschrauben.
[0016] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es auch, die Schindel gegenüber der
Brennkammerwand abzustützen oder in alternativer Ausgestaltung die Schindel direkt
an die Brennkammerwand anzulegen. Somit können unterschiedliche Kühlkonzepte ausgebildet
werden, so wie dies auch aus dem Stand der Technik bekannt ist.
[0017] Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die Außenkontur des Lagerelements, welches
an der Brennkammerschindel befestigt ist, strömungsgünstig auszubilden, beispielsweise
mit abgeschrägten Flanken zu versehen. In dem Lagerelement können erfindungsgemäß
auch Effusionskühllöcher ausgebildet sein, um die Kühlung der Brennkammerschindel
zu gewährleisten.
[0018] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Bolzen eine zentrische Durchgangsöffnung
aufweist, durch welche Kühlluft einleitbar ist. Hierdurch erfolgt eine zuverlässige
und effektive Kühlung des Bolzens, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten
thermischen Probleme (Kriechen des Werkstoffs) vermieden werden. Weiterhin ist die
Ausnehmung des Lagerelements so ausgebildet und dimensioniert, dass sich bei montiertem
Bolzen bzw. montierter Brennkammerschindel ein Hohlraum zwischen dem Lagerbereich
des Bolzens und der Oberfläche der Brennkammerschindel ergibt, welcher mit Kühlluft
durchströmt wird. Auch dies führt zu einer besonders guten Kühlung.
[0019] In Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass das Lagerelement mit
zusätzlichen Kühllöchern versehen ist. Diese können als Prallkühllöcher ausgebildet
sein, um den unteren Bereich des Bolzens und dessen Lagerbereich zusätzlich zu kühlen.
[0020] Der erfindungsgemäße Bolzen mit dem an ihm ausgebildeten Lagerbereich kann gegossen,
gefräst oder durch ein additives Verfahren hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist
die Brennkammerschindel so ausgebildet, dass diese mittels eines additiven Verfahrens
herstellbar ist. Derartige additive Verfahren sind beispielsweise das Selective Laser
Sintering, das Direct Laser Depositioning (DLD) oder das Elektronenstrahlauftragsschweißen.
Dabei ist die Schindel so herstellbar, dass weder eine kostenintensive horizontale
Fertigung, noch eine aufwendige Unterkonstruktion erforderlich sind. Somit kann die
Schindel kostengünstig und einfach hergestellt werden.
[0021] 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 schematische Seitenansicht (im Schnitt) einer Brennkammer gemäß dem Stand der
Technik,
- Fig. 3
- eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerschindel,
- Fig. 4
- eine Seiten-Schnittansicht einer Befestigungsmöglichkeit einer Brennkammerschindel
an der Brennkammeraußenwand gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 5
- eine vereinfachte schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schindel mit Lagerelementen
für einen Lagerbereich eines Bolzens,
- Fig. 6
- eine schematische Seitenansicht einer Schindel, welche in erfindungsgemäßer Weise
an einer Brennkammerwand montiert ist,
- Fig. 7
- Seitenansichten und Draufsichten unterschiedlicher Ausgestaltungsvarianten von Bolzen
mit Lagerbereichen,
- Fig. 8
- unterschiedlichste Ausgestaltungsvarianten von Bolzen mit Lagerbereichen sowie von
Lagerelementen mit taschenartigen Ausnehmungen,
- Fig. 9
- unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten in Seitenansicht und Draufsicht,
- Fig. 10
- eine vereinfachte Seitenansicht, analog Fig. 6, im montierten Zustand,
- Fig. 11
- perspektivische Teil-Ansichten von Lagerelementen mit Kühllöchern, und
- Fig. 12
- unterschiedlichste Ausgestaltungsvarianten von erfindungsgemäßen Lagerelementen in
perspektivischer Teilansicht.
[0022] Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei
der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass
die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden 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, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine
Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die
sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
[0023] Der Mitteldruckkompressor 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.
[0024] 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.
[0025] Die Fig. 4 zeigt unterschiedliche Seitenansichten gemäß dem Stand der Technik, in
denen eine Abstützung 41 der Brennkammerschindel 34 gegen die Brennkammerwand 32 dargestellt
ist.
[0026] Die Fig. 5 zeigt eine vereinfache Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Brennkammerschindel
34. An dieser sind am Rand Randborde 51 vorgesehen, welche, wie auch aus Fig. 6 ersichtlich
ist, in Form eines stegartigen Randes ausgebildet sind. In den vier Ecken der Brennkammerschindel
34 ist jeweils ein Lagerelement 40 vorgesehen, welches mit einer schlitzartigen oder
taschenartigen Ausnehmung 44 versehen ist. Es ist ersichtlich, dass die Öffnungsrichtungen
der Ausnehmungen 44 unterschiedlich orientiert sind, so dass eingeschobene Bolzen
38 im montierten Zustand nicht herausrutschen können, auch wenn sich die Muttern 39
lösen, da die Bolzen 38 sich in Ausnehmungen oder Bohrungen der zugeordneten Brennkammerwand
32 befinden. Im mittigen Bereich der Fig. 5 ist nochmals ein Lagerelement 40 angeordnet.
[0027] Die Fig. 6 zeigt in stark vereinfachter Form eine montierte Seitenansicht, analog
der Darstellung der Fig. 5.
[0028] Die Fig. 7 zeigt in der oberen und unteren Reihe jeweils mit einem Gewinde versehene
Bolzen 38. Diese weisen jeweils eine zentrische Durchgangsausnehmung 48 in Form eines
Loches auf, durch welche die Durchgangsausnehmung Kühlluft durchleiten kann. Aus den
Abbildungen der Fig. 7 ist ersichtlich, dass jeder Bolzen 38 mit einem senkrecht zu
seiner Mittelachse ausgerichteten Lagerbereich 47 versehen ist, welcher in eine geeignete
Ausnehmung 44 des Lagerelements 40 einsteckbar ist, so wie dies in Fig. 10 gezeigt
ist. Aus der Fig. 7 ergibt sich, dass unterschiedlichste Formen von Lagerbereichen
47 vorgesehen sein können, nämlich runde, quadratische, rechteckige, abgerundete oder
trapezförmige. Weitere Formen sind ebenfalls möglich. Die Fig. 7 zeigt weiterhin,
dass der Lagerbereich 47 mit zumindest einem Kühlluftloch 50 versehen sein kann, um
den Lagerbereich 47 und damit den unteren Bereich des Bolzens 38 zu kühlen.
[0029] Die Fig. 8 zeigt unterschiedlichste Ausgestaltungsvarianten von Bolzen 38 mit Lagerbereichen
47, analog den Darstellungen der Fig. 7. Zusätzlich sind zugeordnete Lagerelemente
40 mit geeigneten Ausnehmungen 44 dargestellt. Die Lagerelemente 40 können ebenfalls
mit Kühllöchern 52 versehen sein. Es ergibt sich, dass die Ausnehmungen 44 der Lagerelemente
40 jeweils so dimensioniert sind, dass die Bolzen 38 mit den Lagerbereichen 47 seitlich
eingeschoben werden können.
[0030] Aus der Fig. 9 ergeben sich unterschiedlichste Ausgestaltungsvarianten in montiertem
Zustand, wobei insbesondere ersichtlich ist, wie die Lagerbereiche 47 jeweils in die
schlitzartigen oder taschenartigen Ausnehmungen 44 der Lagerelemente 40 eingeschoben
sind. Dabei liegen die Lagerbereiche 47 gegen die oberen Schenkel oder Flächen der
Lagerelemente 40 an, so dass sich unterhalb der Lagerbereiche 47 jeweils ein Hohlraum
49 bildet, in welchen Kühlluft einerseits durch die Durchgangsausnehmung 48 des Bolzens
38 und andererseits durch zusätzliche Kühllöcher 52 eingeführt wird. Zur Kühlluftdurchströmung
dienen auch seitliche Aussparungen 53, welche auf den beiden rechts unten in Fig.
9 gezeigten Ausgestaltungsvarianten dargestellt sind.
[0031] Die Fig. 10 zeigt in vereinfachter Schnittansicht einen montierten Zustand des erfindungsgemäßen
Bolzens 38 mit seinem Lagerbereich 47 in einer Ausnehmung 44 eines Lagerelements 40.
Auch hierbei ist nochmals der Hohlraum 49 verdeutlicht, welcher mit Kühlluft gefüllt
wird. Weiterhin kann Kühlluft durch Effusionskühllöcher 37 strömen.
[0032] Die Fig. 11 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Lagerbereiche
40 jeweils mit seitlichen Kühllöchern 52 versehen sind, die in Reihen oder in regelmäßen
Anordnungen vorgesehen sind, um Kühlluft zum unteren Bereich des Bolzens 38 einzuführen.
[0033] Die Fig. 12 zeigt in unterschiedlichen perspektivischen Teil-Ansichten nochmals mögliche
Ausgestaltungsformen der Lagerelemente 40. Dabei ergibt sich, dass diese glockenartig
oder bügelartig ausgebildet sein können und jeweils einen seitlichen Schlitz oder
eine seitliche Öffnung aufweisen, um den Bolzen 38 einzuführen.
Bezugszeichenliste:
[0034]
- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- im Gehäuse umlaufender Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor
- 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
- Treibstoffdüse
- 30
- Brennkammeraußengehäuse
- 31
- Brennkammerinnengehäuse
- 32
- Brennkammerwand
- 33
- Turbinenvorleitreihe
- 34
- Brennkammerschindel
- 35
- Zumischloch
- 36
- Zuströmrichtung
- 37
- Effusionskühlloch
- 38
- Bolzen
- 39
- Mutter
- 40
- Lagerelement
- 41
- Abstützung
- 43
- Gewinde
- 44
- Ausnehmung
- 45
- Schlitz
- 46
- Bolzenachse
- 47
- Lagerelement
- 48
- Durchgangsausnehmung
- 49
- Hohlraum
- 50
- Kühlloch
- 51
- Randbord / Schindelseitenbord
- 52
- Kühlloch
- 53
- Aussparung
1. Brennkammerschindel einer Gasturbine mit einem Bolzen (38) zur Lagerung der Brennkammerschindel
(34) an einer Brennkammerwand (32), wobei die Brennkammerschindel (34) im Wesentlichen
plattenförmig ausgebildet ist und an einer Seite zumindest ein Lagerelement (40) aufweist,
an welchem der als separates Bauteil ausgebildete Bolzen (38) formschlüssig verankert
ist, wobei der Bolzen (38) an seinem Endbereich mit einem rechtwinklig zur Bolzenachse
(46) angeordneten Lagerbereich (47) versehen ist, welcher in einer Ausnehmung (44)
des Lagerelements (40) angeordnet ist, wobei der Bolzen (38) eine zentrische Durchgangsausnehmung
(48) aufweist und wobei die Ausnehmung (44) des Lagerelements (40) zur Ausbildung
eines Hohlraums (49) zwischen der Fläche der Brennkammerschindel (34) und dem Lagerbereich
(37) des Bolzens (38) größer dimensioniert ist, als der Lagerbereich (47) des Bolzens
(38).
2. Brennkammerschindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (40) mit Kühllöchern (52) versehen ist.
3. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (44) des Lagerelements (40) seitlich geöffnet ist.
4. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (40) bügelartig oder glockenartig ausgebildet ist.
5. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (38) mit dem Lagerbereich (47) in Richtung senkrecht zur Bolzenachse (46)
des Bolzens (38) in die Ausnehmung (44) einsteckbar ist.
6. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Brennkammerschindel (34) mehrere Lagerelemente (40) ausgebildet sind, deren
Ausnehmungen (44) zu unterschiedlichen Richtungen offen ausgebildet sind.
7. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (40) und/oder die Brennkammerschindel (34) im Bereich des Lagerelements
(40) mit Effusionskühllöchern (37) versehen ist.
8. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbereich (47) plattenförmig oder stabförmig ausgebildet ist.
9. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (40) in einem Randbord (51) der Brennkammerschindel (34) integriert
ist.
10. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (38) als Gewindebolzen ausgebildet ist.