BRENNKAMMER EINER GASTURBINE MIT VERSCHRAUBTEM BRENNKAMMERKOPF

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf Brennkammer einer Gasturbine, mit einer Kopfplatte 6 und mit einem Brennerkopf 3, wobei die Kopfplatte 6 mit der Brennkammer 115 verbunden ist und wobei mehrere im Innenraum der Brennkammer 115 angeordnete Hitzeschilder 4 mit der Kopfplatte 6 verschraubt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hitzeschild 4 und der Brennkammerkopf 3 mittels gemeinsamer Schraubverbindungen an der Kopfplatte 6 befestigt sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Brennkammer einer Gasturbine, welche eine Kopfplatte aufweist, an welcher an der Innenseite Hitzeschilder mittels Schraubverbindungen verbunden sind. Weiterhin weist die Brennkammer einen Brennkammerkopf auf.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Konstruktionen bekannt, bei welchen der Brennkammerkopf mit der Brennkammerwand verschweißt ist. Dabei ist der Brennkammerkopf entweder als Vollring mittels eines Gussverfahrens hergestellt oder in Segmenten gefertigt, die dann zu einem Vollring verschweißt werden und nachfolgend ebenfalls mit der Brennkammerwand mittels einer Schweißverbindung gefügt sind. Es ist auch bekannt, den Brennkammerkopf aus Metallblech zu formen und mit der Brennkammeraußenwand zu verschrauben. Derartige Konstruktionen sind aus den US 6,672,067 B2, US 2004/0045301 A1, JP 2004101174 A, US 5,924,288 und EP 0 550 953 A1 bekannt.

[0004] Bei den vorbekannten Konstruktionen erweist es sich als nachteilig, dass gegossene oder geschweißte Brennkammerköpfe einen hohen Fertigungsaufwand erfordern und somit hohe Kosten mit sich bringen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass derartige Brennkammerköpfe fest mit der Brennkammer verbunden sind, sodass kein Austausch möglich ist. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten verschraubten Brennkammerköpfen besteht der Nachteil, dass diese mit der Brennkammeraußenwand verbunden sind. Es sind somit zusätzliche Maßnahmen an der Brennkammeraußenwand erforderlich, um die Schraubverbindungen zu realisieren. Dies erhöht den konstruktiven Aufwand ebenso wie den Fertigungsaufwand.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer einer Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine kostengünstige und technisch vorteilhafte Ausgestaltung des Brennkammerkopfes aufweist.

[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0007] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass jedes Hitzeschild und der Brennkammerkopf mittels gemeinsamer Schraubverbindungen an der Kopfplatte befestigt sind.

[0008] Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Erfindungsgemäß werden die Kopfplatten mit dem Hitzeschild verschraubt. Hierzu sind an den meist als Gussteil ausgebildeten Hitzeschildern Gewindebolzen vorgesehen, welche durch Ausnehmungen der Kopfplatte geführt und von außerhalb des Brennkammerinnenraums verschraubt werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass einzelne dieser Schraubverbindungen genutzt werden, um den Brennkammerkopf zu befestigen. Es ist somit erfindungsgemäß nicht erforderlich, zusätzliche Befestigungsmaßnahmen zu ergreifen. Vielmehr können die bereits vorhandenen Schraubverbindungen zur Befestigung des Hitzeschildes mit der Kopfplatte für die Lagerung und Befestigung des Brennkammerkopfes mitgenutzt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn jedes Hitzeschild mittels mehrerer Schraubverbindungen mit der Kopfplatte verbunden ist und nur einzelne dieser Schraubverbindungen für die Befestigung des Brennkammerkopfes verwendet werden. Bei der Montage der Brennkammer ist es somit möglich, die Hitzeschilder zunächst mittels einzelner Schraubverbindungen zu montieren. Wenn dann die Montagearbeiten der Brennkammer soweit fortgeschritten sind, dass der Brennkammerkopf aufgesetzt werden kann, können die noch verbleibenden Befestigungsstellen zum Verschrauben des Brennkammerkopfes und zur restlichen Befestigung der Hitzeschilder dienen. Dabei wird der Brennkammerkopf mit den vorhandenen Stehbolzen der Hitzeschilder mit der Kopfplatte verschraubt.

[0009] Besonders günstig ist es, wenn der Brennkammerkopf mit Zugangsausnehmungen zum Zugang der Schraubverbindung versehen ist. Der Brennkammerkopf weist somit bevorzugt mehrere Zugangsausnehmungen auf, um Zugang zu den mit Gewinde versehenen Stehbolzen der Kopfplatte zu erhalten und um auf diesen Muttern aufzuschrauben.

[0010] In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennkammerkopf im Bereich der Zugangsausnehmungen in den Innenraum des Brennkammerkopfes vorstehende Befestigungshülsen aufweist. Diese dienen zugleich als Distanzstücke, um gegen die Kopfplatte angelegt zu werden. Hierdurch erfolgt eine präzise Ausrichtung und Montage des Brennkammerkopfes. Bevorzugterweise sind die Befestigungshülsen so ausgebildet, dass sie mit Luftdurchtrittsöffnungen versehen sind. Somit kann eine gleichmäßige Durchspülung des Innenraums des Brennkammerkopfes mit Kühlluft erfolgen.

[0011] Erfindungsgemäß kann der Brennkammerkopf entweder als Vollring ausgebildet sein oder segmentiert gefertigt werden. Bei der segmentierten Fertigung können die einzelnen Segmente in der oben beschriebenen Weise mit dem Hitzeschild bzw. der Kopfplatte verschraubt werden.

[0012] In besonders günstiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennkammerkopf mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist, beispielsweise mittels eines DLD-Verfahrens (direct laser depositioning). Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der Fertigungskosten. Weiterhin ist eine Gewichtsoptimierung möglich.

[0013] Wie oben erwähnt, bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Möglichkeit, den Brennkammerkopf mit der Kopfplatte und dem Hitzeschild zu verschrauben, ohne dass zusätzliche Teile erforderlich sind. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Gewichtsreduzierung. Weiterhin vereinfacht sich die Montage. Die gesamten Herstellungskosten können gesenkt werden.

[0014] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

ein Gasturbinentriebwerk zur Verwendung der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer,

Fig. 2

eine Teil-Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Brennkammer mit erfindungsgemäßer Befestigung des Brennkammerkopfes,

Fig. 3

eine perspektivische Teilansicht analog Fig. 2,

Fig. 4

eine perspektivische Ansicht eines Segmentteils eines erfindungsgemäßen Brennkammerkopfes,

Fig. 5

eine vergrößerte Darstellung gemäß Fig. 4, und

Fig. 6

eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Brennkammerkopfes.

[0015] 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.

[0016] 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 einen 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.

[0017] 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.

[0018] Die Fig. 2 zeigt in vereinfachter Schnittansicht eine Brennkammeraußenwand 1 sowie eine Brennkammerinnenwand 2. Diese sind miteinander verbunden. Mit der Brennkammeraußenwand 1 ist ein Brennkammerkopf 3 verbunden, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens. Im Innenraum der Brennkammer ist ein Hitzeschild 4 vorgesehen, welcher mit vier Hitzeschildbolzen 5 versehen ist, welche mit einem Außengewinde versehen sind, um eine Mutter 10 aufzuschrauben.

[0019] Die Fig. 2 zeigt weiterhin einen Brennkammerkopf 3, welcher in den nachfolgenden Figuren im Einzelnen näher dargestellt ist. Der Brennkammerkopf 3 ist so ausgestaltet, dass er mit seinem Randbereich 12 passgenau in eine Nut 13 der Kopfplatte 6 einlegbar und damit zentrierbar ist. An seiner Innenseite weist der Brennkammerkopf 3 Befestigungshülsen 7 auf, welche mit Luftdurchtrittsöffnungen 11 versehen sind, so wie dies insbesondere auch aus der Darstellung der Fig. 3 ersichtlich ist. Die Befestigungshülsen 7 sind so ausgebildet, dass sie im montierten Zustand gegen Befestigungsansätze 14 der Kopfplatte 6 anliegen. Nachfolgend kann mittels Muttern 10 eine Verschraubung erfolgen.

[0020] Der Brennkammerkopf 3 ist mit Zugangsausnehmungen 8 versehen, um die Verschraubung des Brennkammerkopfes 3 mit dem Hitzeschild 4 zu ermöglichen. Weiterhin weist der Brennkammerkopf Zugangsausnehmungen 9 auf, durch welche ein Zugang zu den Verschraubungsstellen geschaffen wird, mittels derer das Hitzeschild 4 mit der Kopfplatte 6 verschraubt ist.

[0021] Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Ansicht. Dabei ist insbesondere ersichtlich, dass nur einige der Hitzeschildbolzen 5 zur Befestigung des Brennkammerkopfes 3 verwendet werden.

[0022] Die Fig. 4 bis 6 zeigen perspektivische Teilansichten des Brennkammerkopfes mit Blickrichtung auf die Innenseite des Brennkammerkopfes 3. Dabei ist ersichtlich, dass an dem Brennkammerkopf 3 eine Vielzahl von Brennerdurchtrittsöffnungen 15 vorgesehen sind. Jeder dieser Brennerdurchtrittsöffnungen 15 ist ein Hitzeschild 4 zugeordnet, welcher mittels vier Hitzeschildbolzen 5 verschraubt ist. Während zwei dieser Befestigungspunkte zur direkten Verbindung des Hitzeschilds 4 mit der Kopfplatte 6 dienen, sind an zwei dieser Befestigungspunkte an dem Brennkammerkopf 3 Befestigungshülsen vorgesehen, mittels derer, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, der Brennkammerkopf 3 befestigt wird.

[0023] Die Fig. 4 und 5 zeigen insbesondere auch die Luftdurchtrittsöffnungen 11 der Befestigungshülsen 7.

[0024] Die Fig. 6 zeigt eine Gesamtansicht des Brennkammerkopfes 3, welcher aus vier Segmenten zusammengesetzt ist.

Bezugszeichenliste:

[0025] 

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

Brennkammeraußenwand

2

Brennkammerinnenwand

3

Brennkammerkopf

4

Hitzeschild

5

Hitzeschildbolzen

6

Kopfplatte

7

Befestigungshülse am Brennerkopf

8

Zugangsausnehmung

9

Zugangsausnehmung

10

Mutter

11

Luftdurchtrittsöffnung

12

Randbereich

13

Nut

14

Befestigungsansatz

15

Brennerdurchtrittsöffnung

Ansprüche

1. Brennkammer einer Gasturbine, mit einer Kopfplatte (6) und mit einem Brennerkopf (3), wobei die Kopfplatte (6) mit der Brennkammer (115) verbunden ist und wobei mehrere im Innenraum der Brennkammer (115) angeordnete Hitzeschilder (4) mit der Kopfplatte (6) verschraubt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hitzeschild (4) und der Brennkammerkopf (3) mittels gemeinsamer Schraubverbindungen an der Kopfplatte (6) befestigt sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hitzeschild (4) mittels mehrerer Schraubverbindungen mit der Kopfplatte (6) verbunden ist und dass nur einzelne dieser Schraubverbindungen für die Befestigung des Brennkammerkopfes (3) verwendet sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (3) mit Zugangsausnehmungen (8, 9) zum Zugang der Schraubverbindungen versehen ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (3) im Bereich der Zugangsausnehmungen (8, 9) in den Innenraum des Brennkammerkopfes (3) vorstehende Befestigungshülsen (7) aufweist.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungshülsen (7) mit Luftdurchtrittsöffnungen (11) versehen sind.

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (3) als Vollring ausgebildet ist.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (3) segmentiert ausgebildet ist.

8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfplatte (6) im Bereich der Verschraubungen rohrartige, zum Brennkammerkopf (3) weisende Befestigungsgansätze (14) aufweist.

9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (3) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist.

Zeichnung