[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbinenbrennkammer mit zumindest
einer Brennkammerwand, in welcher in vorgegebenen Bereichen Mischluftlöcher ausgebildet
sind.
[0003] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in Brennkammerwänden von Gasturbinen Mischluftlöcher
vorzusehen, durch welche zusätzliche Luft in den Brennkammerinnenraum eingeleitet
wird.
[0005] Durch die Mischluftlöcher wird an einer bestimmten axialen Position eine deutliche
Schwächung in die Brennkammerwand eingebracht. Mit steigendem Mischluftanteil durch
bessere Kühlung und/oder durch verbesserte, festere Wandmaterialien ist es möglich,
die Mischluftlöcher größer auszubilden. Dies führt dazu, dass die Festigkeit der Brennkammerwand
zunehmend geschwächt wird. Diese Schwächung ergibt sich, da ein- oder zweischichtige
Brennkammerwände aus Blechen oder Gussteilen konstanter Wandstärke hergestellt werden.
Aufgrund dieser Materialschwächungen ergeben sich Risse. Der Rissfortschritt von Mischluftloch
zu Mischluftloch ist dabei ein wesentlicher Faktor beim Versagen von Brennkammerwänden.
Mit steigendem Mischluftanteil nimmt somit die Versagensgefahr erheblich zu.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger
Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere im
Bereich der Mischluftlöcher eine ausreichende Festigkeit aufweist.
[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 die Brennkammer im Bereich der Mischluftlöcher
eine größere Wanddicke aufweist, als in den nicht mit Mischluftlöchern versehenen
Bereichen.
[0009] Die Mischluftlöcher sind in einem mittleren Bereich der Brennkammer, bezogen auf
die axiale Erstreckung der Brennkammer und in Umfangsrichtung der Brennkammer angeordnet.
Dieser ringförmige Umfangsbereich, in dem die Mischluftlöcher angeordnet sind, ist
erfindungsgemäß mit einer größeren Wanddicke versehen.
[0010] Erfindungsgemäß wird somit die tragende Wandstärke der Brennkammerwand lokal in dem
Maß erhöht, in dem in Umfangsrichtung durch die Mischluftlöcher tragender Querschnitt
entfernt wird. Erfindungsgemäß ist möglich, diese Lösung sowohl bei einschichtigen,
als auch bei zweischichtigen Brennkammerwänden einzusetzen. Bei einer zweischichtigen
Brennkammerwand ist es erfindungsgemäß möglich, nur eine Schicht, beispielsweise die
lasttragende äußere Brennkammerwand oder die heiße, innere Brennkammerwand oder beide
mit einer größeren Dicke zu versehen bzw. aufzudicken.
[0011] Bei der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich somit der Vorteil, dass die Steifigkeit
der Brennkammerwand in Längsrichtung nicht mehr variiert, sondern insbesondere im
Bereich der Mischluftlöcher konstant ist, insbesondere verglichen mit den Bereichen,
in denen keine Mischluftlöcher ausgebildet sind. Hierdurch konzentrieren sich die
Verformungen durch externe Lasten nicht in dem mit den Mischluftlöchern versehenen
Bereich. Weiterhin wird ein Spalt, welcher zwischen der Schindel (innere Brennkammerwand)
und dem Schindelträger (äußere Brennkammerwand) entstehen kann, durch die konstante
Steifigkeit kleiner.
[0012] Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen ein wesentlicher
Versagensmechanismus in der Brennkammer durch den Rissfortschritt von Mischluftloch
zu Mischluftloch gebildet wird, erfolgt durch die erfindungsgemäße Aufdickung oder
Vergrößerung der Dicke der Brennkammerwand speziell an den durch die Mischluftlöcher
geschwächten Bereichen eine Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit der Brennkammerwand.
Hierdurch ist es möglich, die Rissbildung und den Rissfortschritt zu minimieren. Dies
erfolgt durch einen minimalen Materialaufwand bzw. eine minimale Gewichtserhöhung
durch die Verdickung der Brennkammerwand.
[0013] Die Erfindung ist sowohl bei Brennkammerwänden, welche als Gussteil gefertigt sind,
anwendbar, als auch bei Brennkammerwänden, welche mittels eines generativen Verfahrens
(Lasersintern, ALM, additive layer manufacturing) hergestellt sind. Bei aus Blech
hergestellten Brennkammern ist es erfindungsgemäß möglich, speziell konturierte Platinen
zu verwenden oder die dünneren Bereiche der Wandung durch Abstreckdrücken zu erzeugen.
[0014] Analog läßt sich die Erfindung auch auf Brennkammerwände aus faserverstärkter Keramik
(CMC) anwenden. Hier wird die Anzahl der Lagen der Keramikfasergewebe oder -wicklungen
im Bereich der Mischluftlöcher lokal erhöht. Dies ist mit einem geringen zusätzlichen
Aufwand verbunden, da die Wand grundsätzlich aus mehreren Lagen aufgebaut wird, nur
wird im Bereich der Mischluftlöcher die Lagenanzahl von zum Beispiel 12 auf 20 erhöht.
Die Erhöhung der Wandstärke fällt bei CMC stärker aus, da die Wandtemperatur höher
sein darf, also weniger Kühlluft verwendet werden muss, und damit mehr Luft durch
die Mischluftlöcher geführt werden soll, was deren Durchmesser über das bei einer
metallischen Konstruktion mögliche Maß erhöht. Die Lagen können auf der Innen- oder
Außenseite oder als zusätzliche Zwischenlagen mit begrenzter axialer Erstreckung eingefügt
werden.
[0015] Bei bestimmten Mischluftlochmustern in einer doppelwandigen Brennkammer ist es zusätzlich
vorteilhaft, zwischen eng benachbarten Mischluftlöchern keinen schmalen Steg mehr
zwischen den Mischluftlöchern zu haben, sondern die beiden engbenachbarten Mischluftlöcher
in der Schindel durch eine einzige Öffnung in der kalten Brennkammerwand mit Luft
zu versorgen. Die Schindel kann durch Wegfall des Steges nach außen aufgedickt werden.
Dies kann auch in Form einer Rippe auf der Kaltseite der Schindel geschehen, welche
dann durch die Öffnung in der kalten Brennkammerwand hindurchragt.
[0016] In jedem Falle erfolgt eine Vergrößerung der Dicke der Brennkammerwand so, dass die
Mischluftlöcher die Steifigkeit der Brennkammerwand nicht mindern.
[0017] 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 Ansicht der Anordnung von Mischluftlöchern gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 4
- eine Ansicht, analog Fig. 3, einer erfindungsgemäßen Anordnung von Mischluftlöchern,
- Fig. 5
- eine schematische Seitenansicht einer Brennkammer analog Fig. 2, eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, und
- Fig. 6
- eine Ansicht, analog Fig. 5, eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] Aus dem Stand der Technik bekannte Brennkammerwände, welche aus Blech gefertigt sind,
weisen üblicherweise eine konstante Dicke im Bereich von 0,9 bis 1,6 mm auf, während
Brennkammerwände, die als Gussteile gefertigt werden, Wanddicken zwischen 1,2 und
2,5 mm aufweisen.
[0024] Die Fig. 3 und 4 zeigen in einer schematischen Seitenansicht einer Brennkammerwand
die Anordnung von Mischluftlöchern. Die Fig. 3 zeigt beispielsweise die Zuordnung
von Mischluftlöchern, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind. Es versteht
sich, dass die Änderung der Wanddicke und damit der Steifigkeit der Brennkammerwand
von der Anordnung und dem Muster der Mischluftlöcher abhängen. Dabei ist insbesondere
der Axialabstand und der Umfangsabstand der Mischluftlöcher zu berücksichtigen. Weiterhin
spielen die jeweiligen Durchmesser der Mischluftlöcher eine Rolle.
[0025] Die größere Dicke (W) der Brennkammer (6, 7) ist mit einer Wandstärke ausgebildet,
wobei die maximale Wandstärke nach folgender Gleichung berechnet wird:

Mit
Wmax: maximale Wandstärke
W0: nominale Wandstärke
A: Abstand der Lochmitten benachbarter Löcher
Sr. Summe der Lochradien benachbarten Löcher
C: Wirkfaktor 0,7..1,3: vom Konstrukteur zu wählen, basierend auf früheren Erfahrungen.
Dieser Faktor kann für unterschiedliche Anwendungen (je nach Erfahrung) andere Werte
annehmen.
[0026] Es ergibt sich somit beispielsweise für einen Wirkfaktor=1 folgende Handlungsanweisung:
Unterschreitet die verbleibende Stegbreite zwischen benachbarten Mischluftlöchern
die Summe der Durchmesser der beiden Mischluftlöcher um mehr als 20%, so wird die
Wandstärke um mindestens 27% erhöht.
[0027] Unterschreitet die verbleibende Stegbreite zwischen benachbarten Mischluftlöchern
den Mittelwert der Durchmesser der beiden Mischluftlöcher, so wird die Wandstärke
im Wesentlichen um 41 % erhöht.
[0028] Unterschreitet die verbleibende Stegbreite zwischen benachbarten Mischluftlöchern
den Mittelwert der Radien der beiden Mischluftlöcher, so wird die Wandstärke im Wesentlichen
um 73% erhöht.
[0029] Hierbei ist es unerheblich, ob die geringste Stegbreite zwischen den Mischluftlöchern
einer Reihe oder zwischen den Mischluftlöchern benachbarter Reihen auftritt. Dies
legt nur die axiale Position der maximalen Wandstärke fest. Liegt die geringste Stegbreite
zwischen den Mischluftlöchern einer Reihe, so liegt das Maximum der Wandstärke an
der axialen Position der Achsen der Mischluftlochreihe. Liegt die minimale Stegbreite
zwischen Mischluftlöchern benachbarter Mischluftlochreihen, dann liegt die maximale
Wandstärke zwischen den Mittelachsen der beiden Reihen der Mischluftlöcher im Wesentlichen
in der Mitte zwischen den Reihen.
[0030] Die axiale Erstreckung der Aufdickung für eine Mischluftlochreihe wird im Wesentlichen
auf den Bereich zwischen einem Lochdurchmesser stromauf und einem Lochdurchmesser
stromab beschränkt.
[0031] Die axiale Erstreckung der Aufdickung für zwei Mischluftlochreihen wird auf den Bereich
zwischen einem Lochdurchmesser der stromaufliegenden Mischluftlochreihe stromauf und
einem Lochdurchmesser der stromabliegenden Mischluftlochreihe stromab beschränkt.
[0032] Sind unterschiedliche Mischluftlochdurchmesser in einer Reihe vorhanden, so gilt
für diese Begrenzungen der größte Durchmesser der jeweiligen Lochreihe.
[0033] Zur Vereinfachung der Fertigung kann die Erhöhung der Wandstärke in einer Rampe vor
dem die Dicke bestimmenden Ligament erfolgen, gefolgt von einem Bereich konstant hoher
Wandstärke im Bereich der Mischluftlöcher und einer Rampe zurück zu einer geringeren
Wandstärke, welche dann im Wesentlichen bis kurz vor Ende der Brennkammer beibehalten
wird. Hierbei muss die im Wesentlichen konstante Wandstärke vor der Mischluftlochreihe
nicht identisch sein mit der im Wesentlichen konstanten Wandstärke stromab hiervon.
Hierdurch werden die Übergänge in der Wandstärke fließend gestaltet, um Spannungsspitzen
durch Querschnittssprünge zu vermeiden.
[0034] Erfindungsgemäß ist es beispielsweise möglich, die Blechdicke der äußeren, kalten
Brennkammerwand 7 von 1,2 mm auf 1,6 mm zu erhöhen, während die Dicke einer als Gussteil
ausgebildeten, inneren, heißen Brennkammerwand 6 im Bereich der Mischluftlöcher von
1,4 mm auf 2 mm erhöht wird. Somit ist es möglich, bei bekannten Mustern oder Anordnungen
von Mischluftlöchern 5 durch eine Verdickung der Wandstärke eine Änderung der Steifigkeit
so zu erreichen, dass die ohne die Verdickung auftretende Schwächung der Wandung kompensiert
wird.
[0035] Die Fig. 4 verdeutlicht eine erfindungsgemäß mögliche Ausgestaltung, bei welcher
die beiden Mischluftlochreihen in Umfangsrichtung erheblich angenähert sind oder sich
fast überdecken. Ohne eine Erhöhung der Wanddicke, so wie dies erfindungsgemäß vorgesehen
ist, würde die Schwächung der Brennkammerwand weiter erhöht. Erfindungsgemäß erfolgt
somit in diesem Bereich eine stärkere Aufdickung, so wie es nachfolgend in Verbindung
mit den Fig. 5 und 6 beschrieben wird. Beispielsweise kann eine Blechdicke einer Brennkammerwand
von 1,2 mm auf 1,8 mm erhöht werden. Die Wandstärke eines Gussteils von 1,4 mm kann
erfindungsgemäß beispielsweise im Bereich der Überschneidung der Mischluftlöcher auf
2,5 mm erhöht werden.
[0036] Die Erfindung ist, wie erwähnt, sowohl bei einwandigen als auch zweiwandigen Brennkammern
einsetzbar. Bei einer einwandigen Brennkammer wird beispielsweise die Wandstärke des
Blechs im Bereich der Mischluftlöcher erhöht oder es wird der angrenzende, nicht mit
Mischluftlöchern versehene Bereich durch Abstreckdrücken in seinem Querschnitt verringert.
Durch das Abstreckdrücken erfolgt eine Abkehr von standardisierten Blechdicken hin
zu einer an die lokalen Erfordernisse angepassten Wandstärke. Durch Abstreckdrücken
erzeugte Bauteile mit lokal angepasster Wandstärke sind kostengünstiger herstellbar
als Bauteile, welche aus mehreren Blechen, Schmiede- oder Gussteilen gefügt werden.
Bei einer mehrschichtigen Wandkonstruktion der Brennkammerwand, welche beispielsweise
als Kassette oder durch Fügen von laminierten Blechen hergestellt wird, ist es erfindungsgemäß
möglich, die Wandstärke im Bereich der Mischluftlöcher analog den lokalen Erfordernissen
anzupassen.
[0037] Die Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer Brennkammer analog der Fig. 2. In Fig.
2 ist im oberen Teil der Abbildung als Diagramm die Wandstärke W über die Länge der
Brennkammerwand aufgetragen. Daraus ergibt sich, dass die Brennkammerwand eine konstante
Wandstärke W über ihre gesamte Länge aufweist. Im Vergleich hierzu ist bei dem in
Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich der Mischluftlöcher 5 eine Verdickung
der Wand und somit eine größere Wandstärke vorgesehen, so wie sich dies aus dem Diagramm
in der oberen Hälfte der Abbildung der Fig. 5 ergibt.
[0038] Die Fig. 5 zeigt in der Schnittansicht eine Konstruktion, bei welcher sowohl die
äußere, kalte Brennkammerwand 7, als auch die innere, heiße Brennkammerwand 8 verdickt
ausgebildet sind. Hierdurch wird die Abnahme des hinsichtlich der Festigkeit zur Verfügung
stehenden Querschnitts der beiden Brennkammerwände 7, 8 durch die Verdickung ausgeglichen.
[0039] Die Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Darstellung analog Fig.
5. Dabei ist ersichtlich, dass zusätzlich zu der in Fig. 5 vorgesehenen Verdickung
oder Erhöhung der Wandstärke im Bereich zwischen den Mischluftlöchern 5 bzw. im Bereich
deren Überdeckung (s. auch Fig. 4) eine nochmalige Erhöhung der Wandstärke oder Wanddicke
erfolgt. Dies ergibt sich insbesondere auch aus dem Diagramm in der oberen Hälfte
der Darstellung der Fig. 6.
Bezugszeichenliste:
[0040]
- 1
- Brennkammer
- 2
- Hitzeschild
- 3
- Brennkammerkopf
- 4
- Brennerdichtung
- 5
- Mischluft
- 6
- innere, heiße Brennkammerwand/Segment/Schindel
- 7
- äußere, kalte Brennkammerwand
- 8
- Grundplatte
- 9
- Mittelachse
- 10
- Dichtlippe
- 11
- Brennkammeraufhängung
- 12
- Brennkammerflansch
- 13
- Bolzen
- 14
- Mutter
- 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
- W
- Wandstärke / Wanddicke
1. Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einer Brennkammerwand (6, 7), in welcher in einem
vorgegebenen Bereich, welcher sich ringförmig, bezogen auf eine Mittelachse der Brennkammer,
in einem mittleren Bereich der Brennkammer um diese erstreckt, Mischluftlöcher (5)
ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) im ringförmigen Bereich der Mischluftlöcher (5) eine größere
Dicke (W) aufweist, als in den nicht mit Mischluftlöchern (5) versehenen Bereichen.
2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) in allen Bereichen, insbesondere in Längsrichtung, bezogen
auf die Durchströmungsrichtung der Brennkammer (1), eine im Wesentlichen konstante
Steifigkeit aufweist.
3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die größere Dicke (W) der Brennkammer (6, 7) mit einer Wandstärke ausgebildet ist,
wobei die maximale Wandstärke nach folgender Gleichung berechnet wird:
Wmax· maximale Wandstärke
W0: nominale Wandstärke
A: Abstand der Lochmitten benachbarter Löcher
Sr. Summe der Lochradien benachbarten Löcher
C: Wirkfaktor 0,7..1,3
4. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) einschichtig ausgebildet ist.
5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) zweischichtig ausgebildet ist und zumindest eine der Brennkammerwände
(6, 7) im Bereich der Mischluftlöcher (5) mit einer größeren Wanddicke versehen ist.
6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) als Gussteil gefertigt ist.
7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) mittels eines generativen Verfahrens gefertigt ist.
8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) aus konturierten Blechmaterialien gefertigt ist.
9. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (6, 7) aus einem faserverstärkten Keramikmaterial gefertigt ist.