EP2918914A1

EP2918914A1 - Brennkammer einer Gasturbine

Info

Publication number: EP2918914A1
Application number: EP15158435.6A
Authority: EP
Inventors: Imon Kalyan Bagchi
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2015-09-16
Also published as: US20150260402A1; US9335048B2; DE102014204476A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbine, mit einer äußeren Brennkammerwand (7) sowie mit einer inneren Brennkammerwand (6), wobei die innere Brennkammerwand (6) an ihrem, bezogen auf die Durchströmungsrichtung der Brennkammer, vorderen Endbereich an der äußeren Brennkammerwand (7) fixiert ist und an ihrem hinteren Endbereich längsverschiebbar an der äußeren Brennkammerwand (7) gehalten ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Brennkammer einer Gasturbine. Die Brennkammer weist eine äußere Brennkammerwand sowie eine innere Brennkammerwand auf.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die innere, heiße Brennkammerwand an der äußeren, kalten Brennkammerwand in geeigneter Weise zu lagern. Die beiden Brennkammerwände sind dabei voneinander beabstandet, um einen Zwischenraum zur Durchströmung von Kühlluft zu schaffen. Die äußere, kalte Brennkammerwand weist dabei eine Vielzahl von Prallkühllöchern auf, durch welche Kühlluft auf die dem Brennkammerinnenraum abgewandte Seite der inneren, heißen Brennkammerwand auftrifft, um diese zu kühlen. Die innere, heiße Brennkammerwand ist mit einer Vielzahl von Effusionslöchern versehen, durch welche Kühlluft austritt, welche sich an die Oberfläche der inneren Brennkammerwand anlegt, um diese zu kühlen und gegenüber den heißen Verbrennungsgasen abzuschirmen.
Derartige Brennkammern sind zwischen einem Hochdruckverdichter und einer Hochdruckturbine angeordnet.
Die äußere, kalte Brennkammerwand, welche eine Tragstruktur bildet, wird üblicherweise durch Verschweißen vorgefertigter Teile hergestellt. Am Ausströmbereich der Brennkammer werden Flansche und Brennkammeraufhängungen, welche als separate Schmiedeteile gefertigt sind, angeschweißt, um die Brennkammer zu lagern. Die Brennkammerwände selbst sind üblicherweise als Blechkonstruktion ausgeführt. Am vorderen Ende der Brennkammer ist ein Brennkammerkopf mit einer üblicherweise als Gussteil hergestellten Grundplatte vorgesehen. In dem Innenraum dieser äußeren, kalten Brennkammerwand wird dann die innere, heiße Brennkammerwand eingefügt. Diese besteht üblicherweise aus Schindeln, welche segmentartig ausgebildet sind. Die Schindeln sind als Gussteile ausgebildet und weisen angegossene Stehbolzen auf, welche durch Ausnehmungen der äußeren Brennkammerwand geführt und von außen über Muttern verschraubt werden.
Derartige Konstruktionen sind beispielsweise aus der US 5,435,139 A oder der US 5,758,503 A vorbekannt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen werden somit stets Stehbolzen verwendet, um die innere Brennkammerwand (die Schindeln) zu befestigen. Um diese Befestigung funktionsgerecht durchzuführen, ist es erforderlich, die Stehbolzen mittels der Muttern vorzuspannen. Durch die hohe Temperatur auf der Seite der heißen, inneren Brennkammerwand, wird jedoch der Werkstoff der Stehbolzen so beansprucht, dass der Werkstoff kriecht. Hierdurch baut sich die Vorspannung der Stehbolzen ab. Als Folge treten Vibrationen der Schindeln der inneren Brennkammerwand auf. Dies kann zum Versagen der Befestigung der Schindeln führen und die gesamte Gasturbine zerstören.
Die Kühlung der Schindeln in der Nähe der Stehbolzen kann wegen der dort auftretenden Materialanhäufungen nicht optimal gestaltet werden. Somit treten an den Übergangsbereichen von den Schindeln zu den Stehbolzen höhere Temperaturen auf, die die Temperaturen im restlichen Bereich der Schindeln übertreffen.
Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Lösungen besteht darin, dass im Bereich der Austrittsdüse der Brennkammer eine Dichtung oder Dichtlippe vorgesehen ist, welche den Abgasstrahl zu den umgebenden Bauteilen hin abdichtet und diesen zu den Leitschaufeln der Hochdruckturbine zuführt. Diese Dichtlippen verschleißen bei Lockerung der Schindeln oder bei Vibrationen der Schindeln. Dabei erweist es sich als nachteilig, dass die Dichtlippe als Teil der Tragstruktur der Brennkammer ausgebildet ist und nicht in einfacher Weise ausgetauscht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer einer Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein hohes Maß an Betriebssicherheit und eine hohe Lebensdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die innere Brennkammerwand an ihrem hinteren Endbereich, bezogen auf die Durchströmungsrichtung der Brennkammer, längs verschiebbar in einer Nut im Bereich einer Brennkammeraufhängung oder einer Dichtlippe für eine Streifendichtung zu einer Austrittsdüsenleitschaufel (NGV) gehalten ist. An ihrem vorderen Endbereich ist die innere Brennkammerwand an der äußeren Brennkammerwand fixiert.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die erste, kalte Brennkammerwand so auszubilden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, nämlich als gefügtes Blechteil. Die innenliegende zweite, heiße Brennkammerwand kann aus einem Blechmaterial oder in Form von gegossenen Segmenten oder Schindeln hergestellt werden. Durch die Lagerung in einer Nut am hinteren Endbereich der kalten Brennkammerwand ist es möglich, eine Längsverschiebbarkeit zu ermöglichen, welche insbesondere auch thermische Ausdehnungen zulässt, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen besteht. Am vorderen Ende ist die innere Brennkammerwand (Schindel) in der Nähe der Grundplatte fixiert. Diese Fixierung kann erfindungsgemäß beispielsweise durch Schrauben oder Bolzen erfolgen. Erfindungsgemäß liegt somit am vorderen Bereich der inneren Brennkammerwand eine formschlüssige Fixierung vor.
In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die innere Brennkammerwand an ihrem hinteren Endbereich zumindest einen Haken oder ein Hakenelement aufweist. Der Haken ist bevorzugterweise U-förmig ausgebildet, so dass der hintere Bereich der inneren Brennkammer mittels des Hakens sowohl gehalten wird, als auch längsverschiebbar geführt ist. Bevorzugterweise sind um den Umfang der inneren Brennkammerwand mehrere Haken vorgesehen. Die Haken können weiterhin zur Spielbeseitigung elastisch ausgebildet sein. Dabei weisen sie eine Federfunktion auf, um die innere Brennkammerwand (Schindeln) straff an der äußeren Brennkammerwand zu halten. Durch die nach außen, vom heißen inneren Bereich der inneren Brennkammerwand abgewandte Ausgestaltung des Hakens befindet sich dieser außerhalb des Heißgasstroms und wird somit thermisch nicht so stark belastet.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die innere Brennkammerwand segmentiert ausgebildet ist, wobei sich die Segmente über die gesamte Länge der Brennkammer erstrecken können.
Die Befestigung oder Fixierung des vorderen Endes der Brennkammerwand kann in günstiger Weise den jeweiligen baulichen Anforderungen angepasst werden, beispielsweise durch Schrauben, welche, bezogen auf die Durchströmungsrichtung oder eine Mittelsachse der Brennkammer radial angeordnet sind. Alternativ kann die Befestigung durch axial eingerichtete Stehbolzen, die mit den Schindeln hergestellt sind, erfolgen. Diese Stehbolzen können mit Muttern auf der kalten Seite der Brennkammerkopfplatte befestigt werden.
Als wesentlicher Vorteil ergibt sich erfindungsgemäß, dass die Kühlung der inneren Brennkammerwand auf ihrer gesamten Fläche optimal gestaltet werden kann. Da keine Stehbolzen vorhanden sind, ergeben sich auch keine Einschränkungen hinsichtlich der Wärmeübertragung.
Die erfindungsgemäße Brennkammer und insbesondere die erfindungsgemäße innere Brennkammerwand kann bevorzugterweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden, beispielsweise durch Laserauftragsschweißen oder Elektronenstrahlauftragsschweißen. Diese Herstellbarkeit wird dadurch gefördert, dass, im Vergleich zum Stand der Technik, keine Befestigungsbolzen oder ähnliches erforderlich sind, um die innere Brennkammerwand zu lagern. Hierdurch werden Materialanhäufungen sowie Geometrien, welche die Herstellung komplizierter machen, vermieden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass es möglich ist, die Dichtlippe zum Austrittsdüsenleitschaufelring so auszubilden, dass diese bei einem Austausch der inneren Brennkammerwand mit erneuert werden kann, ohne dass die gesamte Brennkammerkonstruktion betroffen ist.
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 Ansicht, analog Fig. 2, eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4: eine vereinfachte Detailansicht des hinteren Endbereichs der inneren Brennkammerwand sowie deren Lagerung;
Fig. 5: ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, analog Fig. 4;
Fig. 6: eine stirnseitige Rückansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 4;
Fig. 7 und 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Rückansicht in analoger Darstellung zu den Fig. 4 und 6; und
Fig. 9 und 10: eine weitere Ausgestaltungsvariante, analog den Fig. 7 und 8.

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.
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.
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.
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 25 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 Zumischlöcher 5 vorgesehen. Auf die Darstellung von Prallkühllöchern und Effusionslöchern wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Die innere Brennkammerwand 6 ist mit Bolzen 13 versehen, welche als Gewindebolzen ausgeführt sind und mittels Muttern 14 verschraubt sind. Am ausströmseitigen Ende der Brennkammer 1 ist eine Dichtlippe 20 für eine Streifendichtung zur Austrittsdüsenleitschaufel vorgesehen. Die Lagerung der Brennkammer 1 erfolgt über Brennkammerflansche 12 und Brennkammeraufhängungen 11.
In den folgenden Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Gleiche Teile und gleiche Lösungsaspekte sind bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen nicht jeweils nochmals detailliert beschrieben, es wird diesbezüglich auf den Text der anderen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkammer. Diese ist grundsätzlich so aufgebaut, wie die in Fig. 2 gezeigte Brennkammer. Dies bedeutet, dass sie ebenfalls eine äußere kalte Brennkammerwand 7 sowie eine innere, heiße Brennkammerwand 6 aufweist. Die Lagerung erfolgt ebenfalls über Brennkammeraufhängungen 11 und Brennkammerflansche 12. Auch die Dichtlippe 20 ist entsprechend dargestellt. Am vorderen Ende ist ein Brennkammerkopf 3, ein Hitzeschild 2, eine Grundplatte 8 und eine Brennerdichtung 4 vorgesehen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Grundplatte 8 mit einer Nut 16, bevorzugterweise einer Ringnut versehen, in welche das kopfseitige Ende 15 der inneren, heißen Brennkammerwand 6 eingesteckt ist. Das kopfseitige Ende 15 ist mittels Befestigungsschrauben 17 fest fixiert. Die Fixierung ist alternativ zu den Schrauben auch mit anderen formschlüssigen Verbindungselementen möglich. Bei einer Fixierung mittels der Schrauben 17 weist die Grundplatte 8 Gewindeausnehmungen auf, in welche die Schrauben 17 eingeschraubt sind.
Am hinteren Endbereich ist die innere Brennkammerwand 6 mit radial nach außen gerichteten Haken 18 versehen, welche in Ausnehmungen 19 der äußeren Brennkammerwand 7 längsverschiebbar geführt sind. Die Lagerung der Haken 18 kann direkt an der äußeren Brennkammerwand 7 oder im Bereich einer Dichtlippe 20 einer Streifendichtung zu einer Austrittsdüsenleitschaufel (NGV) erfolgen.
Die Fig. 4, 5, 7 und 9 zeigen jeweils unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten der Lagerung des hinteren Endbereichs der inneren Brennkammerwand 6. Die Fig. 4 verdeutlicht in vergrößerter Darstellung die in Fig. 3 gezeigte Lösung. Aus der Rückansicht der Fig. 6 ergibt sich, dass am Umfang der inneren Brennkammerwand 6 verteilt eine Vielzahl von Haken 18 ausgebildet sein können.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist zusätzlich am freien Ende des Hakens 18 ein Sicherungsansatz 21 vorgesehen, welcher insbesondere die Montage der inneren Brennkammerwand 6 erleichtert und ein Lösen des Hakens 18 verhindert. Eine ähnliche Ausgestaltung ist in Fig. 7 gezeigt. Um den Haken 18 in die Ausnehmung 19 einzuführen, ist die Ausnehmung 19 mit einem abgestuften Querschnitt versehen, so wie sich dies aus Fig. 8 ergibt. Durch eine Drehung in Umfangsrichtung gelangt der Haken 18 in den rechten Bereich der Ausnehmung 19 gemäß der Darstellung von Fig. 8, so dass der Haken 18 mit seinem Sicherungsansatz 21 sicher eingehakt ist. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 9 und 10 zeigt einen elastischen Ansatz 22, welcher am freien Ende des Hakens 18 ausgebildet ist und gegen die äußere Brennkammerwand 7 anliegt, um die innere Brennkammerwand spielfrei vorzuspannen.

Bezugszeichenliste:

1: Brennkammer
2: Hitzeschild
3: Brennkammerkopf
4: Brennerdichtung
5: Zumischloch
6: innere, heiße Brennkammerwand/Segment/Schindel
7: äußere, kalte Brennkammerwand
8: Grundplatte
9: Prallkühlloch
10: Effusionsloch
11: Brennkammeraufhängung
12: Brennkammerflansch
13: Bolzen
14: Mutter
15: kopfseitiges Ende der inneren, heißen Brennkammerwand 6
16: Nut in Grundplatte 8
17: Befestigungsschraube
18: Haken
19: Ausnehmung
20: Dichtlippe
21: Sicherungsansatz
22: elastischer Ansatz

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

Claims

Brennkammer einer Gasturbine, mit einer äußeren Brennkammerwand (7) sowie mit einer inneren Brennkammerwand (6), wobei die innere Brennkammerwand (6) an ihrem, bezogen auf die Durchströmungsrichtung der Brennkammer, vorderen Endbereich an der äußeren Brennkammerwand (7) fixiert ist und an ihrem hinteren Endbereich längsverschiebbar an der äußeren Brennkammerwand (7) gehalten ist.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) an ihrem vorderen Endbereich formschlüssig befestigt ist.
Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) an ihrem hinteren Endbereich angrenzend an eine Dichtlippe (20) einer Dichtung einer Austrittsdüsenleitschaufel gelagert ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) an ihrem hinteren Endbereich zumindest einen U-förmigen Haken (18) aufweist, welcher längsverschiebbar in zumindest einer Ausnehmung (19) der äußeren Brennkammerwand (7) gehalten ist.
Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang mehrere Haken (18) vorgesehen sind.
Brennkammer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haken (18) zur Spielbeseitigung elastisch (22) ausgebildet ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) an ihrem vorderen Endbereich in einer Nut (16) einer Grundplatte (8) gehalten ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) segmentiert ausgebildet ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) mit Schindeln versehen ist und/oder Schindeln umfasst und/oder als Schindel ausgebildet ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Brennkammerwand (6) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist.