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EP3296636A1 - Cumbustion chamber wall of a gas turbine with combustion chamber shingle mounting - Google Patents

Cumbustion chamber wall of a gas turbine with combustion chamber shingle mounting Download PDF

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Publication number
EP3296636A1
EP3296636A1 EP17191110.0A EP17191110A EP3296636A1 EP 3296636 A1 EP3296636 A1 EP 3296636A1 EP 17191110 A EP17191110 A EP 17191110A EP 3296636 A1 EP3296636 A1 EP 3296636A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
bolt
shingle
chamber wall
combustor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17191110.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kay Heinze
Stefan Penz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP3296636A1 publication Critical patent/EP3296636A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/60—Support structures; Attaching or mounting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures

Definitions

  • the invention relates firstly to a combustion chamber shingle of a gas turbine combustion chamber and to a combustion chamber wall of a gas turbine combustion chamber using the combustion chamber shingle according to the invention.
  • Typical combustion chambers of gas turbines consist of an inner and an outer combustion chamber wall. Shingles are fastened to these combustion chamber walls on the side facing the combustion chamber interior. These shingles protect the combustion chamber walls from the high temperatures generated during the combustion process.
  • the shingles in a suitable manner to be attached to the combustion chamber wall, that they are secured in the long term during operation.
  • the shingles are usually screwed by a fixing with the combustion chamber wall.
  • Such fixing elements are formed for example in the form of studs which are connected to the shingles.
  • the combustion chamber walls In order to cool the shingles, the combustion chamber walls have impingement cooling holes through which cooling air is introduced into a space between the combustion chamber wall and the shingle. This air exits through effusion cooling holes, which are provided in the shingle, from the hot, the interior of the combustion chamber facing side of the shingle. The cooling air occurring from the effusion cooling holes settles on the hot side of the shingle as cooling air film and causes it to cool.
  • the invention has for its object to provide a combustion chamber shingle and a combustion chamber, which avoid the disadvantages of the prior art with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability and allow a thermally optimized solution with a long service life.
  • the combustion chamber shingle is inventively provided that it is integrally formed with a fastening bolt.
  • the fastening bolt additionally has a bolt washer, which is integrally connected to the fastening bolt such that the bolt washer is spaced from the combustion chamber shingle. The extending from the pin washer free end portion of the mounting bolt is threaded.
  • the combustion chamber shingle according to the invention is characterized by a number of significant advantages.
  • the bolt disc ensures that the combustion chamber shingle does not bear directly against the combustion chamber wall. Rather, the bolt disc forms an abutment which is supported against the combustion chamber wall and by means of a nut which is bolted to the thread of the fastening bolt, is braced.
  • a gap is created between the pin and the combustion chamber shingles, which can be traversed by cooling air. This leads to an improvement in the cooling by the cooling air, which is introduced into the space between the combustion chamber shingle and the combustion chamber wall.
  • the threaded end region of the fastening bolt has a larger diameter than the region of the fastening bolt between the combustion chamber shingle and the bolt disk.
  • the fastening bolt between the combustion chamber shingle and the bolt disc can have a substantially smaller diameter, so that there is a lower accumulation of material, which in turn leads to a reduction in the mass to be cooled.
  • the pin disc can have a conical shape in cross section, so that the introduction of force into the combustion chamber shingle is improved.
  • the bolt disc may be plate-shaped to have a certain elasticity.
  • the mounting plate serves as a biasing spring to additionally secure the screw by means of the mother.
  • the bolt In order to minimize heat transfer into the shingle and to maximize the cooled surface on the hot side, it may be advantageous to provide the bolt, as described, at the transition to the shingle with a smaller diameter than at the threaded portion of the bolt. In addition, it is possible to choose the thickness of the bolt disk such that the bolt disk has a smaller thickness at the radially outer region than at the radially inner region.
  • the invention provides that the nut rests against the combustion chamber wall for fastening the fastening bolt. This results in a load path which extends through the free region of the fastening bolt, through the nut, through the edge region of the associated recess of the combustion chamber wall and through the bolt disk.
  • the attachment region of the fastening bolt to the combustion chamber shingle is thus not burdened by the screw. This results in a significant reduction of mechanical stress in this area. This leads to a lower creep of the material and thus to a reduced susceptibility to failure.
  • a separate washer between the nut and the combustion chamber wall. This can serve, for example, to compensate for dimensional dimensions and to provide a sufficient contact surface of the mother.
  • the washer may be provided with an annular flange which engages around the fastening bolt and extends through the recess of the combustion chamber wall, through which the fastening bolt is guided. This leads to a simplified installation and takes into account dimensional deviations of the recesses of the combustion chamber wall.
  • the outer diameter of the pin washer is substantially equal to the outer diameter of the washer, but other dimensions may be favorable.
  • the gas turbine engine 10 is a generalized example of a turbomachine, in which the invention can be applied.
  • the engine 10 is formed in a conventional manner and comprises in succession an air inlet 11, a fan 12 circulating in a housing, a medium pressure compressor 13, a high pressure compressor 14, a combustion chamber 15, a high pressure turbine 16, a medium pressure turbine 17 and a low pressure turbine 18 and a Exhaust nozzle 19, which are all arranged around a central engine axis 1.
  • the intermediate pressure compressor 13 and the high pressure compressor 14 each include a plurality of stages, each of which includes a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 20, commonly referred to as stator vanes, that radially inwardly from the core engine housing 21 into an annular flow passage through the compressors 13, 14 protrude.
  • the compressors further include an array of compressor blades 22 projecting radially outwardly from a rotatable drum or disc 26 coupled to hubs 27 of high pressure turbine 16 and mid pressure turbine 17, respectively.
  • the turbine sections 16, 17, 18 have similar stages, comprising an array of fixed vanes 23 projecting radially inward from the housing 21 into the annular flow passage through the turbines 16, 17, 18, and a downstream array of turbine rotor blades 24 projecting outwardly from a rotatable hub 27.
  • the compressor drum or compressor disk 26 and the blades 22 disposed thereon and the turbine rotor hub 27 and the turbine rotor blades 24 disposed thereon rotate about the engine axis 1 during operation.
  • the Fig. 2 shows in a partially-sectional perspective view of a combustion chamber shingle 29, which is integrally provided with a fastening bolt 25. It is understood that several such fastening bolts can be provided in the region of a shingle.
  • the fastening bolt 25 is provided at its free end region with a thread 31, on which a nut 33 can be screwed.
  • the bolt has an integral with this bolt washer 30.
  • This is formed in the embodiment shown as a circular disk, but it can also have any other shapes, such as polygonal or rectangular.
  • the reference numeral 32 a combustion chamber wall is shown, which is provided with a recess. Through this recess, the fastening bolt 25 is guided.
  • a washer 34 is interposed, against which the nut 33 is supported.
  • the washer 34 has an annular flange 35, which extends into the free hole space of the combustion chamber wall 32 and can serve, for example, for centering or securing the position of the combustion chamber shingle 29.
  • the Fig. 3 shows in an analogous representation of Fig. 2 the resulting load path.
  • the load for fastening the combustion chamber shingle 29 to the combustion chamber wall 32 thus passes through the free threaded portion 31 of the fastening bolt 25, through the nut 33, through the washer 34, through the combustion chamber wall 32 and through the pin washer 30 in that the transition region 36 is not mechanically stressed by the screw connection, so that the risk of material creep can be largely avoided.
  • the construction according to the invention makes it possible to form additional cooling air slots (not shown) in the pin washer or washer in order to ensure further cooling and to reduce the overall temperature.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammerschindel einer Gasturbinenbrennkammer 15 mit zumindest einem Befestigungsbolzen 25, welcher einstückig mit der Brennkammerschindel 29 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbolzen 25 einstückig mit einer von der Brennkammerschindel 29 beabstandeten Bolzenscheibe 30 versehen ist und dass ein freier Endbereich des Befestigungsbolzens 25 mit einem Gewinde 31 versehen ist, sowie eine Brennkammerwandung zur Befestigung der Brennkammerschindel mittels einer Mutter.The invention relates to a combustion chamber shingle of a gas turbine combustor 15 with at least one fastening bolt 25, which is integrally formed with the combustion chamber shingle 29, characterized in that the fastening bolt 25 is integrally provided with a spaced from the combustion chamber shingle 29 bolt disk 30 and that a free end of the Mounting bolt 25 is provided with a thread 31, and a combustion chamber wall for fastening the combustion chamber shingle by means of a nut.

Description

Die Erfindung bezieht sich zum einen auf eine Brennkammerschindel einer Gasturbinenbrennkammer als auch auf eine Brennkammerwandung einer Gasturbinenbrennkammer unter Verwendung der erfindungsgemäßen Brennkammerschindel.The invention relates firstly to a combustion chamber shingle of a gas turbine combustion chamber and to a combustion chamber wall of a gas turbine combustion chamber using the combustion chamber shingle according to the invention.

Typische Brennkammern von Gasturbinen bestehen aus einer inneren und einer äußeren Brennkammerwand. An diesen Brennkammerwänden sind an der zum Brennkammerinnenraum weisenden Seite Schindeln befestigt. Diese Schindeln schützen die Brennkammerwände vor den im Verbrennungsprozess entstehenden hohen Temperaturen.Typical combustion chambers of gas turbines consist of an inner and an outer combustion chamber wall. Shingles are fastened to these combustion chamber walls on the side facing the combustion chamber interior. These shingles protect the combustion chamber walls from the high temperatures generated during the combustion process.

Insgesamt ergibt sich die Problematik, die Schindeln in geeigneter Weise so an der Brennkammerwand zu befestigen, dass diese während des Betriebs langfristig gesichert sind. Hierzu werden die Schindeln üblicherweise durch ein Fixierelement mit der Brennkammerwand verschraubt. Derartige Fixierelemente sind beispielsweise in Form von Stehbolzen ausgebildet, die mit der Schindel verbunden sind.Overall, the problem arises, the shingles in a suitable manner to be attached to the combustion chamber wall, that they are secured in the long term during operation. For this purpose, the shingles are usually screwed by a fixing with the combustion chamber wall. Such fixing elements are formed for example in the form of studs which are connected to the shingles.

Um die Schindeln zu kühlen, weisen die Brennkammerwände Prallkühllöcher auf, durch welche Kühlluft in einen Zwischenraum zwischen der Brennkammerwand und der Schindel eingeleitet wird. Diese Luft tritt durch Effusionskühllöcher, welche in der Schindel vorgesehen sind, aus der heißen, dem Innenraum der Brennkammer zugewandten Seite der Schindel aus. Die aus den Effusionskühllöchern auftretende Kühlluft legt sich als Kühlluftfilm auf die heiße Seite der Schindel und bewirkt deren Kühlung.In order to cool the shingles, the combustion chamber walls have impingement cooling holes through which cooling air is introduced into a space between the combustion chamber wall and the shingle. This air exits through effusion cooling holes, which are provided in the shingle, from the hot, the interior of the combustion chamber facing side of the shingle. The cooling air occurring from the effusion cooling holes settles on the hot side of the shingle as cooling air film and causes it to cool.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Schindeln einstückig mit einem Schindelbolzen zu versehen. Bei der Befestigung der Schindeln wird der Schindelbolzen durch geeignete Ausnehmungen der Brennkammerwand geführt und von außen verschraubt. Festigkeitsuntersuchungen haben gezeigt, dass es am Übergang von der Schindel zu dem Schindelbolzen oder Befestigungsbolzen bei den auftretenden Temperaturen zu einem Kriechen des Materials kommt. Hierdurch wird die Lebensdauer der Schindel erheblich verringert, da sich diese von der Brennkammerwand lösen kann. Weiterhin erweist es sich als nachteilig, dass an dem Bereich, an dem der Bolzen einstückig mit der Schindel verbunden ist, nur eine eingeschränkte Kühlung erfolgen kann, da dort große Materialansammlungen vorliegen. Somit führt dieser Übergangsbereich zwischen dem Bolzen und der Schindel zu thermischen Problemen.From the prior art it is known to provide the shingles in one piece with a shingle bolt. When attaching the shingles, the shingle bolt is guided through suitable recesses of the combustion chamber wall and screwed from the outside. Strength tests have shown that there is a creep of the material at the transition from the shingle to the shingle bolt or mounting bolt at the temperatures encountered. As a result, the life of the shingle is significantly reduced because it can be detached from the combustion chamber wall. Furthermore, it proves to be disadvantageous that at the area where the bolt is integrally connected to the shingle, only a limited cooling can take place, since there are large collections of material. Thus, this transition region between the bolt and the shingle leads to thermal problems.

Zu dem zugrundeliegenden Stand der Technik wird auf folgende Druckschriften verwiesen:

  • Aus der EP 1 413 831 A1 ist eine Konstruktion bekannt, bei welcher die Schindeln durch hakenförmige Elemente gehalten werden. Diese Konstruktion ist in der Herstellung aufwendig und erfordert eine komplexe Montage. Eine ähnliche Hakenkonstruktion zeigt auch die EP 2 886 962 A1 .
  • In der EP 2 873 921 A1 wird ein separater Befestigungsbolzen verwendet, welcher in eine Aufhängevorrichtung der Schindel eingehängt wird. Auch diese Konstruktion ist mit einem erheblichen Herstellungs- und Montageaufwand verbunden.
  • Bei der aus der EP 2 295 865 A2 bekannten Konstruktion ist vorgesehen, an der Schindel einen Befestigungsbereich auszubilden, in welchen eine Schraube eingeschraubt wird. Auch bei dieser Konstruktion liegen im Bereich der Befestigung große Materialanhäufungen vor, welche zu Kühlproblemen führen können.
  • Die EP 2 743 585 A1 zeigt einen einstückig mit der Schindel verbundenen Bolzen, bei welchem die oben genannten Nachteile auftreten können. Eine ähnliche Lösung zeigt auch die EP 2 700 877 A2 , wobei zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung des Übergangs zwischen der Schindel und dem Bolzen vorgesehen sind.
  • Die EP 2 738 470 A1 beschreibt eine Lösung, bei welcher die Mischluftlöcher in der Brennkammerschindel und der Brennkammerwand verwendet werden, um mittels eines zusätzlichen Befestigungselements die Schindel und die Brennkammerwand miteinander zu verschrauben. Zur Kühlung sind zusätzliche Kühlluftkanäle ausgebildet.
For the underlying state of the art reference is made to the following documents:
  • From the EP 1 413 831 A1 a construction is known in which the shingles are held by hook-shaped elements. This construction is expensive to manufacture and requires complex assembly. A similar hook construction also shows the EP 2 886 962 A1 ,
  • In the EP 2 873 921 A1 a separate fastening bolt is used, which is hung in a suspension of the shingle. This construction is associated with a considerable manufacturing and assembly costs.
  • At the time of the EP 2 295 865 A2 known construction is provided to form a fastening region on the shingle, in which a screw is screwed. Even with this construction, there are large accumulations of material in the area of the attachment, which can lead to cooling problems.
  • The EP 2 743 585 A1 shows an integrally connected to the shingle bolt, in which the above-mentioned disadvantages may occur. A similar solution also shows the EP 2 700 877 A2 , wherein additional measures for cooling the transition between the shingle and the bolt are provided.
  • The EP 2 738 470 A1 describes a solution in which the mixing air holes in the combustion chamber shingle and the combustion chamber wall are used to screw the shingle and the combustion chamber wall together by means of an additional fastening element. For cooling additional cooling air channels are formed.

Insgesamt besteht beim Stand der Technik somit das Problem, dass die Befestigung des Bolzens an der Brennkammerschindel aufgrund der thermischen Belastungen die Lebensdauer der Gesamtkonstruktion erheblich reduzieren kann.Overall, in the prior art thus has the problem that the attachment of the bolt to the combustion chamber shingle due to the thermal stresses can significantly reduce the life of the overall construction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammerschindel sowie eine Brennkammerwandung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine thermisch optimierte Lösung mit langer Lebensdauer ermöglichen.The invention has for its object to provide a combustion chamber shingle and a combustion chamber, which avoid the disadvantages of the prior art with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability and allow a thermally optimized solution with a long service life.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst, die jeweiligen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of the independent claims, the respective subclaims show further advantageous embodiments of the invention.

Hinsichtlich der Brennkammerschindel ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese einstückig mit einem Befestigungsbolzen ausgebildet ist. Der Befestigungsbolzen weist jedoch zusätzlich eine Bolzenscheibe auf, welche einstückig mit dem Befestigungsbolzen so verbunden ist, dass die Bolzenscheibe einen Abstand von der Brennkammerschindel hat. Der sich von der Bolzenscheibe aus erstreckende freie Endbereich des Befestigungsbolzens ist mit einem Gewinde versehen.With regard to the combustion chamber shingle is inventively provided that it is integrally formed with a fastening bolt. However, the fastening bolt additionally has a bolt washer, which is integrally connected to the fastening bolt such that the bolt washer is spaced from the combustion chamber shingle. The extending from the pin washer free end portion of the mounting bolt is threaded.

Die erfindungsgemäße Brennkammerschindel zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Durch die Bolzenscheibe wird erreicht, dass die Brennkammerschindel nicht direkt gegen die Brennkammerwand anliegt. Vielmehr bildet die Bolzenscheibe ein Widerlager, welches sich gegen die Brennkammerwand abstützt und mittels einer Mutter, die mit dem Gewinde des Befestigungsbolzens verschraubt ist, verspannt wird. Somit wird zwischen der Bolzenscheibe und der Brennkammerschindel ein Zwischenraum geschaffen, welcher mit Kühlluft durchströmt werden kann. Dies führt zu einer Verbesserung der Kühlung durch die Kühlluft, welche in den Zwischenraum zwischen der Brennkammerschindel und der Brennkammerwand eingeleitet wird.The combustion chamber shingle according to the invention is characterized by a number of significant advantages. The bolt disc ensures that the combustion chamber shingle does not bear directly against the combustion chamber wall. Rather, the bolt disc forms an abutment which is supported against the combustion chamber wall and by means of a nut which is bolted to the thread of the fastening bolt, is braced. Thus, a gap is created between the pin and the combustion chamber shingles, which can be traversed by cooling air. This leads to an improvement in the cooling by the cooling air, which is introduced into the space between the combustion chamber shingle and the combustion chamber wall.

Besonders günstig ist es, wenn der mit dem Gewinde versehene Endbereich des Befestigungsbolzens einen größeren Durchmesser aufweist, als der Bereich des Befestigungsbolzens zwischen der Brennkammerschindel und der Bolzenscheibe. Dies bedeutet, dass der Befestigungsbolzen zwischen der Brennkammerschindel und der Bolzenscheibe einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweisen kann, so dass dort eine geringere Materialanhäufung vorliegt, welche wiederum zu einer Verminderung der zu kühlenden Masse führt. Hieraus resultiert eine geringere thermische Beaufschlagung, die insgesamt zu einer höheren Lebensdauer der Brennkammerschindel führt, da die aus dem Stand der Technik bekannten Kriechvorgänge nicht oder nur sehr eingeschränkt auftreten.It is particularly favorable if the threaded end region of the fastening bolt has a larger diameter than the region of the fastening bolt between the combustion chamber shingle and the bolt disk. This means that the fastening bolt between the combustion chamber shingle and the bolt disc can have a substantially smaller diameter, so that there is a lower accumulation of material, which in turn leads to a reduction in the mass to be cooled. This results in a lower thermal impact, which leads to an overall lifetime of the combustion chamber shingles, since the creep processes known from the prior art do not occur or only to a very limited extent.

Die Bolzenscheibe kann erfindungsgemäß im Querschnitt eine konische Form aufweisen, so dass die Krafteinleitung in die Brennkammerschindel verbessert wird.According to the invention, the pin disc can have a conical shape in cross section, so that the introduction of force into the combustion chamber shingle is improved.

In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung kann die Bolzenscheibe tellerförmig ausgebildet sein, um eine gewisse Elastizität aufzuweisen. Hierbei dient die Befestigungsscheibe als Vorspannfeder, um zusätzlich die Verschraubung mittels der Mutter zu sichern.In an alternative or additional embodiment, the bolt disc may be plate-shaped to have a certain elasticity. Here, the mounting plate serves as a biasing spring to additionally secure the screw by means of the mother.

Um die Wärmeübertragung in die Schindel zu minimieren und die gekühlte Fläche auf der Heißseite zu maximieren, kann es vorteilhaft sein, den Bolzen, wie beschrieben, am Übergang zur Schindel mit einem geringeren Durchmesser zu versehen, als an dem Gewindebereich des Bolzens. Zusätzlich ist es möglich, die Dicke der Bolzenscheibe so zu wählen, dass die Bolzenscheibe am radial äußeren Bereich eine geringere Dicke aufweist, als am radial inneren Bereich.In order to minimize heat transfer into the shingle and to maximize the cooled surface on the hot side, it may be advantageous to provide the bolt, as described, at the transition to the shingle with a smaller diameter than at the threaded portion of the bolt. In addition, it is possible to choose the thickness of the bolt disk such that the bolt disk has a smaller thickness at the radially outer region than at the radially inner region.

All dies führt zu einer verbesserten Kühlmöglichkeit der Schindel im Befestigungsbereich.All this leads to an improved possibility of cooling the shingle in the attachment area.

Hinsichtlich des Aufbaues der Brennkammerwandung einer Gasturbinenbrennkammer ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Mutter zur Befestigung des Befestigungsbolzens gegen die Brennkammerwand anliegt. Somit ergibt sich ein Lastpfad, welcher sich durch den freien Bereich des Befestigungsbolzens, durch die Mutter, durch den Randbereich der zugeordneten Ausnehmung der Brennkammerwandung und durch die Bolzenscheibe erstreckt. Der Befestigungsbereich des Befestigungsbolzens an der Brennkammerschindel wird somit durch die Verschraubung nicht belastet. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der mechanischen Belastung in diesem Bereich. Dies führt zu einem geringeren Kriechen des Materials und damit zu einer verringerten Versagensanfälligkeit.With regard to the structure of the combustion chamber wall of a gas turbine combustion chamber, the invention provides that the nut rests against the combustion chamber wall for fastening the fastening bolt. This results in a load path which extends through the free region of the fastening bolt, through the nut, through the edge region of the associated recess of the combustion chamber wall and through the bolt disk. The attachment region of the fastening bolt to the combustion chamber shingle is thus not burdened by the screw. This results in a significant reduction of mechanical stress in this area. This leads to a lower creep of the material and thus to a reduced susceptibility to failure.

Zusätzlich kann es günstig sein, zwischen der Mutter und der Brennkammerwand eine separate Unterlegscheibe anzuordnen. Diese kann beispielsweise dazu dienen, dimensionale Abmessungen auszugleichen und für eine ausreichende Anlagefläche der Mutter zu sorgen.In addition, it may be convenient to arrange a separate washer between the nut and the combustion chamber wall. This can serve, for example, to compensate for dimensional dimensions and to provide a sufficient contact surface of the mother.

Um den Bereich der Verschraubung der Brennkammerschindel zusätzlich zu kühlen, kann es vorteilhaft sein, wenn in der Bolzenscheibe und/oder in der Unterlegscheibe zusätzliche Kühlluftausnehmungen vorgesehen sind.To additionally cool the region of the screw connection of the combustion chamber shingle, it can be advantageous if additional cooling air recesses are provided in the bolt disk and / or in the washer.

Weiterhin kann die Unterlegscheibe mit einem Ringflansch versehen sein, welcher den Befestigungsbolzen umgreift und sich durch die Ausnehmung der Brennkammerwand erstreckt, durch welche der Befestigungsbolzen geführt ist. Dies führt zu einer vereinfachten Montage und berücksichtigt Maßabweichungen der Ausnehmungen der Brennkammerwand.Furthermore, the washer may be provided with an annular flange which engages around the fastening bolt and extends through the recess of the combustion chamber wall, through which the fastening bolt is guided. This leads to a simplified installation and takes into account dimensional deviations of the recesses of the combustion chamber wall.

Der Außendurchmesser der Bolzenscheibe ist im Wesentlichen gleich zu dem Außendurchmesser der Unterlegscheibe, es können jedoch auch andere Dimensionierungen günstig sein.The outer diameter of the pin washer is substantially equal to the outer diameter of the washer, but other dimensions may be favorable.

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

Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2
eine vereinfachte teil-perspektivische Schnittansicht einer Brennkammerschindel mit Schindelbolzen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 3
eine Darstellung, analog Fig. 2, mit Darstellung des sich ergebenden Lastpfads.
In the following the invention will be described by means of an embodiment in conjunction with the drawing. Showing:
Fig. 1
a schematic representation of a gas turbine engine according to the present invention,
Fig. 2
a simplified partial-sectional perspective view of a combustion chamber shingle with shingles according to an embodiment of the invention, and
Fig. 3
a representation, analog Fig. 2 , with representation of the resulting load path.

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden 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, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.The gas turbine engine 10 according to Fig. 1 is a generalized example of a turbomachine, in which the invention can be applied. The engine 10 is formed in a conventional manner and comprises in succession an air inlet 11, a fan 12 circulating in a housing, a medium pressure compressor 13, a high pressure compressor 14, a combustion chamber 15, a high pressure turbine 16, a medium pressure turbine 17 and a low pressure turbine 18 and a Exhaust nozzle 19, which are all arranged around a central engine axis 1.

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 Kerntriebwerksgehäuse 21 in einen 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.The intermediate pressure compressor 13 and the high pressure compressor 14 each include a plurality of stages, each of which includes a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 20, commonly referred to as stator vanes, that radially inwardly from the core engine housing 21 into an annular flow passage through the compressors 13, 14 protrude. The compressors further include an array of compressor blades 22 projecting radially outwardly from a rotatable drum or disc 26 coupled to hubs 27 of high pressure turbine 16 and mid pressure turbine 17, respectively.

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 Turbinenrotorschaufeln 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 Turbinenrotorschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.The turbine sections 16, 17, 18 have similar stages, comprising an array of fixed vanes 23 projecting radially inward from the housing 21 into the annular flow passage through the turbines 16, 17, 18, and a downstream array of turbine rotor blades 24 projecting outwardly from a rotatable hub 27. The compressor drum or compressor disk 26 and the blades 22 disposed thereon and the turbine rotor hub 27 and the turbine rotor blades 24 disposed thereon rotate about the engine axis 1 during operation.

Die Fig. 2 zeigt in einer teil-perspektivischen Schnittansicht eine Brennkammerschindel 29, welche einstückig mit einem Befestigungsbolzen 25 versehen ist. Es versteht sich, dass im Bereich einer Schindel mehrere derartige Befestigungsbolzen vorgesehen sein können.The Fig. 2 shows in a partially-sectional perspective view of a combustion chamber shingle 29, which is integrally provided with a fastening bolt 25. It is understood that several such fastening bolts can be provided in the region of a shingle.

Der Befestigungsbolzen 25 ist an seinem freien Endbereich mit einem Gewinde 31 versehen, auf welches eine Mutter 33 aufschraubbar ist.The fastening bolt 25 is provided at its free end region with a thread 31, on which a nut 33 can be screwed.

In einem Abstand und parallel zur Oberfläche der Brennkammerschindel weist der Bolzen eine einstückig mit diesem ausgebildete Bolzenscheibe 30 auf. Diese ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kreisscheibe ausgebildet, sie kann jedoch auch beliebige andere Formen aufweisen, beispielsweise polygonal oder rechteckig.At a distance and parallel to the surface of the combustion chamber shingles, the bolt has an integral with this bolt washer 30. This is formed in the embodiment shown as a circular disk, but it can also have any other shapes, such as polygonal or rectangular.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist ein Übergangsbereich 36 des Befestigungsbolzens 25, welcher sich zwischen der Bolzenscheibe 30 und der Brennkammerschindel 29 erstreckt, mit einem geringeren Durchmesser ausgebildet, als der mit dem Gewinde 31 versehene freie Endbereich des Bolzens. Hierdurch ergibt sich eine geringere Materialanhäufung, welche eine bessere Kühlung ermöglicht.As in Fig. 2 1, a transition region 36 of the fastening bolt 25, which extends between the bolt disk 30 and the combustion chamber shingle 29, is formed with a smaller diameter than the free end region of the bolt provided with the thread 31. This results in a lower accumulation of material, which allows for better cooling.

Mit dem Bezugszeichen 32 ist eine Brennkammerwand dargestellt, welche mit einer Ausnehmung versehen ist. Durch diese Ausnehmung wird der Befestigungsbolzen 25 geführt. Zusätzlich ist eine Unterlegscheibe 34 zwischengelegt, gegen welche sich die Mutter 33 abstützt. Die Unterlegscheibe 34 weist einen Ringflansch 35 auf, welcher sich in den freien Lochraum der Brennkammerwand 32 erstreckt und beispielsweise zur Zentrierung oder Lagesicherung der Brennkammerschindel 29 dienen kann.The reference numeral 32, a combustion chamber wall is shown, which is provided with a recess. Through this recess, the fastening bolt 25 is guided. In addition, a washer 34 is interposed, against which the nut 33 is supported. The washer 34 has an annular flange 35, which extends into the free hole space of the combustion chamber wall 32 and can serve, for example, for centering or securing the position of the combustion chamber shingle 29.

Die Fig. 3 zeigt in analoger Darstellung der Fig. 2 den sich ergebenden Lastpfad. Die Last zur Befestigung der Brennkammerschindel 29 an der Brennkammerwand 32 verläuft somit durch den freien, mit dem Gewinde 31 versehenen Bereich des Befestigungsbolzens 25, durch die Mutter 33, durch die Unterlegscheibe 34, durch die Brennkammerwand 32 und durch die Bolzenscheibe 30. Dabei ist ersichtlich, dass der Übergangsbereich 36 durch die Verschraubung nicht mechanisch belastet wird, so dass die Gefahr eines Material-Kriechens weitgehend vermieden werden kann.The Fig. 3 shows in an analogous representation of Fig. 2 the resulting load path. The load for fastening the combustion chamber shingle 29 to the combustion chamber wall 32 thus passes through the free threaded portion 31 of the fastening bolt 25, through the nut 33, through the washer 34, through the combustion chamber wall 32 and through the pin washer 30 in that the transition region 36 is not mechanically stressed by the screw connection, so that the risk of material creep can be largely avoided.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf ein Konzept zur Befestigung von Brennkammerschindeln an einer Brennkammerwand. Die Brennkammerschindeln schützen, wie erwähnt, das Brennkammergehäuse vor hohen Temperaturen, die während der Verbrennung von Kerosin in der Brennkammer entstehen. Um eine ausreichende Lebensdauer der Schindeln zu erreichen, wird üblicherweise eine Keramikschutzschicht auf die Heißseite der Brennkammerschindel aufgetragen. Weiterhin werden Kühlluftlöcher (Effusionslöcher) durch die Schindel gebohrt, um einen Kühlfilm mit kalter Luft auf der Heißseite der Schindel zu erzeugen. Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf die Verschraubung der Brennkammerschindeln und auf die Optimierung des Lastpfads. Hierdurch ergeben sich u.a. folgende Vorteile:

  • Da der Lastpfad zur Verschraubung über den Befestigungsbolzen, die Bolzenscheibe, die Brennkammerwand, die Mutter und wiederum durch den Befestigungsbolzen erfolgt, ist dieser Lastpfad gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen erheblich verkürzt.
The present invention thus relates to a concept for attaching combustor shingles to a combustor wall. The combustor shingles, as mentioned, protect the combustor housing from high temperatures generated during the combustion of kerosene in the combustion chamber. In order to achieve a sufficient service life of the shingles, a ceramic protective layer is usually applied to the hot side of the combustion chamber shingles. Further, cooling air holes (effusion holes) are bored through the shingle to produce a cooling film with cold air on the hot side of the shingle. The invention relates in particular to the screwing of the combustion chamber shingles and to the optimization of the load path. This results in the following advantages:
  • Since the load path for screwing over the fastening bolt, the bolt disk, the combustion chamber wall, the nut and again by the fastening bolt, this load path compared to the previously known constructions is considerably shortened.

Durch den optimierten Lastpfad sind die hoch beanspruchten Bauteile, die zur Befestigung der Brennkammerschindel dienen, von der Schindeloberfläche entkoppelt. Hierdurch ergeben sich deutlich geringere Temperaturen in den hochbelasteten Bauteilen, die zu einer Erhöhung der Lebensdauer führen und einen wesentlichen Schutz vor Versagen bieten.Due to the optimized load path, the highly stressed components that serve to fasten the combustion chamber shingle are decoupled from the shingle surface. This results in significantly lower temperatures in the highly loaded components, which lead to an increase in life and provide significant protection against failure.

Die Anbringung der Brennkammerschindel an den Befestigungsbolzen erfolgt, wie erwähnt, mit einem geringeren Durchmesser, als der Befestigungsbolzen selbst, da nur noch die im Betrieb auftretenden Lasten infolge der thermischen Ausdehnung übertragen werden müssen. Der Lastpfad zur Verschraubung der Brennkammerschindel ist somit von diesem Übergangsbereich des Befestigungsbolzens zur Brennkammerschindel entkoppelt.The attachment of the combustion chamber shingles to the fastening bolts is, as mentioned, with a smaller diameter than the fastening bolt itself, since only the loads occurring during operation due to the thermal expansion must be transmitted. The load path for screwing the combustion chamber shingle is thus decoupled from this transition region of the fastening bolt to the combustion chamber shingle.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird ermöglicht, zusätzliche Kühlluftschlitze (nicht dargestellt) in der Bolzenscheibe oder der Unterlegscheibe auszubilden, um eine weitere Kühlung zu gewährleisten und die Gesamttemperatur zu senken.The construction according to the invention makes it possible to form additional cooling air slots (not shown) in the pin washer or washer in order to ensure further cooling and to reduce the overall temperature.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
TriebwerksachseEngine axis
1010
Gasturbinentriebwerk / KerntriebwerkGas turbine engine / core engine
1111
Lufteinlassair intake
1212
Fanfan
1313
Mitteldruckkompressor (Verdichter)Medium pressure compressor (compressor)
1414
HochdruckkompressorHigh pressure compressor
1515
Brennkammercombustion chamber
1616
HochdruckturbineHigh-pressure turbine
1717
MitteldruckturbineIntermediate pressure turbine
1818
NiederdruckturbineLow-pressure turbine
1919
Abgasdüseexhaust nozzle
2020
Leitschaufelnvanes
2121
KerntriebwerksgehäuseCore engine casing
2222
KompressorlaufschaufelnCompressor blades
2323
Leitschaufelnvanes
2424
TurbinenrotorschaufelnTurbine rotor blades
2525
Befestigungsbolzenmounting bolts
2626
Kompressortrommel oder -scheibeCompressor drum or disc
2727
TurbinenrotornabeTurbinenrotornabe
2828
Auslasskonusoutlet cone
2929
Brennkammerschindelcombustion chamber tile
3030
Bolzenscheibebolt disc
3131
Gewindethread
3232
Brennkammerwandcombustion chamber wall
3333
Muttermother
3434
Unterlegscheibewasher
3535
Ringflanschannular flange
3636
ÜbergangsbereichTransition area

Claims (11)

Brennkammerschindel einer Gasturbinenbrennkammer (15) mit zumindest einem Befestigungsbolzen (25), welche einstückig mit der Brennkammerschindel (29) ausgebildet ist, wobei der Befestigungsbolzen (25) einstückig mit einer von der Brennkammerschindel (29) beabstandeten Bolzenscheibe (30) versehen ist und wobei ein freier Endbereich des Befestigungsbolzens (25) mit einem Gewinde (31) versehen ist.A combustor shingle of a gas turbine combustor (15) having at least one mounting bolt (25) integrally formed with said combustor shingle (29), said mounting bolt (25) being integrally provided with a bolt disk (30) spaced from said combustor shingle (29) and wherein free end portion of the fastening bolt (25) is provided with a thread (31). Brennkammerschindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem freien Gewinde (31) versehene Endbereich des Befestigungsbolzens (25) einen größeren Durchmesser aufweist, als der Bereich des Befestigungsbolzens (25) zwischen der Brennkammerschindel (29) und der Bolzenscheibe (30).A combustor shingle according to claim 1, characterized in that the end portion of the fastening bolt (25) provided with the free thread (31) has a larger diameter than the portion of the fastening bolt (25) between the combustion chamber shingle (29) and the bolt washer (30). Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenscheibe (30) im Querschnitt eine konische Form aufweist.Combustion chamber shingle according to one of claims 1 or 2, characterized in that the bolt disc (30) has a conical shape in cross section. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenscheibe (30) tellerförmig als Vorspannfeder ausgebildet ist.Combustion chamber shingle according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bolt disc (30) is formed plate-shaped as a biasing spring. Brennkammerschindel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenscheibe (30) radial innen eine größere Dicke aufweist, als am radial äußeren Bereich.Combustion chamber shingle according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bolt disc (30) radially inwardly has a greater thickness than at the radially outer region. Brennkammerwandung einer Gasturbinenbrennkammer (15) mit einer Brennkammerwand (32) und zumindest einer an der Innenseite der Brennkammerwand (32) gelagerten Brennkammerschindel (29) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bolzenscheibe (30) gegen die Brennkammerwand (32) anliegt und der Befestigungsbolzen (25) mittels einer Mutter (33) gegen die Brennkammerwand (32) verschraubt ist.A combustor wall of a gas turbine combustor (15) having a combustor wall (32) and at least one combustor shroud (29) mounted on the inside of the combustor wall (32) according to any one of claims 1 to 5, wherein the bolt washer (30) abuts against the combustor wall (32) and the fastening bolt (25) is screwed by means of a nut (33) against the combustion chamber wall (32). Brennkammerwandung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mutter (33) und der Brennkammerwand (32) eine Unterlegscheiben (34) angeordnet ist.Combustion chamber wall according to claim 6, characterized in that a washer (34) is arranged between the nut (33) and the combustion chamber wall (32). Brennkammerwandung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenscheibe (30) und/oder die Unterlegscheiben (34) mit mindestens einer Kühlluftausnehmung versehen ist.Combustion chamber wall according to claim 6 or 7, characterized in that the bolt disc (30) and / or the washers (34) is provided with at least one Kühlluftausnehmung. Brennkammerwandung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlegscheiben (34) mit einem Ringflansch (35) versehen ist, welcher den Befestigungsbolzen (25) umgreift und sich durch eine Ausnehmung der Brennkammerwandung (32), durch welche der Befestigungsbolzen (25) geführt ist, erstreckt.Combustion chamber wall according to one of claims 6 to 8, characterized in that the washers (34) are provided with an annular flange (35) which surrounds the Fastening pin (25) engages around and extends through a recess of the combustion chamber wall (32) through which the fastening bolt (25) is guided. Brennkammerwandung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Bolzenscheibe (30) im Wesentlichen gleich ist zu dem Außendurchmesser der Unterlegscheiben (34).Combustion chamber wall according to one of claims 6 to 9, characterized in that the outer diameter of the pin washer (30) is substantially equal to the outer diameter of the washers (34). Brennkammerwandung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastpfad zur Befestigung der Brennkammerschindel (29) an der Brennkammerwandung (32) durch den Befestigungsbolzen (25), die Bolzenscheibe (30), die Brennkammerwandung (32), die Unterlegscheiben (34) und die Mutter (33) verläuft.Combustion chamber wall according to one of claims 6 to 10, characterized in that the load path for fastening the combustion chamber shingle (29) to the combustion chamber wall (32) by the fastening bolt (25), the bolt disc (30), the combustion chamber wall (32), the washers ( 34) and the nut (33) runs.
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