DE102013222932A1

DE102013222932A1 - Gasturbinenbrennkammer mit Schindel zur Durchführung einer Zündkerze

Info

Publication number: DE102013222932A1
Application number: DE102013222932.1A
Authority: DE
Inventors: Miklós Gerendás
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-28
Also published as: US20150135719A1; EP2871419A1; EP2871419B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennkammerwand 6, an welcher Schindeln 7 angeordnet sind, sowie mit einer sich durch die Brennkammerwand 6 und eine Schindel 7 erstreckenden Ausnehmung 18 zur Durchführung einer Zündkerze, wobei die Schindel 7 mit einem die Ausnehmung 18 umgebenden, sich von der einem Brennkammerinnenraum 19 abgewandten Seite der Schindel 7 aus erstreckenden rohrförmigen Ansatz 15 versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer und insbesondere auf eine Gasturbinenbrennkammerschindel, welche zur Durchführung einer Zündkerze ausgebildet ist. Die Brennkammern von Gasturbinen, insbesondere von Fluggasturbinen weisen üblicherweise eine Brennkammerwand auf, welche eine Tragstruktur für Schindeln bildet. Die Schindeln sind an der Innenseite der Brennkammerwand angeordnet, um diese gegenüber dem Heißgas abzuschirmen und die Tragstruktur thermisch zu isolieren. Üblicherweise ist zwischen den Schindeln und der Tragstruktur ein Zwischenraum ausgebildet, durch welchen Kühlluft durchgeleitet wird.
Derartige beschindelte Brennkammern sind beispielsweise aus der EP 0 576 435 A1 , der EP 0 741 268 A1 oder der EP 1 710 501 A2 bekannt. Durch die Verwendung der beschriebenen Schindeln, welche mittels Prallkühlung gekühlt werden und mit Effusionskühllöchern versehen sind, wird die Trag- und Dichtstruktur der Brennkammerwand vor der intensiven Wärmestrahlung der Flamme geschützt. Die Trag- und Dichtstruktur bleibt dadurch auf einer niedrigeren Temperatur und behält ihre mechanische Festigkeit.
Zur Zündung von Brennkammern ist es erforderlich, zumindest eine Zündkerze durch die Brennkammerwand bzw. Tragstruktur sowie durch die Schindel durchzuführen, um den Brennraum der Brennkammer zu erreichen. Da die Zündkerze an einer Stelle im Gehäuse der Gasturbine befestigt ist, während die Brennkammer an einer anderen Stelle des Gehäuses gelagert ist, entstehen Relativbewegungen. Weiterhin ist es erforderlich, Bauteiltoleranzen durch die Beweglichkeit der Zündkerze in der Brennkammer auszugleichen, ohne dass eine Last auf die Zündkerze übertragen wird. Zusätzlich erhitzt sich die Brennkammer im Betrieb schneller und auf höhere Temperaturen, wodurch unterschiedliche Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden müssen. Im Bereich der Zündkerzenbohrung erfolgt der Ausgleich von Bauteiltoleranzen und Wärmedehnungen durch eine Vergrößerung der Zündkerzenbohrung in der Brennkammer, sodass die Zündkerzenbohrung einen größeren Durchmesser aufweist, als die Zündkerze. Hierdurch entsteht ein Spalt, welcher durch eine Dichtung verschlossen werden muss.
Aus der US 7 093 441 B2 ist eine beschindelte Brennkammer vorbekannt, welche einen sogenannten Zündkerzenturm aufweist, durch welchen die Zündkerze abgedichtet geführt werden kann. Ein derartiger zusätzlicher Zündkerzenturm bringt zusätzliches Gewicht. Weiterhin sind zusätzliche Kosten für dessen Herstellung zu kalkulieren. Zusätzlich erzwingt der Zündkerzenturm einen Mindestabstand zwischen der Brennkammerwand und dem Gehäuse der Gasturbine. Hierdurch ergibt sich insbesondere bei kleineren Triebwerken ein größerer notwendiger Durchmesser des Druckgehäuses, wodurch die Kosten und das Gewicht erheblich erhöht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Schindel zur Durchführung einer Zündkerze sowie eine Gasturbinenbrennkammerschindel zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine sichere und einfache Anordnung einer Zündkerze ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung sieht somit vor, die Schindel mit einer Ausnehmung zur Durchführung einer Zündkerze zu versehen. Dabei ist ein rohrförmiger, kragenartiger Ansatz an der Schindel ausgebildet, welcher die Ausnehmung zur Durchführung der Zündkerze umschließt und sich von der dem Brennkammerinnenraum abgewandten Seite der Schindel aus erstreckt. Der rohrförmige Ansatz ist somit erfindungsgemäß so dimensioniert, dass er sich von der Schindel aus durch die Brennkammerwand (Tragstruktur) hindurch auf die Kaltseite der Brennkammerwand erstreckt. Der rohrförmige Ansatz ist dabei insbesondere so ausgebildet und dimensioniert, dass er mit einer engen Passung durch die in der Brennkammerwand oder Tragstruktur ausgebildete Ausnehmung geführt ist.
Erfindungsgemäß ist somit kein separates Bauteil erforderlich, vielmehr wird die Schindel selbst in geeigneter Weise ausgebildet, um die Ausnehmung zur Durchführung der Zündkerze so auszubilden, dass die Zündkerze betriebssicher und einfach durchgeführt und gehalten werden kann.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Schindel ist, wie erwähnt, einstückig mit dem rohrförmigen Ansatz ausgebildet. Dabei kann die Schindel als Gussteil gefertigt werden oder mittels eines Laserauftragsschweißverfahrens (DLD) hergestellt werden.
In besonders günstiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der rohrförmige Ansatz an seinem freien Endbereich, welcher durch die Brennkammerwand über die Kaltseite der Brennkammerwand hinausragt, mit einer Zündkerzendichtung versehen ist. Die Dichtung kann dabei insbesondere so ausgebildet werden, dass sie die Brennkammerwand (Tragstruktur) nicht berührt, um in diesem Bereich keinen Wärmeübergang zu schaffen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der rohrförmige Ansatz oder Kragen mit einer ringförmigen Anlagefläche oder einer Stufe versehen ist, um den ringförmigen Ansatz gegen die Heißseite der Brennkammerwand (Tragstruktur) anzulegen. Hierdurch ergibt sich zum einen eine Abdichtung des zwischen der Brennkammerwand und der Schindel ausgebildeten Kühlluft-Zwischenraums. Zum anderen erfolgt hierdurch eine zusätzliche Abstützung und Lagerung der Schindel.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der rohrförmige Ansatz mit zumindest einer Kühlluftausnehmung versehen ist, durch welche Kühlluft zur innenliegenden Wandung des rohrförmigen Ansatzes und somit zur Zündkerze zugeführt werden kann, um diese zu kühlen.
Die erfindungsgemäße Lösung weist somit den Vorteil auf, dass eine sichere Montage und Anordnung der Zündkerze ohne einen Zündkerzenturm möglich ist. Da die Schindel aus einem verschleißfesteren Material als die Brennkammerwand besteht, ist eine betriebssichere Lagerung und Positionierung der Zündkerze gewährleistet. Weiterhin kann erfindungsgemäß zur weiteren Verminderung von Bauteiltoleranzen das Zündkerzenloch (Ausnehmung des rohrförmigen Ansatzes) durch Positionierung relativ zur Halterung der Brennkammer in einem späteren Fertigungsschritt besonders präzise eingebracht werden. Um den Zusammenbau zu erleichtern, kann die oben erwähnte Zündkerzendichtung zusätzlich am Halter der Zündkerze befestigt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine vereinfachte Schnittansicht einer Brennkammer gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Detail-Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Brennkammerschindel mit rohrförmigem Ansatz, und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung der 2.
Die 1 zeigt in schematischer Schnittansicht eine Gasturbinenbrennkammer 1, so wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Brennkammer 1 weist ein Hitzeschild 2 sowie einen Brennkammerkopf 3 und eine Brennerdichtung 4 auf. An einer kühlluftseitigen Brennkammerwand 6 sind mit einem Abstand zur Brennkammerwand 6 mehrere Schindeln 7 befestigt.
Weiterhin weisen die Brennkammerwand 6 und die Schindeln 7 Zumischlöcher 5 zur Zuführung von Luft auf. Die Befestigung der Schindeln 7 erfolgt über Bolzen 13 und Muttern 14, während die Brennkammerwand 6 mittels einer Brennkammeraufhängung 11 und einem Brennkammerflansch 12 gehaltert ist.
Auf die Darstellung einer Zündkerze wurde der Übersichtlichkeit halber in 1 verzichtet. Hierzu wird auf die US 7 093 441 B2 verwiesen.
Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Brennkammerschindel 7. Diese weist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Effusionskühllöcher 9 auf und wird mittels Kühlluft, welche durch Prallkühllöcher 8 der Brennkammerwand 6 zugeführt wird, gekühlt.
Erfindungsgemäß ist die Schindel 7 mit einem rohrförmigen Ansatz 15 versehen, welcher sich in Richtung der Brennkammerwand 6 erstreckt und durch eine Ausnehmung 23 der Brennkammerwand 6 durchgeführt ist. Der rohrförmige Ansatz 15 ist einstückig mit der Schindel 7 ausgebildet, beispielsweise mittels eines Gussverfahrens.
Um einen vorgegebenen Abstand der Schindel 7 von der Brennkammerwand 6 sicherzustellen und um die Schindel 7 an der Brennkammerwand 6 zu positionieren, weist der rohrförmige Ansatz 15 einen Verbindungssteg 10 auf, welcher eine ringförmige Anlagefläche 20 bildet, gegen welche die Brennkammerwand 6 anliegt. Der ringförmige Ansatz 15 ist mit einer zentrischen Ausnehmung 18 versehen, welche ein Durchgangsloch für eine Zündkerze bildet.
Die 2 zeigt weiterhin eine Zündkerzendichtung 16, welche, da der rohrförmige Ansatz 15 die Brennkammerwand 6 durchragt, einen Abstand zur Brennkammerwand 6 aufweist.
Der rohrförmige Ansatz 15 ist weiterhin mit mehreren Kühlluftausnehmungen 17 versehen, durch welche Kühlluft in die Ausnehmung 18 eingeleitet werden kann, um die Zündkerze zu kühlen.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Auf eine nochmalige Beschreibung kann deshalb verzichtet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Schindel 7 einstückig mit einem Bereich der Brennkammerwand 6 ausgebildet und mittels eines DLD-Verfahrens hergestellt. Der an der Schindel 7 ausgebildete Bereich der Brennkammerwand 6 ist mit geeigneten Mitteln mit der restlichen Brennkammerwand verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Hitzeschild
3: Brennkammerkopf
4: Brennerdichtung
5: Zumischloch
6: kühlluftseitige Brennkammerwand
7: Schindel
8: Prallkühlloch
9: Effusionskühlloch
10: Verbindungssteg
11: Brennkammeraufhängung
12: Brennkammerflansch
13: Bolzen
14: Mutter
15: rohrförmiger Ansatz
16: Zündkerzendichtung
17: Kühlluftausnehmung
18: Ausnehmung
19: Brennkammerinnenraum
20: ringförmige Anlagefläche
21: Brennkammermittelachse
22: Mittelachse
23: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0576435 A1 [0002]
EP 0741268 A1 [0002]
EP 1710501 A2 [0002]
US 7093441 B2 [0004, 0020]

Claims

Gasturbinenbrennkammerschindel mit einer Ausnehmung (18) zur Durchführung einer Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (7) mit einem die Ausnehmung (18) umgebenden, sich von der einem Brennkammerinnenraum (19) abgewandten Seite der Schindel (7) aus erstreckenden rohrförmigen Ansatz (15) versehen ist.
Schindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (15) einstückig mit der Schindel (7) ausgebildet ist.
Schindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (15) an seinem freien Endbereich mit einer Zündkerzendichtung (16) versehen ist.
Schindel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (15) an seinem Außenumfang mit einer ringförmigen Anlagefläche (20) versehen ist.
Schindel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (15) mit zumindest einer sich durch die Wandung des Ansatzes (15) erstreckenden Kühlluftausnehmung (17) versehen ist.
Schindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (7) mit dem Ansatz (15) als Gussteil ausgebildet ist.
Schindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (7) mit dem Ansatz (15) mittels eines Laserauftragsschweißverfahrens hergestellt ist.
Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennkammerwand (6), an welcher Schindeln (7) angeordnet sind, sowie mit einer sich durch die Brennkammerwand (6) und eine Schindel (7) erstreckenden Ausnehmung (18) zur Durchführung einer Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.