DE4335413A1

DE4335413A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE4335413A1
Application number: DE4335413A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Jakob Dr Keller; Burkhard Dr Schulte-Werning
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1995-04-20
Also published as: EP0648979B1; US5615546A; US5651253A; EP0648979A1; JPH07167436A; DE59408840D1; JP3863576B2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer mittels Prall- und Konvektionskühlung oder reiner Konvektionskühlung gekühlten Gasturbinenbrennkammer.

Stand der Technik

Bei modernen Gasturbinenbrennkammern gelangen in zunehmendem Maße Kühlmethoden zur Anwendung, die wenig oder gar keine Kühlluft erfordern. Weil NO_x-Emissionen möglichst vermieden werden sollen, ist man bestrebt, so viel Luft wie möglich durch die Brenner zu leiten. Aus diesem Grunde werden immer häufiger Kombinationen aus Prall- und Konvektionskühlsystemen oder reine Konvektionskühlsysteme eingesetzt. Solche Systeme können bei ungünstiger Auslegung die problematische Eigen schaft haben, daß kleine Primärschäden, z. B. ein kleines Loch in der Brennkammerwand, zu sehr großen Folgeschäden führen können, die den Betrieb einer Gasturbine gefährden. So kann ein Loch in einem Kühlkanal beispielsweise dazu führen, daß der Kühlkanal nach dem Loch nicht ausreichend mit Luft versorgt wird. Dies kann zu Beschädigungen des gesamten Ka nals nach dem Loch oder sogar zu weitergehenden Schäden füh ren.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer mittels Prall- und Kon vektionskühlung oder reiner Konvektionskühlung gekühlten Gas turbinenbrennkammer ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung zu schaffen, mit denen es möglich ist, beim Auftreten kleinerer lokaler Schäden, beispielsweise Löcher, im Kühlka nal eine weitere Vergrößerung dieser Schäden zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Kühlung der Gasturbinenbrennkammer gemäß Oberbegriff des Hauptan spruchs dadurch erreicht, daß zwischen den Kühlkanälen eine Ausgleichsströmung der Kühlluft so geführt wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit im beschädigten Kühlkanal nach der Schadensstelle stets einen kritischen Grenzwert überschreitet und dadurch eine kritische Grenztemperatur unterschritten wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung zur Kühlung der Gasturbinenbrennkammer gemäß Oberbegriff des Hauptan spruchs dadurch erreicht, daß zwischen benachbarten Kühlka nälen Verbindungsöffnungen angeordnet sind, wobei die Verbin dungsöffnungen auf gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkanals versetzt angeordnet sind.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß eine Kettenreaktion beim Auftreten von lokalen Beschädi gungen im Kühlkanal vermieden wird und eine "Selbstheilung" des beschädigten Kühlkanals erfolgt.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Ausgleichsströmung an der Brennkammeraußenwand entlanggeführt wird, weil sich dann Kühlfilmströmungen an der Außenwand bilden, welche die Außenwand im Bereich der Schadensstelle intensiv und vollstän dig kühlen.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Steglängen und die Öff nungslängen der Verbindungsöffnungen gleich groß sind, weil dadurch günstige Kühlverhältnisse erreicht werden.

Schließlich werden mit Vorteil die Verbindungsöffnungen an den Kühlrippen angebracht.

Es ist zweckmäßig, wenn die Verbindungsöffnungen zwischen den Kühlkanälen so dimensioniert sind, daß das Produkt aus mittlerer Öffnungsbreite und Kühlkanallänge bezogen auf die Querschnittsfläche des Kühlkanals im Bereich zwischen 2 und 8 liegt. Dann kann die wirkungsvollste Kühlung erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer dichten Gasturbinenbrennkammer dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Gasturbinenbrennkammer;

Fig. 2 einen Teil der Kühlkanäle der Brennkammer;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Kühlkanal.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Kühlluft ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles und der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

In Fig. 1 ist vereinfacht eine Gasturbinenbrennkammer darge stellt. Zur Kühlung der Brennkammerwand 1 wird ein konvekti ves Kühlsystem benutzt. Die gesamte Kühlluft strömt in Kühl kanälen 2 zwischen der Außenwand 3 und der Brennkammerwand 1 entlang, bevor sie als Verbrennungsluft der Brennkammer zuge führt wird. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, befinden sich zwischen den Kühlkanälen 2 Kühlrippen 4, in denen erfindungs gemäß Verbindungsöffnungen 5 vorhanden sind. Diese Verbin dungsöffnungen 5 sind jeweils auf den gegenüberliegenden Sei ten eines Kühlkanals 2 versetzt angeordnet.

Fig. 3 zeigt in einem Teillängsschnitt, daß die Steglänge L_B und die Öffnungslänge L_O etwa gleich groß sind. Die mittlere Spaltbreite s zwischen zwei benachbarten Kühlkanälen 2 ergibt sich aus der Gleichung

mit d = Breite der Öffnung
L_O = Öffnungslänge
L_B = Steglänge.

Die Dimensionierung der Verbindungsöffnungen 5 zwischen den Kühlkanälen 2 erfolgt vorteilhaft nach der Auslegungsregel

2<sL/A<8,

d. h. daß das Produkt aus mittlerer Öffnungsbreite s zwischen zwei Kühlkanälen 2 und der Kühlkanallänge L bezogen auf die Querschnittsfläche A des Kühlkanals 2 im Bereich größer 2 und kleiner 8 liegt. Wird die untere Grenze dieses Intervalls unterschritten, dann kann ein sehr großes Loch zu Überhit zungen des Kühlkanals 2 nach dem Loch führen. Wird der obere Wert deutlich überschritten, dann kann ein sehr großes Loch oder ein Längsschlitz in einem oder mehreren Kühlkanälen zu einem derart hohen Luftverlust führen, daß die Brenner im Vollastbestrieb die Primärzone der Brennkammer lokal überhit zen.

Im Laufe des Betriebes der Gasturbinenbrennkammer kann in den Kühlkanälen eine lokale Schädigung des Materials auftreten, z. B. kann sich in der Brennkammerwand 1 eine lokale Schadens stelle 6 in Form eines kleinen Loches bilden. Dann besteht in üblichen Gasturbinenbrennkammern, welche durch kombinierte Prall- und Konvektionskühlsysteme oder durch reine Konvek tionskühlsysteme entsprechend dem Stand der Technik gekühlt werden, die Gefahr, daß diese kleine Schadensstelle 6 zu großen Folgeschäden führt, weil der Kühlkanal 2 nach dem Loch nicht mehr ausreichend mit Kühlluft versorgt wird.

Diese Kettenreaktion wird aber im vorliegenden erfindungsge mäßen Ausführungsbeispiel verhindert, da zwischen den Kühl kanälen 2 durch die Verbindungsöffnungen 5 eine Ausgleichs strömung erzeugt wird, welche dazu führt, daß die Strömungs geschwindigkeit der Kühlluft in dem beschädigten Kühlkanal 2 auch nach der lokalen Schadensstelle 6 einen kritischen Grenzwert nie unterschreitet, so daß ein Überschreiten einer kritischen Grenztemperatur verhindert wird.

Durch die versetzte Anordnung der Verbindungsöffnungen 5 wird gewährleistet, daß an jeder axialen Position Luft aus minde stens einem Nachbarkanal in den beschädigten Kühlkanal 2 ein fließen kann. Die Ausgleichsströmung erfolgt dabei an der Brennkammeraußenwand 3.

Im Falle des Vorhandenseins eines Loches in der Brennkammer innenwand 1 bilden sich an der Außenwand 3 entlang Kühlfilm strömungen, welche den Kühlkanal 2 und besonders die Außen wand 3 im Bereich der lokalen Schadensstelle 6 (Loch) inten siv und vollständig kühlen. Damit kann ein weiteres Anwachsen des Loches vermieden werden. Es erfolgt eine "Selbstheilung" des beschädigten Kühlkanals. Die Erfindung hat besonders große Bedeutung bei dünnen Brennkammerwänden mit hohen Wär melasten.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammerwand
2 Kühlkanal
3 Außenwand
4 Kühlrippe
5 Verbindungsöffnung
6 lokale Schadensstelle
L_O Öffnungslänge
L_B Steglänge
s mittlere Öffnungsbreite
L Kühlkanallänge
A Querschnittsfläche eines Kühlkanals
d Breite der Öffnung

Claims

1. Verfahren zur Kühlung einer Gasturbinenbrennkammer, bei welchem die Kühlluft in Kühlkanälen (2) geführt wird, welche durch Kühlrippen (4) voneinander getrennt sind, und wobei die Gasturbinenbrennkammer mittels Prall- und Konvektionskühlung oder reiner Konvektionskühlung ge kühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen be nachbarten Kühlkanälen (2) eine Ausgleichsströmung der Kühlluft so geführt wird, daß die Strömungsgeschwindig keit im Kühlkanal (2) auch nach einer lokalen Schadens stelle (6) stets einen kritischen Grenzwert überschrei tet, und dadurch eine kritische Grenztemperatur unter schritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsströmung im Kühlkanal (2) an der Brennkam meraußenwand (3) vorbeigeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benach barten Kühlkanälen (2) Verbindungsöffnungen (5) angeord net sind, wobei die Verbindungsöffnungen (5) jeweils versetzt auf den gegenüberliegenden Seiten eines Kühlka nals (2) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steglängen (L_O) und die Öffnungslängen (L_B) der Verbindungsöffnungen (5) gleich groß sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die Verbindungsöffnungen (5) an den Kühlrippen (4) angebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen (5) zwischen den Kühlkanälen (2) so dimensioniert sind, daß das Pro dukt aus mittlerer Öffnungsbreite (s) und Kühlkanallänge (L) bezogen auf die Querschnittsfläche (A) des Kühlka nals (2) im Bereich größer 2 und kleiner 8 liegt.