EP0648979A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Gasturbinenbrennkammer - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Gasturbinenbrennkammer Download PDF

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EP0648979A1
EP0648979A1 EP94115334A EP94115334A EP0648979A1 EP 0648979 A1 EP0648979 A1 EP 0648979A1 EP 94115334 A EP94115334 A EP 94115334A EP 94115334 A EP94115334 A EP 94115334A EP 0648979 A1 EP0648979 A1 EP 0648979A1
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cooling
combustion chamber
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turbine combustion
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Dr. Rolf Althaus
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General Electric Switzerland GmbH
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a gas turbine combustion chamber cooled by impact and convection cooling or pure convection cooling.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is the object of the invention to provide a method and a device for cooling in a gas turbine combustion chamber cooled by impact and convection cooling or pure convection cooling, with which it is possible to further increase this damage in the cooling duct when minor local damage occurs, for example holes to prevent.
  • this is achieved in a method for cooling the gas turbine combustion chamber in accordance with the preamble of the main claim in that a compensating flow of the cooling air is conducted between the cooling ducts in such a way that the flow velocity in the damaged cooling duct always exceeds a critical limit value after the point of damage and thus falls below a critical limit temperature .
  • this is achieved in a device for cooling the gas turbine combustion chamber in accordance with the preamble of the main claim in that connecting openings are arranged between adjacent cooling channels, the connecting openings being arranged offset on opposite sides of a cooling channel.
  • connection openings are advantageously made on the cooling fins.
  • the connecting openings between the cooling channels are dimensioned such that the product of the average opening width and the length of the cooling channel is between 2 and 8 in relation to the cross-sectional area of the cooling channel. Then the most effective cooling can be achieved.
  • a gas turbine combustion chamber is shown in simplified form in FIG. 1.
  • a convective cooling system is used to cool the combustion chamber wall 1.
  • the entire cooling air flows in cooling channels 2 between the outer wall 3 and the combustion chamber wall 1 before it is supplied to the combustion chamber as combustion air.
  • connection openings 5 between the cooling channels 2 is advantageously carried out according to the design rule 2 ⁇ sL / A ⁇ 8, that is, the product of the average opening width s between two cooling channels 2 and the cooling channel length L, based on the cross-sectional area A of the cooling channel 2, is in the range greater than 2 and less than 8. If the value falls below the lower limit of this interval, a very large hole can lead to overheating of the cooling channel 2 after the hole. Will the top If the value is significantly exceeded, then a very large hole or a longitudinal slot in one or more cooling channels can lead to such a high air loss that the burners overheat the primary zone of the combustion chamber at full load.
  • a local damage site 6 in the form of a small hole can form in the combustion chamber wall 1. Then there is the risk in conventional gas turbine combustion chambers, which are cooled by combined impingement and convection cooling systems or by pure convection cooling systems according to the prior art, that this small damage location 6 leads to major consequential damage because the cooling duct 2 no longer adequately contains cooling air after the hole is supplied.
  • connection openings 5 ensures that air can flow into the damaged cooling channel 2 from at least one adjacent channel at every axial position.
  • the compensating flow takes place on the outer wall 3 of the combustion chamber.
  • cooling film flows are formed on the outer wall 3, which intensely cool the cooling channel 2 and in particular the outer wall 3 in the area of the local damage site 6 (hole) and cool completely. This prevents the hole from growing further.
  • the damaged cooling channel is "self-healing".
  • the invention is particularly important in the case of thin combustion chamber walls with high thermal loads.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bei einer mittels Prall- und Konvektionskühlung oder reiner Konvektionskühlung gekühlten Gasturbinenbrennkammer wird zwischen benachbarten Kühlkanälen (2) eine Ausgleichsströmung der Kühlluft so geführt wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Kühlkanal (2) auch nach einer lokalen Schadensstelle (6) stets einen kritischen Grenzwert überschreitet und dadurch eine kritische Grenztemperatur unterschritten wird. Die Ausgleichsströmung wird an der Brennkammeraussenwand vorbeigeführt. Zwischen den benachbarten Kühlkanälen (2) sind Verbindungsöffnungen (5) jeweils versetzt auf den gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkanals (2) angeordnet. <IMAGE>

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 zunehmenden Masse Kühlmethoden zur Anwendung, die wenig oder gar keine Kühlluft erfordern. Weil NOX-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 Eigenschaft 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 Kanals nach dem Loch oder sogar zu weitergehenden Schäden führen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer mittels Prall- und Konvektionskühlung oder reiner Konvektionskühlung gekühlten Gasturbinenbrennkammer ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung zu schaffen, mit denen es möglich ist, beim Auftreten kleinerer lokaler Schäden, beispielsweise Löcher, im Kühlkanal eine weitere Vergrösserung dieser Schäden zu verhindern.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zur Kühlung der Gasturbinenbrennkammer gemäss Oberbegriff des Hauptanspruchs 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 Hauptanspruchs dadurch erreicht, dass zwischen benachbarten Kühlkanälen Verbindungsöffnungen angeordnet sind, wobei die Verbindungsöffnungen 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 Beschädigungen 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 vollständig kühlen.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Steglängen und die Öffnungslängen 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 wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Kühlluft ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist vereinfacht eine Gasturbinenbrennkammer dargestellt. Zur Kühlung der Brennkammerwand 1 wird ein konvektives Kühlsystem benutzt. Die gesamte Kühlluft strömt in Kühlkanälen 2 zwischen der Aussenwand 3 und der Brennkammerwand 1 entlang, bevor sie als Verbrennungsluft der Brennkammer zugeführt wird. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, befinden sich zwischen den Kühlkanälen 2 Kühlrippen 4, in denen erfindungsgemäss Verbindungsöffnungen 5 vorhanden sind. Diese Verbindungsöffnungen 5 sind jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkanals 2 versetzt angeordnet.
  • Fig. 3 zeigt in einem Teillängsschnitt, dass die Steglänge LB und die Öffnungslänge LO etwa gleich gross sind. Die mittlere Spaltbreite s zwischen zwei benachbarten Kühlkanälen 2 ergibt sich aus der Gleichung
    Figure imgb0001
    mit
    • d
    = Breite der Öffnung
    LO
    = Öffnungslänge
    LB
    = Steglänge.
  • Die Dimensionierung der Verbindungsöffnungen 5 zwischen den Kühlkanälen 2 erfolgt vorteilhaft nach der Auslegungsregel

    2<sL/A<8,
    Figure imgb0002

    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 Überhitzungen 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 überhitzen.
  • 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 Schadensstelle 6 in Form eines kleinen Loches bilden. Dann besteht in üblichen Gasturbinenbrennkammern, welche durch kombinierte Prall- und Konvektionskühlsysteme oder durch reine Konvektionskühlsysteme 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 erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel verhindert, da zwischen den Kühlkanälen 2 durch die Verbindungsöffnungen 5 eine Ausgleichsströmung erzeugt wird, welche dazu führt, dass die Strömungsgeschwindigkeit 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 mindestens einem Nachbarkanal in den beschädigten Kühlkanal 2 einfliessen kann. Die Ausgleichsströmung erfolgt dabei an der Brennkammeraussenwand 3.
  • Im Falle des Vorhandenseins eines Loches in der Brennkammerinnenwand 1 bilden sich an der Aussenwand 3 entlang Kühlfilmströmungen, welche den Kühlkanal 2 und besonders die Aussenwand 3 im Bereich der lokalen Schadensstelle 6 (Loch) intensiv 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 Wärmelasten.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkammerwand
    2
    Kühlkanal
    3
    Aussenwand
    4
    Kühlrippe
    5
    Verbindungsöffnung
    6
    lokale Schadensstelle
    LO
    Öffnungslänge
    LB
    Steglänge
    s
    mittlere Öffnungsbreite
    L
    Kühlkanallänge
    A
    Querschnittsfläche eines Kühlkanals
    d
    Breite der Öffnung

Claims (6)

  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 gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Kühlkanälen (2) eine Ausgleichsströmung der Kühlluft so geführt wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Kühlkanal (2) auch nach einer lokalen Schadensstelle (6) stets einen kritischen Grenzwert überschreitet, und dadurch eine kritische Grenztemperatur unterschritten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsströmung im Kühlkanal (2) an der Brennkammeraussenwand (3) vorbeigeführt wird.
  3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Kühlkanälen (2) Verbindungsöffnungen (5) angeordnet sind, wobei die Verbindungsöffnungen (5) jeweils versetzt auf den gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkanals (2) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steglängen (LO) und die Öffnungslängen (LB)der Verbindungsöffnungen (5) gleich gross sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsöffnungen (5) an den Kühlrippen (4) angebracht sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsöffnungen (5) zwischen den Kühlkanälen (2) so dimensioniert sind, dass das Produkt aus mittlerer Öffnungsbreite (s) und Kühlkanallänge (L) bezogen auf die Querschnittsfläche (A) des Kühlkanals (2) im Bereich grösser 2 und kleiner 8 liegt.
EP94115334A 1993-10-18 1994-09-29 Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Gasturbinenbrennkammer Expired - Lifetime EP0648979B1 (de)

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