EP1384950B1

EP1384950B1 - Ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine

Info

Publication number: EP1384950B1
Application number: EP03405504A
Authority: EP
Inventors: Peter Graf; Stefan Tschirren; Helmar Wunderle
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: US20040154308A1; DE10233805B4; EP1384950A2; DE10233805A1; EP1384950A3; US7350360B2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbinen. Sie betrifft eine ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Brennkammer, wie sie z.B. in der Fig. 3 wiedergegeben ist, ist bei Gasturbinen seit längerem im Einsatz.

STAND DER TECHNIK

In Fig. 3 ist in einer Schnittdarstellung eine ringförmige Brennkammer, eine sogenannte EV-Brennkammer (EV = Environmental), nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Die Brennkammer 26, die Teil einer nicht dargestellten Gasturbine ist und von der nur der oberhalb der Turbinenachse liegende Abschnitt wiedergegeben ist, erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Turbinenachse in Strömungsrichtung (in Fig. 3 von rechts nach links). Auf der Eintrittsseite (rechte Seite in Fig. 3) ist auf einem zur Turbinenachse konzentrischen Kreisring eine Anzahl von Brennern 27 verteilt angeordnet, die im vorliegenden Fall als sogenannte Doppelkegelbrenner gemäss EP 0321809 ausgebildet sind. Dies ist indes keine zwingende Voraussetzung, und es versteht sich von selbst, dass die hier diskutierten Brennkammern auch mit anderen Brennervarianten betrieben werden können. Das aus den Brennern 27 austretende, verwirbelte Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt unter Flammenbildung in der auf die Brenner 27 folgenden Primärzone 30 und die entstehenden heissen Gase treten aus der Brennkammer 26 an einem Brennkammeraustritt 31 aus und in den nachfolgenden Turbinenteil ein, wo sie unter Arbeitsleistung expandieren. Um die Brennkammerwände 29 vor den heissen Gasen zu schützen, sind auf der Innenseite der Brennkammerwände 29 spezielle Auskleidungssegmente ("liner segments") 28 angeordnet und befestigt. Die Auskleidungssegmente 28 sind in axialer Richtung durchgehend ausgebildet und daher so lang wie der Innenraum der Brennkammer 26. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Teile und die Länge der undichten Spalte minimal ist.
Nachteilig ist bei der bekannten Konfiguration der Auskleidungssegmente jedoch, dass die Segmente vergleichsweise lang sind. Dies schafft hinsichtlich der Herstellbarkeit und der mechanischen Integrität Probleme. Diese Probleme werden noch grösser und möglicherweise nicht lösbar, wenn für sehr grosse Gasturbinen entsprechend grosse Brennkammern mit sehr langen Auskleidungssegmenten benötigt werden.
Darüber hinaus ist es aber auf dem Gebiet der Technologie der Gasturbinen an sich bekannt, Brennkammern mit einer Vielzahl von kleineren Auskleidungssegmenten auszurüsten. Jedoch je geringer diese Segmente dimensioniert sind, desto deutlicher tritt das Problem der zuverlässigen Abdichtung der vorhandenen Spalte zutage, was wiederum durch andere aufwändige Massnahmen ausgeglichen werden muss. Eine mangelhafte Wärmeisolation, beispielsweise infolge eindringender Heissgase, beeinträchtigt die Funktion der Gasturbine erheblich und hat nicht zuletzt negative Auswirkungen auf deren Lebensdauer.
US 5363643 beschäftigt sich mit dem Problem des Einsatzes von Auskleidungssegmenten auf Basis keramischer Werkstoffe in der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks. Die hohe Wärmebeständigkeit dieser Werkstoffe legt deren Einsatz nahe. Allerdings resultieren aus deren Wärmeausdehnungsverhalten, das deutlich von demjenigen der metallischen Tragstruktur abweicht, die vorgenannten erheblichen Risiken beim Betrieb des Triebwerks. Durch Anordnung einer Vielzahl rechteckiger Auskleidungssegmente mit speziellen Strukturmerkmalen soll diesen Nachteilen begegnet werden.
Bei der Lösung gemäss EP 1363075 sind die zahlreichen, im Wesentlichen zumindest annähernd rechteckigen Auskleidungssegmente mit Filmkühlbohrungen ausgestattet.
US 4446693 beschreibt ebenfalls Merkmale der Wandstruktur der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks, die sich hier aber durch Anordnung einer Vielzahl sich überlappender Auskleidungssegmente mit Austrittsspalten für Kühlluft in dem Überlappungsbereich auszeichnet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer zu schaffen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Brennkammern vermeidet und sich durch eine Vereinfachung der Herstellung und Montage sowie eine verbesserte mechanische Stabilität auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art die Auskleidungssegmente in axialer Richtung in mehrere hintereinander angeordnete Teile unterteilt sind, und an Segmentträgern befestigt sind, die ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile unterteilt sind.
Durch die Unterteilung der Auskleidungssegmente werden die einzelnen Teilelemente kleiner, wodurch sich ihre Herstellung vereinfacht und die mechanische Stabilität erhöht, und indem die Segmentträger, an denen die Auskleidungssegmente befestigt sind, ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile unterteilt sind, vereinfacht sich gleichzeitig die Montage der Segmente.
Es hat sich dabei als besonders günstig herausgestellt, wenn die Auskleidungssegmente gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in zwei Teile unterteilt sind, wenn die Auskleidungssegmente dort unterteilt sind, wo die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Gase niedrig ist, oder wenn die Auskleidungssegmente derart unterteilt sind, dass die Längen der einzelnen Segmentteile in axialer Richtung in etwa gleich sind.
Bevorzugt sind die Auskleidungssegmente konvektionsgekühlt.
Dabei können die unterteilten Auskleidungssegmente separat konvektionsgekühlt sein, wobei das durch die stromabwärts gelegenen Teile der Auskleidungssegmente strömende Kühlmedium in den Heissgasstrom der Brennkammer ausgelassen wird.
Es ist aber auch denkbar, dass zwischen den unterteilten Auskleidungssegmenten Verbindungskanäle vorgesehen sind, durch welche das konvektiv kühlende Kühlmedium vom einen Teil der Auskleidungssegmente in den anderen Teil der Auskleidungssegmente strömt.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: einen Schnitt durch eine in einer Gasturbine angeordnete Brennkammer mit in axialer Richtung unterteilten Auskleidungssegmenten gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2: einen vergrösserten Ausschnitt aus der Darstellung der Fig. 1; und
Fig. 3: einen Schnitt durch eine ringförmige Brennkammer nach dem Stand der Technik.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine in einer Gasturbine angeordnete Brennkammer mit in axialer Richtung unterteilten Auskleidungssegmenten gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Gasturbine 10, von der nur ein oberhalb der Turbinenachse liegender Teil dargestellt ist, weist ein äusseres Turbinengehäuse 11 auf, welches ein mit komprimierter Luft gefülltes Plenum 12 umgibt, in dem die eigentliche ringförmige Brennkammer 13 angeordnet ist. Der Strömungsverlauf erfolgt in Fig. 1 von rechts nach links. Durch die in einem Kopfraum der Brennkammer 13 angeordneten Brenner 14, 15, die in zwei Reihen übereinander liegen, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in die Primärzone 32 der Brennkammer 13 eingeblasen und verbrennt dort unter Bildung von Flammen. Die entstehenden heissen Gase treten durch den Brennkammeraustritt 33 aus der Brennkammer 13 aus und in die nachfolgende Turbine ein. Die Brennkammer 13 wird durch mehrere Segmentträger 18,..,21 vom umgebenden Plenum 12 abgetrennt. An den Innenwänden der Segmentträger 18,..,21 sind in axialer Richtung hintereinander erste und zweite Auskleidungssegmente 16 und 17 befestigt, wobei jeweils innere (in Fig. 1 untere) und äussere (in Fig. 1 obere) Auskleidungssegmente vorgesehen sind. Die geteilten Auskleidungssegmente 16, 17 haben in etwa die gleiche (axiale) Länge und sind dort getrennt, wo auch die zugehörigen Segmentträger 19, 20 und 18, 21 aneinanderstossen. Die Stelle, an der die geteilten Auskleidungssegmente 16, 17 aneinanderstossen (Zwischenraum 24 in Fig. 2), liegt dort, wo die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Gase niedrig ist. Die geteilten Auskleidungssegmente 16, 17 sind in der gleichen Weise konvektionsgekühlt, wie dies bereits bei den ungeteilten Auskleidungssegmente der Fall ist.
Durch die Teilung der Segmentträger 18,..,21 wird erreicht, dass der Zusammenbau vereinfacht wird. Dies gilt insbesondere für die innere (untere) Auskleidung. Wenn die innere Auskleidung aus zwei Teilen zusammengebaut wird, kann der Trennungsspalt über die gesamte Länge verschraubt werden. Die Trennungslinie der Segmentträger 18, 21 für die zweiten Auskleidungssegmente 17 ist dabei für Schraubbolzen zugänglich, so dass ein Keil nicht länger benötigt wird.
Durch die erfindungsgemässe Aufteilung der Auskleidungssegmente und der Segmentträger wird es möglich, grössere Brennkammern zu verwirklichen, ohne dass entsprechend grosse Segmente konstruiert werden müssen. Auf diese Weise kann man auf bereits bewährte Segmentgrössen zurückgreifen. Die Erfindung ermöglicht es auch, in unterschiedlichen Gasturbinen dieselben Brenner 14, 15 und ersten Auskleidungssegmente 16 zu verwenden. Angepasst an unterschiedliche Turbineneinlassgeometrien wird dann nur der Brennkammeraustritt 33 mit den zweiten Auskleidungssegmenten 17 und deren Segmentträgern 18, 21.
Die Konfiguration der Auskleidungssegmente 16, 17 ist so wie bei den EV- und SEV-Brennkammern der bekannten Gasturbinen der Anmelderin vom Typ GT24B und GT26B (siehe dazu den Artikel von D. K. Mukherjee "State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 2/1997, S. 4-14 (1997)). Eine Besonderheit ist das Vorsehen von Verbindungskanälen 22, 23 (Fig. 1 und Fig. 2) zwischen den zweiten Auskleidungssegmenten 17 und den ersten Auskleidungssegmenten 16. Durch diese Verbindungskanäle 22, 23 kann die für die konvektive Kühlung der Auskleidungssegmente 16, 17 verwendete Kühlluft von den zweiten Auskleidungssegmenten 17 in die ersten Auskleidungssegmente 16 strömen und dort zur Kühlung beitragen. Das Kühlsystem der zweiten Auskleidungssegmente 17 wird nur mit einem Teil des gesamten Kühlmassenstromes betrieben, um die Strömungsgeschwindigkeiten zur Vermeidung von Druckabfällen in den Verbindungskanälen 22, 23 klein zu halten. Für die Kühlung der ersten Auskleidungssegmente 16 wird ein zusätzlichert Teilstrom 25 benötigt (Fig. 2). Der Uebergangsbereich zwischen den inneren zweiten und ersten Auskleidungssegmenten 17 und 16 ist in Fig. 2 vergrössert dargestellt.
Es ist aber auch denkbar, auf die Verbindungskanäle 22, 23 zu verzichten und die Kühlungssysteme der ersten und zweiten Auskleidungssegmente 16, 17 getrennt auszubilden. Die Kühlluft aus den zweiten Auskleidungssegmenten 17 wird dann in den Heissgasstrom ausgelassen. Die zweiten Auskleidungssegmente 17 sind dabei deutlich kürzer und sind für einen minimalen Kühlluftverbrauch optimiert. Der Vorteil der getrennten Kühlung liegt darin, dass auf die herstellungstechnisch aufwendigen Verbindungskanäle 22, 23 verzichtet werden kann, und dass Luft zur Beeinflussung der Heissgas-Temperaturverteilung und zur Kühlung des Spaltes zwischen Brennkammer und Turbine zur Verfügung steht. Erkauft wird dieser Vorteil durch einen reduzierten Luftmassenfluss im Brenner und eine geringe Höhe der Kühlkanäle in den zweiten Auskleidungssegmenten 17.

BEZUGSZEICHENLISTE

10: Gasturbine
11: äusseres Turbinengehäuse
12: Plenum
13,26: Brennkammer (ringförmig)
14,15,27: Brenner
16,17: Auskleidungssegment
18,..,21: Segmentträger
22,23: Verbindungskanal
24: Zwischenraum
25: Teilstrom
28: Auskleidungssegment
29: Brennkammerwand
30,32: Primärzone
31,33: Brennkammeraustritt

Claims

Ringförmige Brennkammer (13) für eine Gasturbine (10), in welche Brennkammer (13) auf einer Eintrittsseite Brenner (14, 15) münden, und welche Brennkammer (13) sich in axialer Richtung von der Eintrittsseite zu einer Austrittsseite (33) erstreckt und auf den Innenseiten zum Schutz vor den heissen Gasen mit gekühlten Auskleidungssegmenten (16, 17) ausgekleidet ist, und diese Auskleidungssegmente (16, 17) in axialer Richtung in mehrere hintereinander angeordnete Teile (16, 17) unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) an Segmentträgern (18,..,21) befestigt sind, und diese Segmentträger (18,..,21) ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile (18,..,21) unterteilt sind.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) in zwei Teile (16, 17) unterteilt sind.
Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) dort unterteilt sind, wo die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Gase niedrig ist.
Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) derart unterteilt sind, dass die Längen der einzelnen Segmentteile (16, 17) in axialer Richtung in etwa gleich sind.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) konvektionsgekühlt sind.
Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unterteilten Auskleidungssegmente (16, 17) separat konvektionsgekühlt sind.
Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die stromabwärts gelegenen Teile (17) der Auskleidungssegmente strömende Kühlmedium in den Heissgasstrom der Brennkammer (13) ausgelassen wird.
Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den unterteilten Auskleidungssegmenten (16, 17) Verbindungskanäle (22, 23) vorgesehen sind, durch welche das konvektiv kühlende Kühlmedium vom einen Teil (17) der Auskleidungssegmente in den anderen Teil (16) der Auskleidungssegmente strömt.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärts gelegenen Teile (17) der Auskleidungssegmente nur von einem Teil des insgesamt für die Kühlung der Auskleidungssegmente vorgesehenen Massenstromes gekühlt werden.