EP1482246A1 - Combustion chamber - Google Patents

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Publication number
EP1482246A1
EP1482246A1 EP03012441A EP03012441A EP1482246A1 EP 1482246 A1 EP1482246 A1 EP 1482246A1 EP 03012441 A EP03012441 A EP 03012441A EP 03012441 A EP03012441 A EP 03012441A EP 1482246 A1 EP1482246 A1 EP 1482246A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
flow
heat shield
wall
coolant
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Withdrawn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
EP03012441A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Dr. Huth
Peter Tiemann
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP03012441A priority Critical patent/EP1482246A1/en
Priority to EP04729621.5A priority patent/EP1636526B1/en
Priority to US10/558,893 priority patent/US8245513B2/en
Priority to PCT/EP2004/004442 priority patent/WO2004106809A1/en
Publication of EP1482246A1 publication Critical patent/EP1482246A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F23R3/005—Combined with pressure or heat exchangers

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber for a gas turbine, whose combustion chamber wall on the inside with one of a Number of liners formed by heat shield elements is provided, wherein the or each heat shield element one forms an interior with a coolant.
  • the invention further relates to a gas turbine with such Combustion chamber.
  • Combustion chambers are part of gas turbines, which in many Areas for driving generators or work machines be used.
  • the energy content becomes one Fuel for generating a rotational movement of a turbine shaft used.
  • the fuel is used by burners in the combustion chambers connected to them burned, whereby from compressed air is supplied to an air compressor. By the combustion of the fuel becomes one under high pressure standing working medium with a high temperature. This working medium is downstream of the combustion chambers Turbine unit guided where it is working relaxed.
  • a separate combustion chamber can be assigned to each burner be, the working medium flowing out of the combustion chambers be brought together before or in the turbine unit can.
  • the combustion chamber can also be used in such a way mentioned annular combustion chamber design, in which a plurality, especially all, of the burners in a common, usually annular combustion chamber open.
  • An increase in efficiency can basically be used for thermodynamic reasons by increasing the outlet temperature, with which the working medium from the combustion chamber and into the Turbine unit flows. Therefore temperatures of around Desired 1200 ° C to 1500 ° C for such gas turbines and also achieved.
  • the combustion chamber wall is usually on the inside lined with heat shield elements that with special heat-resistant protective layers can be provided, and cooled through the actual combustion chamber wall become.
  • a "baffle cooling" designated cooling process used In the Impact cooling becomes a coolant, usually cooling air, through a variety of holes in the combustion chamber wall Heat shield elements fed so that the coolant essentially perpendicular to their facing the combustion chamber wall the cooling surface formed on the cold side bounces. That through the cooling process heated coolants, e.g. Cooling air, will then from the interior that the combustion chamber wall with forms the heat shield elements, dissipated.
  • Another Cooling process in which a longitudinal backflow of the heat shield elements along a wall facing the combustion chamber The cooling surface is used, the so-called convective Cooling.
  • the invention has for its object a combustion chamber of the type mentioned above, which at comparative simple design for a particularly high system efficiency is suitable and at the same time that with high Areas subject to high temperatures can be effectively cooled.
  • Farther is said to be a gas turbine with the above combustion chamber can be specified.
  • this object is achieved according to the invention solved by a combustion chamber for a gas turbine, the Internal combustion chamber wall with one of a number of Heat shield elements formed lining is provided, wherein the or each heat shield element with the combustion chamber wall forms an interior to which a coolant can be applied, in which a flow element for the targeted setting of a Coolant flow is inserted.
  • the invention is based on the knowledge that according to a structural design of a combustion chamber made the geometry of the interior formed for cooling purposes is.
  • the interior space provided for this is essentially uniform filled in and flowed through.
  • An adjustment of the cooling capacity to the actual local coolant requirement This means that heat shield elements are not possible.
  • the application of the interior for cooling the heat shield element is therefore quite unspecific because it is not sufficient flexible to the actual local cooling requirements customizable.
  • Heat dissipation from the interior can be set within certain limits.
  • the main focus in conventional interior cooling lies here - especially with regard to one particularly high system efficiency - in a reliable and uniform coverage of the Heat shield elements with the coolant.
  • a disadvantage of this is that areas of the heat shield element with locally lower coolant requirements alike acts like those areas with higher temperatures are burdened so that about the actual need Coolant is used.
  • the invention shows a new way for the first time, an adjustment of the cooling capacity to the local requirements to realize in the interior.
  • a flow element is advantageously also after it has been made Design of the combustion chamber - i.e. with fixed geometry of the interior - an operational cooling adjustment possible.
  • the flow element in the interior acts directly on the coolant flow in the interior and leads to its targeted attitude towards strength and flow direction such that the heat shield element can be cooled as required. This will reduce the cooling efficiency increased.
  • a flow channel for coolant through the flow element is formed in which the flow rate of the coolant flow versus the flow rate upstream of the flow element is increased.
  • the arranged in the interior Flow element accordingly leads to a local increase the flow rate of coolant in the flow channel. Due to the increased flow rate accordingly locally increased heat transfer from the thermally highly stressed heat shield element on the coolant, e.g. Cooling air, reached.
  • the flow channel becomes advantageously directly from a wall to be cooled of the heat shield element limited.
  • the heat transfer into that Coolant and heat dissipation is increased by the Flow rate favors.
  • the flow rate increase is done for example by a local Reduction of the flow cross section through the flow element in the interior.
  • a heat shield element is preferably a respective one Flow element for cooling a thermally highly stressed Associated wall section of the heat shield element. So that is for each heat shield element for cooling depending on the requirement an individual a targeted adjustment of the coolant flow guaranteed.
  • the arrangement and the design the flow element for cooling adaptation of a heat shield element is such that the thereby formed Flow channel for the coolant with a wall section increased temperature load during operation of the combustion chamber Coolant supplied. Due to the increased speed in the Flow channel is cooled especially this wall section. However, this is not necessary in other wall sections and a reduced flow rate is sufficient.
  • the heat shield element that can be cooled in this way can be a Have longitudinal axis and a transverse axis and includes a wall with a hot side, one with a hot medium, e.g. hot combustion gas, pressurizable hot side surface and a cold side opposite the hot side.
  • the cold side is the one facing the combustion chamber wall Side of the heat shield element and limits the interior.
  • the heat shield element can have a first wall section and one along a longitudinal axis to the first wall section include adjacent second wall section.
  • the one Interior facing side of the heat shield element forms a Cold side of the wall sections used for cooling purposes the coolant is applied.
  • the second section of the wall can be compared to the first wall section in the direction of Hot side be inclined. Depending on the angle of inclination, you can different installation or operating situations of the heat shield element will be realized.
  • the heat shield element can be used as a Segment that uses gas turbine liners.
  • the hot gas flow is namely from the burner outlet towards the turbine by one Redirect angle.
  • the combustion chamber liner is provided.
  • the one or more locally selectable heat shield elements is particularly easy.
  • the first Wall section facing the burner outlet and the hot one Combustion gas immediately exposed on the hot side increased cooling capacity is required to ensure safe operation to ensure the combustion chamber.
  • a heat shield element with an associated flow element in a special way for a heat-resistant combustion chamber lining suitable because due to the first and the in contrast, the second wall section inclined the deflection angle and the local cooling capacity requirement to the respective circumstances can be adjusted. This is additional a particularly advantageous inflow of through the combustion process generated hot gases in one of the combustion chamber downstream turbine accessible.
  • the heat shield element is preferably designed as a single-shell hollow body, which hollow body has a cavity in which the flow element is arranged.
  • This structural configuration enables the flow element to be inserted and accommodated securely when the combustion chamber is installed or when a combustion chamber is retrofitted with a flow element for cooling adaptation. Furthermore, the flow element is protected against exposure to hot gas, since it is located in the cavity which is closed on the hot side.
  • the flow element is designed accordingly for the most efficient and adapted cooling and is placed in the cavity in such a way that high flow velocities result in the thermally highly stressed wall sections.
  • the half-shell of the single-shell hollow body is aligned with the open side in the direction of the combustion chamber wall, so that the cavity also forms a subspace of the interior which is acted upon with coolant for cooling purposes.
  • the flow element positively attached to the combustion chamber wall.
  • the positive connection leads to one with regard to vibrations arrangement of the heat shield element which is particularly mechanically insensitive, Flow element and combustion chamber wall. Further the positive fit between the combustion chamber wall and Flow element assembly and enables precise attachment the flow element into a predetermined position, so that the flow element in the desired cooling task Interior can meet.
  • the heat input into the coolant for the actual energy conversion process in the combustion chamber recovered.
  • This is advantageously a feed those heated during the combustion chamber cooling as a coolant cooling air used in the interior into the combustion chamber provided, the preheated cooling air as the exclusive or additional combustion air can serve.
  • the outflow Coolant in this sense is the combustion process in the combustion chamber, the interior is fluid preferably on the output side with a collecting space connected, which in turn upstream of the combustion chamber is. Via this, the heated coolant can if necessary through a throttle device with the rest Compressor mass flow mixed and the combustion process are supplied so that closed air cooling is achieved is.
  • the flow element is preferred for targeted adjustment of the coolant flow in the interior with the combustion chamber wall releasably connected.
  • the connection can e.g. by a Screw connection can be reached, the attachment of the Flow element from the outside through the combustion chamber wall or from the inside, i.e. is done inside.
  • the connection but can also be achieved by snagging.
  • the The heat shield element and the combustion chamber wall point towards it connection corresponding to a detachable connection or fasteners.
  • the flow element is further preferably made of metal, in particular a metal sheet or a metal plate or a metallic one Molded part, e.g. a casting.
  • the above-mentioned combustion chamber is preferably a component a gas turbine.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine.
  • a compressor 2 for Combustion air
  • a combustion chamber 4 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine.
  • the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also called Turbine rotor designated turbine shaft 8 arranged with which also connects the generator or the working machine is, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the Combustion chamber 4 designed in the manner of an annular combustion chamber is with a number of burners 10 for burning one liquid or gaseous fuel.
  • the turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12.
  • the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
  • the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are.
  • the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transfer of momentum from the turbine 6 hot medium flowing through, the working medium M.
  • the guide vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between two in the flow direction of the Working medium M seen successive rows of blades or blade rings.
  • a successive Pair of a ring of guide vanes 14 or a row of guide vanes and from a ring of blades 12 or A row of blades is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide vane 14 has one which is also referred to as a blade root Platform 18, which is used to fix the respective guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
  • the platform 18 is a thermal comparison heavily loaded component that the outer boundary a heating gas channel for the one flowing through the turbine 6 Working medium M forms.
  • Each blade 12 is analog Way over a platform 20 also referred to as a blade root attached to the turbine shaft 8.
  • each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite to it 12 spaced by a gap.
  • the one between neighboring Guide rings 21 arranged guide vane rows serve in particular as cover elements that cover the inner wall 16 or other housing installation parts before a thermal Overuse by the hot flowing through the turbine 6 Working medium M protects.
  • the combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, a combustion chamber wall 24 being formed on the combustion chamber side is.
  • the combustion chamber 4 is as so-called annular combustion chamber designed in which a variety of arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 Burners 10 in a common annular Open the combustion chamber.
  • the combustion chamber 4 is in its Designed as a ring structure, which is positioned around the turbine shaft 8.
  • the combustion chamber 4 is shown in section in FIG. 2, which is toroidal around the turbine shaft 8 continues.
  • the Combustion chamber 4 has an initial or inflow section, in the end of the outlet of the associated burner 10 flows. Seen in the direction of flow of the working medium M. the cross section of the combustion chamber 4 then narrows, where the emerging flow profile of the working medium M is taken into account in this area.
  • the combustion chamber 4 On the output side the combustion chamber 4 has a curvature in longitudinal section on, through which the outflow of the working medium M from the Combustion chamber 4 in one for a particularly high pulse and Energy transfer to the following downstream first row of blades is favored.
  • the working medium M is flowed through the combustion chamber from one direction in the Essentially parallel to the burner axis 39 in one direction deflected parallel to the central axis 9.
  • the combustion chamber 4 for a comparatively high temperature of the working medium M from about 1200 ° C to 1500 ° C.
  • This also applies to these operating parameters, which are unfavorable for the materials to enable a comparatively long operating time is the combustion chamber wall 24 on the working medium M facing side with one made of heat shield elements 26 provided combustion chamber lining.
  • the heat shield elements 26 are on fasteners 37 on the Combustion chamber wall 24 fastened leaving a gap, whose gap dimension also corresponds to the dimension of the interior 27 perpendicular to the combustion chamber wall 24.
  • Any heat shield element 26 is on the working medium side, that is on its side Hot side 35, with a particularly heat-resistant Protective layer 31 equipped.
  • the cooling system is based on the principle of convective cooling, at the coolant, e.g. Cooling air, along a surface of the is led to the cooling component.
  • the cooling system be designed for impingement cooling, in which cooling air as a coolant K under sufficiently high pressure on a large number from places to the component to be cooled vertically Component surface is blown.
  • the cooling system is simple in construction for reliable, Comprehensive exposure to the heat shield elements 26 with cooling air K and also for a particularly low one Coolant pressure drop designed.
  • the heat shield elements 26 from its cold side 33 through the cooling air K cooled, the one between the heat shield element 26 and the Combustion chamber wall 24 formed space 27 by suitable - Not shown supply lines - is delivered and depending on the cooling mechanism on or along the cold side 33 of a respective heat shield element 26 is passed.
  • the principle of very advantageous closed air cooling is applied here. After completion of the cooling task on the heat shield elements 26, the heated air is completely used for combustion in the burner 10 and the heat carried along is likewise returned;
  • the closed air cooling thus enables higher performance / efficiency and lower NO x emissions than, for example, the open air cooling.
  • the "cold" cooling air is mixed with the heating gas flow downstream of the combustion, which leads to lower gas turbine efficiency and higher pollutant values.
  • Combustion chamber 4 is a combustion chamber lining with a one Number of temperature-resistant and stiffened heat shield elements 26 provided. This is a full-surface largely leak-free combustion chamber lining in the annulus, a so-called combustion chamber liner.
  • a flow element 49 is inserted in the between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24 formed interior 27, a flow element 49 is inserted. This is positively attached to the combustion chamber wall 24, e.g. by means of a suitable hooking or Screw connection.
  • the flow element 49 is arranged so that a thermally highly stressed first wall section 47A of the heat shield member 26 as shown here in FIG the vicinity of the burner 10, is increasingly coolable.
  • the flow element 49 causes a flow channel in the interior 27 51 for the coolant K with upstream of the flow element 49, that is in the area of the first Wall section 47A less thermally stressed wall section 47B, reduced flow cross section. This leads to a selectively adjustable local increase in flow velocity of the coolant in the flow channel 51 and thus to one increased heat transfer from the thermally highly stressed Wall section 47A on the coolant K.
  • the positive flow elements 49 on the Combustion chamber wall 24 advantageously also subsequently, i.e. as part of a revision of an existing one Combustion chamber 4, either from the outside through the housing 29 or can also be attached from the inside to the combustion chamber wall 24.
  • FIG 3 shows a sectional view of a section of the combustion chamber 4 in the region of the combustion chamber wall 24 with a flow element 49.
  • the heat shield element 26 is spaced apart from the combustion chamber wall 24 and forms an interior space 27 which can be acted upon with a coolant K.
  • a flow element 49 is provided in the interior space 27 targeted setting of a coolant flow inserted.
  • the flow element 49 is essentially cuboid and positively attached to the combustion chamber wall 24.
  • a reduction in the flow cross section for the coolant flow is achieved in the region of the flow element 49, a flow channel 51 for coolant K being formed by the flow element 49, in which the flow velocity v 1 of the coolant flow is increased compared to the flow velocity v 0 upstream of the flow element 49.
  • the local increase in the flow velocity in the flow channel 51 causes an increased heat transfer from the hot side 35 of the heat shield element 26 to the coolant K, for example cooling air.
  • a thermally particularly highly stressed wall section 47a of the heat shield element 26 can thus be locally cooled with a higher cooling capacity.
  • the flow element 49 enables a cooling adaptation, the gap dimension in the interior 27 between the cold side 33 and the combustion chamber wall 24 being adapted with regard to the cooling requirement.
  • the heat shield element 26 can have a high-temperature resistant protective layer on the hot side 35 for exposure to very hot combustion gases.
  • a protective layer 31 can be, for example, a ceramic thermal barrier coating.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment with a modified flow element 49, which is inserted into the interior 27.
  • the flow channel 51 for the coolant K formed by the flow element 49 in the interior 27 varies in the flow direction.
  • the flow cross section in the flow channel 51 initially decreases continuously in the flow direction and reaches a value which subsequently remains constant for a certain flow path, in order to then increase again to a larger flow cross section.
  • This approximately wedge-shaped profile of the flow element 49 leads in the area of the linear rise to a correspondingly proportionally increasing flow velocity v 1 in the flow channel 51.
  • the structural design and geometric shape of the flow element 49 can consequently be adapted in a simple manner to the respective cooling task in the interior 27 respectively.
  • Combustion chamber 4 is a combustion chamber liner with a number in a preferred embodiment, as below described in more detail with reference to FIGS. 5 and 6, both temperature-resistant as well as stiffened heat shield elements 26 intended.
  • a full area is largely leak-free combustion chamber lining formed in the annulus, a so-called combustion chamber liner, which by means of the flow element 49 in the interior 27 also particularly efficient, because it can be cooled locally.
  • FIG. 5 shows a simplified perspective illustration of an exemplary embodiment of a heat shield element 26 and FIG. 6 shows a somewhat enlarged view of the end face of the heat shield element 26 shown in FIG. 5.
  • the heat shield element 26 extends along a longitudinal axis 43 and a transverse axis running perpendicular to the longitudinal axis 43 45.
  • the heat shield element 26 comprises a wall 47 which has a hot side 35 with a hot side surface 55 which can be acted upon by the hot working medium M.
  • a cold side 33 is provided opposite the hot side 35 of the wall 47.
  • the wall 47 has two wall sections 47A, 47B, a first wall section 47A being arranged upstream of a second wall section 47B along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M. Furthermore, the second wall section 47B is inclined relative to the first wall section 47A in the direction of the hot side 35, so that the second wall section 47B forms an inclination angle with the longitudinal axis 43. The inclination is set so that a structural adjustment to the lining of a combustion chamber wall 24 (see FIG. 2) is achieved. Surface regions 57A, 57B are formed on the hot side surface 55 in the first wall section 47A.
  • the surface regions 57A, 57B each have a non-planar, that is to say curved, surface contour along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45.
  • the surface area 57A is concavely curved in the direction of the transverse axis 45 and convexly curved in the direction of the longitudinal axis 45, so that a saddle surface 59 with a saddle point P s is formed in the surface area 57A.
  • the second surface region 57B has a spherical surface contour and is arranged along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M, for example the hot combustion gas, downstream of the surface region 57A, the surface region 57A merging into the second surface region 57B via a transition region 61.
  • a curved one Surface contour can also on the cold side 33 or stamped on the surfaces in the second wall portion 47B be where this leads to a further improvement in vibration behavior in terms of low susceptibility to Resonance excitation through the usual combustion vibration frequencies leads. It has, however, surprisingly demonstrated that sufficient stiffening through a two-dimensional surface contouring of the hot side surface 55 delivers good results in the first wall section.
  • a conventional - essentially planar - Heat shield element a typical natural frequency at e.g. 380 Hz, whereas the contouring according to the invention with otherwise the same dimensions, an increase in the natural frequency could be reached to 440 Hz.
  • already concave and / or convex surface contours with only small radii of curvature cause an increase in the rigidity of the heat shield element 26th
  • the configuration according to the exemplary embodiment in FIG. 5 with a combination of saddle surface contour in the surface area 57A and spherical-concave surface contour in the surface area 57B proves to be particularly cheap.
  • this shape of the hot side surface 45 is in the direction viewed linearly along the longitudinal axis, an S-shaped contour in reaches first wall section 47A, whereas the second Wall section 47B is largely planar.
  • gas turbine becomes a special one even and low flow loss redirection of the hot Working medium M with subsequent inflow into the turbine blades reached.
  • the S shape also makes it one direct flame impact on the hot side surface 55 avoided.
  • this surface contour improves Overflow of the working medium M along the hot side surface 55 from the first wall portion 47A to the second wall portion 47B.
  • a heat-resistant protective layer on its hot side 35 31 applied, e.g. a ceramic high temperature resistant Thermal barrier coating.
  • a cooling surface 53 formed with a Coolant K e.g. Cooling air is applied.
  • the coolant flow the coolant K is specifically adjusted by one or each heat shield element 26 in the installation case forms with the coolant K interior 27 (see FIGS. 2, 3 and 4) in which a flow element 49 is inserted.
  • a stiffened heat shield element 26 is therefore a specified heat-resistant and coolable component, with which a flat lining is easily in particular, a complete combustion chamber lining, can be realized is special due to the stiffening of the shape is less susceptible to combustion vibrations.
  • the heat shield element 26 is a single-shell hollow body with a Provided cavity 63.
  • the cavity 63 opens in the direction the combustion chamber wall 24, so that in the installation situation Flow element 49 comprises the single-shell hollow body is.
  • the heat shield element 26 has a first wall section 47A and one opposite the first wall portion 47A inclined second wall portion 47B.
  • About fasteners 37 is the heat shield element 26 on the combustion chamber wall 24 attachable, e.g. through a screw connection, wherein a fastener 37 has a bore 65 in the Combustion chamber wall 24 is assigned.
  • the bore 65 can optionally also designed as a threaded hole with a thread his.
  • the flow element 49 is approximately wedge-shaped in order to Area of the thermally more highly stressed first wall section 47A, an increase in the flow rate of the coolant K to effect.
  • the flow element 49 is with the combustion chamber wall 24 releasably connected so that an exchange or retrofitting with other flow elements 49 in the event of a change the cooling task is possible. Attaching the flow element 49 takes place in compliance with a form fit between the flow element 49 and the combustion chamber wall 49, mechanical stability on the one hand and precise adjustment the flow cross-section for the coolant K on the other hand to ensure.
  • the flow element 49 is for attachment provided on the combustion chamber wall with holes 65, the one Screw from the outside or from the inside to the combustion chamber wall 24 enable.
  • the flow element 49 is a metal part, in particular a metal sheet or a metallic molded part.

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Abstract

The combustion chamber (4) for a gas turbine has its wall (24) on the inner side provided with a lining formed from a number of heat shield elements (26). Each heat shield element forms with the combustion chamber wall an inner chamber (27) chargeable with a cooling medium (K) and in which is fitted a flow element (49) for the directed adjustment of a cooling medium flow. By the flow element is formed a cooling medium flow passage in which the flow speed is increased in relation to the flow speed upstream of the flow element. An independent claim is included for a gas turbine equipped with the aforesaid combustion chamber.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine, deren Brennkammerwand innenseitig mit einer von einer Anzahl von Hitzeschildelementen gebildeten Auskleidung versehen ist, wobei das oder jedes Hitzeschildelement einen mit einem Kühlmittel beaufschlagbaren Innenraum bildet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.The invention relates to a combustion chamber for a gas turbine, whose combustion chamber wall on the inside with one of a Number of liners formed by heat shield elements is provided, wherein the or each heat shield element one forms an interior with a coolant. The The invention further relates to a gas turbine with such Combustion chamber.

Brennkammern sind Bestandteil von Gasturbinen, die in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu von Brennern in den ihnen nachgeschalteten Brennkammern verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird ein unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium mit einer hohen Temperatur erzeugt. Dieses Arbeitsmedium wird in eine den Brennkammern nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.Combustion chambers are part of gas turbines, which in many Areas for driving generators or work machines be used. The energy content becomes one Fuel for generating a rotational movement of a turbine shaft used. The fuel is used by burners in the combustion chambers connected to them burned, whereby from compressed air is supplied to an air compressor. By the combustion of the fuel becomes one under high pressure standing working medium with a high temperature. This working medium is downstream of the combustion chambers Turbine unit guided where it is working relaxed.

Dabei kann jedem Brenner eine separate Brennkammer zugeordnet sein, wobei das aus den Brennkammern abströmende Arbeitsmedium vor oder in der Turbineneinheit zusammengeführt sein kann. Alternativ kann die Brennkammer aber auch in einer so genannten Ringbrennkammer-Bauweise ausgeführt sein, bei der eine Mehrzahl, insbesondere alle, der Brenner in eine gemeinsame, üblicherweise ringförmige Brennkammer münden.A separate combustion chamber can be assigned to each burner be, the working medium flowing out of the combustion chambers be brought together before or in the turbine unit can. Alternatively, the combustion chamber can also be used in such a way mentioned annular combustion chamber design, in which a plurality, especially all, of the burners in a common, usually annular combustion chamber open.

Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium von der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.When designing such gas turbines in addition to achievable performance usually a particularly high efficiency a design goal. An increase in efficiency can basically be used for thermodynamic reasons by increasing the outlet temperature, with which the working medium from the combustion chamber and into the Turbine unit flows. Therefore temperatures of around Desired 1200 ° C to 1500 ° C for such gas turbines and also achieved.

Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem Medium ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Ausgestaltung mit besonders hitzebeständigen Materialien und eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere der Brennkammer, nötig. Um thermische Verspannungen des Materials zu verhindern, welche die Lebensdauer der Komponenten begrenzt, wird in der Regel angestrebt, eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Komponenten zu erreichen.At such high temperatures of the working medium, however the components and parts exposed to this medium exposed to high thermal loads. To still at high Reliability a comparatively long lifespan It is usually necessary to ensure the affected components a design with particularly heat-resistant materials and cooling the affected components, in particular the combustion chamber, necessary. To thermal tension of the material to prevent the life of the components limited, the aim is usually one if possible to achieve uniform cooling of the components.

Die Brennkammerwand ist dazu in der Regel auf ihrer Innenseite mit Hitzeschildelementen ausgekleidet, die mit besonders hitzebeständigen Schutzschichten versehen werden können, und die durch die eigentliche Brennkammerwand hindurch gekühlt werden. Dazu wird in der Regel ein auch als "Prallkühlung" bezeichnetes Kühlverfahren eingesetzt. Bei der Prallkühlung wird ein Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, durch eine Vielzahl von Bohrungen in der Brennkammerwand den Hitzeschildelementen zugeführt, so dass das Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht auf ihre der Brennkammerwand zugewandte auf der Kaltseite gebildete Kühloberfläche prallt. Das durch den Kühlprozess aufgeheizte Kühlmittel, z.B. Kühlluft, wird anschließend aus dem Innenraum, den die Brennkammerwand mit den Hitzeschildelementen bildet, abgeführt. Ein weiterer Kühlprozess, bei der eine Längshinterströmung der Hitzeschildelemente entlang einer der Brennkammerwand zugewandten Kühloberfläche ausgenutzt wird, ist die sogenannte konvektive Kühlung. The combustion chamber wall is usually on the inside lined with heat shield elements that with special heat-resistant protective layers can be provided, and cooled through the actual combustion chamber wall become. For this purpose, usually also a "baffle cooling" designated cooling process used. In the Impact cooling becomes a coolant, usually cooling air, through a variety of holes in the combustion chamber wall Heat shield elements fed so that the coolant essentially perpendicular to their facing the combustion chamber wall the cooling surface formed on the cold side bounces. That through the cooling process heated coolants, e.g. Cooling air, will then from the interior that the combustion chamber wall with forms the heat shield elements, dissipated. Another Cooling process, in which a longitudinal backflow of the heat shield elements along a wall facing the combustion chamber The cooling surface is used, the so-called convective Cooling.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der oben genannten Art anzugeben, die bei vergleichsweise einfacher Bauweise für einen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad geeignet ist und bei der zugleich die mit hohen Temperaturen belasteten Bereiche effektiv kühlbar sind. Weiterhin soll eine Gasturbine mit der oben genannten Brennkammer angegeben werden.The invention has for its object a combustion chamber of the type mentioned above, which at comparative simple design for a particularly high system efficiency is suitable and at the same time that with high Areas subject to high temperatures can be effectively cooled. Farther is said to be a gas turbine with the above combustion chamber can be specified.

Bezüglich der Brennkammer wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer für eine Gasturbine, deren Brennkammerwand innenseitig mit einer von einer Anzahl von Hitzeschildelementen gebildeten Auskleidung versehen ist, wobei das oder jedes Hitzeschildelement mit der Brennkammerwand einen mit einem Kühlmittel beaufschlagbaren Innenraum bildet, in dem ein Strömungselement zur gezielten Einstellung eines Kühlmittelstroms eingefügt ist.With regard to the combustion chamber, this object is achieved according to the invention solved by a combustion chamber for a gas turbine, the Internal combustion chamber wall with one of a number of Heat shield elements formed lining is provided, wherein the or each heat shield element with the combustion chamber wall forms an interior to which a coolant can be applied, in which a flow element for the targeted setting of a Coolant flow is inserted.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass nach einer erfolgten konstruktiven Auslegung einer Brennkammer die Geometrie des für Kühlungszwecke gebildeten Innenraums festgelegt ist. Bei einer Beaufschlagung mit Kühlmittel wird daher der hierfür bereitgestellte Innenraum im Wesentlichen gleichmäßig ausgefüllt und durchströmt. Eine Anpassung der Kühlleistung an den tatsächlichen lokalen Kühlmittelbedarf eines Hitzeschildelements ist dadurch nicht möglich. Die Beaufschlagung des Innenraums zur Kühlung des Hitzeschildelements ist aus diesem Grunde recht unspezifisch, da nicht hinreichend flexibel an die jeweiligen tatsächlichen lokalen Kühlungsanforderungen anpassbar. Einzig durch die Gesamtmenge des dem Zwischenraum pro Zeit zugeführten Kühlmittels ist die Wärmeabfuhr aus dem Innenraum in gewissen Grenzen einstellbar. Das Hauptaugenmerk bei der herkömmlichen Innenraumkühlung liegt hierbei jedoch - insbesondere im Hinblick auf einen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad - in einer zuverlässigen und gleichförmig-flächendeckenden Beaufschlagung der Hitzeschildelemente mit dem Kühlmittel. The invention is based on the knowledge that according to a structural design of a combustion chamber made the geometry of the interior formed for cooling purposes is. When coolant is applied the interior space provided for this is essentially uniform filled in and flowed through. An adjustment of the cooling capacity to the actual local coolant requirement This means that heat shield elements are not possible. The application of the interior for cooling the heat shield element is therefore quite unspecific because it is not sufficient flexible to the actual local cooling requirements customizable. Only by the total amount of the coolant supplied to the space per time is Heat dissipation from the interior can be set within certain limits. The main focus in conventional interior cooling lies here - especially with regard to one particularly high system efficiency - in a reliable and uniform coverage of the Heat shield elements with the coolant.

Nachteiligerweise werden hierdurch Bereiche des Hitzeschildelements mit lokal-niedrigerem Kühlmittelbedarf gleichermaßen beaufschlagt wie diejenigen Bereiche, die mit höheren Temperaturen belastetet sind, so dass über den tatsächlichen Bedarf Kühlmittel verwendet wird.A disadvantage of this is that areas of the heat shield element with locally lower coolant requirements alike acts like those areas with higher temperatures are burdened so that about the actual need Coolant is used.

Mit der Erfindung wird hingegen erstmals ein neuer Weg aufgezeigt, eine Anpassung der Kühlleistung an die lokalen Erfordernisse in dem Innenraum zu realisieren. Durch die Einfügung eines Strömungselements ist vorteilhafterweise auch nach erfolgter Auslegung der Brennkammer - d.h. bei festgelegter Geometrie des Innenraums - eine betriebsbedingte Kühlungsanpassung möglich. Das Strömungselement in dem Innenraum wirkt dabei unmittelbar auf den Kühlmittelstrom im Innenraum und führt zu dessen gezielter Einsstellung hinsichtlich Stärke und Strömungsrichtung dergestalt, dass das Hitzeschildelement bedarfgerecht kühlbar ist. Die Kühleffizienz wird hierdurch gesteigert.In contrast, the invention shows a new way for the first time, an adjustment of the cooling capacity to the local requirements to realize in the interior. By insertion a flow element is advantageously also after it has been made Design of the combustion chamber - i.e. with fixed geometry of the interior - an operational cooling adjustment possible. The flow element in the interior acts directly on the coolant flow in the interior and leads to its targeted attitude towards strength and flow direction such that the heat shield element can be cooled as required. This will reduce the cooling efficiency increased.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Brennkammer ist durch das Strömungselement ein Strömungskanal für Kühlmittel gebildet ist, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelstroms gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit stromauf des Strömungselements erhöht ist. Das in den Innenraum angeordnete Strömungselement führt demnach zu einer lokalen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von Kühlmittel in dem Strömungskanal. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ist dementsprechend lokal ein erhöhter Wärmetransfer von dem thermisch hochbelasteten Hitzeschildelement auf das Kühlmittel, z.B. Kühlluft, erreicht. Der Strömungskanal wird dabei vorteilhafterweise unmittelbar von einer zu kühlenden Wand des Hitzeschildelements begrenzt. Der Wärmetransfer in das Kühlmittel und der Wärmeabtransport ist durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit begünstigt. Die Strömungsgeschwindigkeitserhöhung erfolgt beispielsweise durch eine lokale Verringerung des Strömungsquerschnitts durch das Strömungselement im Innenraum. Die Einfügung eines im einfachsten Fall näherungsweise planaren Strömungselements mit einer vorgegebenen Wandstärke in den Innenraum bewirkt z.B. unmittelbar eine Reduzierung des Spaltmaßes des Durchtrittskanals für das Kühlmittel um den Betrag dieser Wandstärke. Im Bereich des reduzierten Spaltmaßes stellt sich lokal eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und damit eine gesteigerte Kühlleistung.In a particularly preferred embodiment of the combustion chamber a flow channel for coolant through the flow element is formed in which the flow rate of the coolant flow versus the flow rate upstream of the flow element is increased. The arranged in the interior Flow element accordingly leads to a local increase the flow rate of coolant in the flow channel. Due to the increased flow rate accordingly locally increased heat transfer from the thermally highly stressed heat shield element on the coolant, e.g. Cooling air, reached. The flow channel becomes advantageously directly from a wall to be cooled of the heat shield element limited. The heat transfer into that Coolant and heat dissipation is increased by the Flow rate favors. The flow rate increase is done for example by a local Reduction of the flow cross section through the flow element in the interior. The insertion of one in the simplest case approximately planar flow element with a predetermined Wall thickness in the interior causes e.g. right away a reduction in the gap dimension of the passage for Coolant by the amount of this wall thickness. In the area of Reduced gap size locally increases the flow rate of the coolant and thus an increased Cooling capacity.

Vorzugsweise ist einem Hitzeschildelement ein jeweiliges Strömungselement zur Kühlung eines thermisch hochbelasteten Wandabschnitts des Hitzeschildelements zugeordnet. Damit ist für jedes Hitzeschildelement zur Kühlung je nach Anforderung eine individuelle eine gezielte Einstellung des Kühlmittelstroms gewährleistet. Die Anordnung und die konstruktive Auslegung des Strömungselements zur Kühlungsanpassung eines Hitzeschildelement ist dabei derart, dass der hierdurch gebildete Strömungskanal für das Kühlmittel einen Wandabschnitt mit erhöhter Temperaturbelastung im Betrieb der Brennkammer mit Kühlmittel versorgt. Durch die erhöhte Geschwindigkeit in dem Strömungskanal wird gerade dieser Wandabschnitt verstärkt gekühlt. In anderen Wandabschnitten ist dies hingegen nicht erforderlich und es genügt eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit.A heat shield element is preferably a respective one Flow element for cooling a thermally highly stressed Associated wall section of the heat shield element. So that is for each heat shield element for cooling depending on the requirement an individual a targeted adjustment of the coolant flow guaranteed. The arrangement and the design the flow element for cooling adaptation of a heat shield element is such that the thereby formed Flow channel for the coolant with a wall section increased temperature load during operation of the combustion chamber Coolant supplied. Due to the increased speed in the Flow channel is cooled especially this wall section. However, this is not necessary in other wall sections and a reduced flow rate is sufficient.

Beispielsweise kann das so kühlbare Hitzeschildelement eine Längsachse und eine Querachse aufweisen und umfasst eine Wand mit einer Heißseite, die eine mit einem heißen Medium, z.B. heißes Verbrennungsgas, beaufschlagbare Heißseitenoberfläche aufweist sowie eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite. Die Kaltseite ist dabei die der Brennkammerwand zugewandte Seite des Hitzeschildelements und begrenzt den Innenraum. Hierbei kann das Hitzschildelement einen ersten Wandabschnitt und einen entlang einer Längsachse an den ersten Wandabschnitt angrenzenden zweiten Wandabschnitt umfassen. Die dem Innenraum zugewandte Seite des Hitzeschildelements bildet eine Kaltseite der Wandabschnitte, die zu Kühlungszwecken mit dem Kühlmittel beaufschlagt wird. Der zweite Wandabschnitt kann dabei gegenüber dem ersten Wandabschnitt in Richtung der Heißseite geneigt sein. Je nach Neigungswinkel können somit unterschiedliche Einbau- bzw. Betriebssituationen des Hitzeschildelements realisiert werden.For example, the heat shield element that can be cooled in this way can be a Have longitudinal axis and a transverse axis and includes a wall with a hot side, one with a hot medium, e.g. hot combustion gas, pressurizable hot side surface and a cold side opposite the hot side. The cold side is the one facing the combustion chamber wall Side of the heat shield element and limits the interior. The heat shield element can have a first wall section and one along a longitudinal axis to the first wall section include adjacent second wall section. The one Interior facing side of the heat shield element forms a Cold side of the wall sections used for cooling purposes the coolant is applied. The second section of the wall can be compared to the first wall section in the direction of Hot side be inclined. Depending on the angle of inclination, you can different installation or operating situations of the heat shield element will be realized.

Beispielsweise bei einer Ringbrennkammer einer Gasturbine, die mit einem sogenannten Brennkammerliner zur Begrenzung und zur Strömungsführung des Heißgases zu einer nachgeschalteten Turbine ausgestattet ist, kann das Hitzeschildelement als ein Segment das Gasturbinenliners eingesetzt werden. Mit einer Vielzahl solcher Hitzeschildelemente kann über den vollen Umfang der Ringbrennkammer eine vollständige flächige Auskleidung der Brennkammerwand der Ringbrennkammer durchgeführt werden. Bei derartigen Ringbrennkammern ist nämlich der Heißgasstrom vom Brenneraustritt in Richtung der Turbine um einen Winkel umzulenken. Zu diesem Umlenkzweck ist unter anderem der Brennkammerliner vorgesehen. Mit einem Brennkammerliner, der eines oder mehrere lokal gezielt kühlbare Hitzeschildelemente aufweist ist dies besonders einfach möglich. Der erste Wandabschnitt, der dem Brenneraustritt zugewandt und dem heißen Verbrennungsgas auf der Heißseite unmittelbar ausgesetzt ist bedarf einer erhöhten Kühlleistung, um einen sicheren Betrieb der Brennkammer zu gewährleisten. Mit der Erfindung ist aber gerade eine gezielte Kühlung dieses thermisch hochbelasteten Wandabschnitts des Hitzeschildelements gewährleistet. Daher ist ein Hitzeschildelement mit zugeordnetem Strömungselement in besonderer Weise für eine hitzebeständige Brennkammerauskleidung geeignet, da aufgrund des ersten und des demgegenüber geneigten zweiten Wandabschnitts der Umlenkwinkel und der lokale Kühlleistungsbedarf auf die jeweiligen Gegebenheiten hin eingestellt werden kann. Dabei ist noch zusätzlich eine besonders vorteilhafte Einströmung der durch den Verbrennungsprozess erzeugten Heißgase in eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbine erreichbar. For example, in an annular combustion chamber of a gas turbine, which with a so-called combustion chamber liner for limitation and to guide the flow of hot gas to a downstream one Turbine is equipped, the heat shield element can be used as a Segment that uses gas turbine liners. With a Variety of such heat shield elements can cover the full range the ring combustion chamber is completely lined the combustion chamber wall of the annular combustion chamber become. In the case of such ring combustion chambers, the hot gas flow is namely from the burner outlet towards the turbine by one Redirect angle. For this redirection purpose is among other things the combustion chamber liner is provided. With a combustion chamber liner, the one or more locally selectable heat shield elements is particularly easy. The first Wall section facing the burner outlet and the hot one Combustion gas immediately exposed on the hot side increased cooling capacity is required to ensure safe operation to ensure the combustion chamber. With the invention but specifically targeted cooling of this thermally highly stressed Ensured wall portion of the heat shield element. Therefore, a heat shield element with an associated flow element in a special way for a heat-resistant combustion chamber lining suitable because due to the first and the in contrast, the second wall section inclined the deflection angle and the local cooling capacity requirement to the respective circumstances can be adjusted. This is additional a particularly advantageous inflow of through the combustion process generated hot gases in one of the combustion chamber downstream turbine accessible.

Vorzugsweise ist das Hitzeschildelement als ein einschaliger Hohlkörper ausgestaltet, welcher Hohlkörper einen Hohlraum ausweist, in dem das Strömungselement angeordnet ist.
Diese konstruktive Ausgestaltung ermöglicht ein sicheres Einfügen und Unterbringen des Strömungselements bei der Montage der Brennkammer oder bei einer Nachrüstung einer Brennkammer mit einem Strömungselement zur Kühlungsanpassung.
Weiterhin ist das Strömungselement gegen eine Beaufschlagung mit Heißgas geschützt, da es sich in dem Hohlraum befindet, der gegenüber der Heißseite geschlossen ist. Das Strömungselement ist für eine möglichst effiziente und angepasste Kühlung entsprechend ausgelegt und in dem Hohlraum so platziert, dass hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den thermisch stark belasteten Wandabschnitten resultieren. Die Halbschale des einschaligen Hohlkörpers ist dabei mit der offenen Seite in Richtung der Brennkammerwand ausgerichtet, so dass der Hohlraum zugleich ein Teilraum des Innenraums bildet, der zur Kühlungszwecken mit Kühlmittel beaufschlagt wird.The heat shield element is preferably designed as a single-shell hollow body, which hollow body has a cavity in which the flow element is arranged.
This structural configuration enables the flow element to be inserted and accommodated securely when the combustion chamber is installed or when a combustion chamber is retrofitted with a flow element for cooling adaptation.
Furthermore, the flow element is protected against exposure to hot gas, since it is located in the cavity which is closed on the hot side. The flow element is designed accordingly for the most efficient and adapted cooling and is placed in the cavity in such a way that high flow velocities result in the thermally highly stressed wall sections. The half-shell of the single-shell hollow body is aligned with the open side in the direction of the combustion chamber wall, so that the cavity also forms a subspace of the interior which is acted upon with coolant for cooling purposes.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Strömungselement formschlüssig an der Brennkammerwand angebracht. Der Formschluss führt zu einer im Hinblick auf Schwingungen mechanisch besonders wenig anfälligen Anordnung von Hitzeschildelement, Strömungselement und Brennkammerwand. Ferner erleichtert der Formschluss zwischen Brennkammerwand und Strömungselement die Montage und ermöglicht ein präzises Anbringen des Strömungselements in eine vorbestimmte Position, so dass das Strömungselement die gewünschte Kühlaufgabe im Innenraum erfüllen kann.In a particularly preferred embodiment, the flow element positively attached to the combustion chamber wall. The positive connection leads to one with regard to vibrations arrangement of the heat shield element which is particularly mechanically insensitive, Flow element and combustion chamber wall. Further the positive fit between the combustion chamber wall and Flow element assembly and enables precise attachment the flow element into a predetermined position, so that the flow element in the desired cooling task Interior can meet.

Für einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad der Brennkammer wird vorteilhafterweise der Wärmeeintrag in das Kühlmittel für den eigentlichen Energieumwandlungsprozess in der Brennkammer zurückgewonnen. Dazu ist vorteilhafterweise eine Einspeisung der bei der Brennkammerkühlung erwärmten, als Kühlmittel im Innenraum verwendeten Kühlluft in die Brennkammer vorgesehen, wobei die vorgewärmte Kühlluft als ausschließliche oder zusätzliche Verbrennungsluft dienen kann. Um das abströmende Kühlmittel in diesem Sinne dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer zuzuführen, ist der Innenraum strömungstechnisch vorzugsweise ausgangsseitig mit einem Sammelraum verbunden, der seinerseits luftseitig der Brennkammer vorgeschaltet ist. Über diesen kann das erwärmte Kühlmittel erforderlichenfalls durch eine Drosseleinrichtung mit dem übrigen Verdichtermassenstrom vermischt und dem Verbrennungsprozess zugeführt werden, so dass eine geschlossene Luftkühlung erreicht ist.For a particularly high overall efficiency of the combustion chamber advantageously the heat input into the coolant for the actual energy conversion process in the combustion chamber recovered. This is advantageously a feed those heated during the combustion chamber cooling as a coolant cooling air used in the interior into the combustion chamber provided, the preheated cooling air as the exclusive or additional combustion air can serve. To the outflow Coolant in this sense is the combustion process in the combustion chamber, the interior is fluid preferably on the output side with a collecting space connected, which in turn upstream of the combustion chamber is. Via this, the heated coolant can if necessary through a throttle device with the rest Compressor mass flow mixed and the combustion process are supplied so that closed air cooling is achieved is.

Bevorzugt ist das Strömungselement zur gezielten Einstellung des Kühlmittelstroms im Innenraum mit der Brennkammerwand lösbar verbunden. Die Verbindung kann z.B. durch eine Schraubverbindung erreicht sein, wobei die Befestigung des Strömungselements von außen durch die Brennkammerwand oder von Innen, d.h. innerhalb des Innenraums erfolgt. Die Verbindung kann aber auch durch eine Verhakung erreicht sein. Das Hitzeschildelement und die Brennkammerwand weisen zum Erreichen einer lösbaren Verbindung entsprechende Verbindungs- bzw. Befestigungselemente auf.The flow element is preferred for targeted adjustment of the coolant flow in the interior with the combustion chamber wall releasably connected. The connection can e.g. by a Screw connection can be reached, the attachment of the Flow element from the outside through the combustion chamber wall or from the inside, i.e. is done inside. The connection but can also be achieved by snagging. The The heat shield element and the combustion chamber wall point towards it connection corresponding to a detachable connection or fasteners.

Weiter bevorzugt ist das Strömungselement aus Metall, insbesondere ein Metallblech oder eine Metalltafel oder ein metallisches Formteil, z.B. ein Gußteil.The flow element is further preferably made of metal, in particular a metal sheet or a metal plate or a metallic one Molded part, e.g. a casting.

Die oben genannte Brennkammer ist vorzugsweise Bestandteil einer Gasturbine.The above-mentioned combustion chamber is preferably a component a gas turbine.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:

FIG 1
einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2
einen Schnitt durch eine Brennkammer,
FIG 3
in einer Schnittansicht einen Ausschnitt der Brennkammer im Bereich der Brennkammerwand mit einem Strömungselement,
FIG 4
in einer Schnittansicht einen Ausschnitt der Brennkammer mit gegenüber Fig. 3 modifiziertem Strömungselement,
FIG 5
in einer perspektivischen Darstellung ein Hitzeschildelement,
FIG 6
eine Ansicht des in Figur 5 dargestellten Hitzeschildelements entlang dessen Längsachse auf die Stirnseite, und
FIG 7
in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Ausschnitt einer Brennkammerwand mit Hitzeschildelement und mit Strömungselement.
The invention is explained in more detail below with reference to a drawing. In a simplified and not to scale representation:
FIG. 1
a half-section through a gas turbine,
FIG 2
a section through a combustion chamber,
FIG 3
in a sectional view a section of the combustion chamber in the region of the combustion chamber wall with a flow element,
FIG 4
3 shows a sectional view of a section of the combustion chamber with the flow element modified compared to FIG. 3,
FIG 5
a perspective view of a heat shield element,
FIG 6
a view of the heat shield element shown in Figure 5 along its longitudinal axis on the front side, and
FIG 7
a perspective exploded view of a section of a combustion chamber wall with heat shield element and with flow element.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.The same parts have the same reference symbols in all the figures Mistake.

Die Gasturbine 1 gemäß Fig. 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.The gas turbine 1 according to FIG. 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine. To do this are the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also called Turbine rotor designated turbine shaft 8 arranged with which also connects the generator or the working machine is, and which is rotatably mounted about its central axis 9. The Combustion chamber 4 designed in the manner of an annular combustion chamber is with a number of burners 10 for burning one liquid or gaseous fuel.

Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden heißen Medium, dem Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12. The blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades. Farther The turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are. The blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transfer of momentum from the turbine 6 hot medium flowing through, the working medium M. The guide vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between two in the flow direction of the Working medium M seen successive rows of blades or blade rings. A successive Pair of a ring of guide vanes 14 or a row of guide vanes and from a ring of blades 12 or A row of blades is also referred to as a turbine stage.

Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.Each guide vane 14 has one which is also referred to as a blade root Platform 18, which is used to fix the respective guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged. The platform 18 is a thermal comparison heavily loaded component that the outer boundary a heating gas channel for the one flowing through the turbine 6 Working medium M forms. Each blade 12 is analog Way over a platform 20 also referred to as a blade root attached to the turbine shaft 8.

Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützt.Between the spaced platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes is a respective guide ring 21 on the inner housing 16 of the Turbine 6 arranged. The outer surface of each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite to it 12 spaced by a gap. The one between neighboring Guide rings 21 arranged guide vane rows serve in particular as cover elements that cover the inner wall 16 or other housing installation parts before a thermal Overuse by the hot flowing through the turbine 6 Working medium M protects.

Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer 4 als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einen gemeinsamenringförmigen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als entsprechend ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.The combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, a combustion chamber wall 24 being formed on the combustion chamber side is. In the exemplary embodiment, the combustion chamber 4 is as so-called annular combustion chamber designed in which a variety of arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 Burners 10 in a common annular Open the combustion chamber. For this purpose, the combustion chamber 4 is in its Designed as a ring structure, which is positioned around the turbine shaft 8.

Zur weiteren Verdeutlichung der Ausführung der Brennkammerwand 24 ist in Fig. 2 die Brennkammer 4 im Schnitt dargestellt, die sich torusartig um die Turbinenwelle 8 herum fortsetzt. Wie in der Darstellung erkennbar ist, weist die Brennkammer 4 einen Anfangs- oder Einströmabschnitt auf, in den endseitig der Auslass des jeweils zugeordneten Brenners 10 mündet. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen verengt sich sodann der Querschnitt der Brennkammer 4, wobei dem sich einstellenden Strömungsprofil des Arbeitsmediums M in diesem Raumbereich Rechnung getragen ist. Ausgangsseitig weist die Brennkammer 4 im Längsschnitt eine Krümmung auf, durch die das Abströmen des Arbeitsmediums M aus der Brennkammer 4 in einer für einen besonders hohen Impuls- und Energieübertrag auf die strömungsseitig gesehen nachfolgende erste Laufschaufelreihe begünstigt ist. Das Arbeitsmedium M wird beim Durchströmen der Brennkammer von einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Brennerachse 39 in eine Richtung parallel zur Mittelachse 9 umgelenkt.To further clarify the design of the combustion chamber wall 24, the combustion chamber 4 is shown in section in FIG. 2, which is toroidal around the turbine shaft 8 continues. As can be seen in the illustration, the Combustion chamber 4 has an initial or inflow section, in the end of the outlet of the associated burner 10 flows. Seen in the direction of flow of the working medium M. the cross section of the combustion chamber 4 then narrows, where the emerging flow profile of the working medium M is taken into account in this area. On the output side the combustion chamber 4 has a curvature in longitudinal section on, through which the outflow of the working medium M from the Combustion chamber 4 in one for a particularly high pulse and Energy transfer to the following downstream first row of blades is favored. The working medium M is flowed through the combustion chamber from one direction in the Essentially parallel to the burner axis 39 in one direction deflected parallel to the central axis 9.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 26 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Die Hitzeschildelemente 26 sind über Befestigungsmittel 37 an der Brennkammerwand 24 unter Belassung eines Spalts befestigt, dessen Spaltmaß zugleich der Abmessung des Innenraums 27 senkrecht zur Brennkammerwand 24 entspricht. Jedes Hitzeschildelement 26 ist arbeitsmediumsseitig, das heißt auf dessen Heißseite 35, mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht 31 ausgestattet. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die Hitzeschildelemente 26 ein Kühlsystem vorgesehen. Das Kühlsystem basiert dabei auf dem Prinzip der konvektiven Kühlung, bei dem Kühlmittel, z.B. Kühlluft, entlang einer Oberfläche des zu kühlenden Bauteils geführt wird. Alternativ kann das Kühlsystem für eine Prallkühlung ausgelegt sein, bei dem Kühlluft als Kühlmittel K unter ausreichend hohem Druck an einer Vielzahl von Stellen an das zu kühlende Bauteil senkrecht einer Bauteiloberfläche geblasen wird.To achieve a comparatively high efficiency the combustion chamber 4 for a comparatively high temperature of the working medium M from about 1200 ° C to 1500 ° C. This also applies to these operating parameters, which are unfavorable for the materials to enable a comparatively long operating time is the combustion chamber wall 24 on the working medium M facing side with one made of heat shield elements 26 provided combustion chamber lining. The heat shield elements 26 are on fasteners 37 on the Combustion chamber wall 24 fastened leaving a gap, whose gap dimension also corresponds to the dimension of the interior 27 perpendicular to the combustion chamber wall 24. Any heat shield element 26 is on the working medium side, that is on its side Hot side 35, with a particularly heat-resistant Protective layer 31 equipped. Because of the high temperatures inside the combustion chamber 4 is also for the heat shield elements 26 a cooling system is provided. The cooling system is based on the principle of convective cooling, at the coolant, e.g. Cooling air, along a surface of the is led to the cooling component. Alternatively, the cooling system be designed for impingement cooling, in which cooling air as a coolant K under sufficiently high pressure on a large number from places to the component to be cooled vertically Component surface is blown.

Das Kühlsystem ist bei einem einfachen Aufbau für eine zuverlässige, flächendeckende Beaufschlagung der Hitzeschildelemente 26 mit Kühlluft K und zudem für einen besonders geringen Kühlmitteldruckverlust ausgelegt. Dazu werden die Hitzeschildelemente 26 von ihrer Kaltseite 33 durch die Kühlluft K gekühlt, die einem zwischen dem Hitzeschildelement 26 und der Brennkammerwand 24 gebildeten Zwischenraum 27 durch geeignete - nicht näher dargestellte Zufuhrleitungen - zugestellt wird und je nach Kühlmechanismus auf bzw. entlang der Kaltseite 33 eines jeweiligen Hitzeschildelements 26 geleitet wird.The cooling system is simple in construction for reliable, Comprehensive exposure to the heat shield elements 26 with cooling air K and also for a particularly low one Coolant pressure drop designed. For this, the heat shield elements 26 from its cold side 33 through the cooling air K cooled, the one between the heat shield element 26 and the Combustion chamber wall 24 formed space 27 by suitable - Not shown supply lines - is delivered and depending on the cooling mechanism on or along the cold side 33 of a respective heat shield element 26 is passed.

Hierbei wird das Prinzip der sehr vorteilhaften geschlossenen Luftkühlung angewendet. Nach Abschluss der Kühlaufgabe an den Hitzeschildelementen 26 wird die erwärmte Luft vollständig zur Verbrennung im Brenner 10 genutzt und die mitgeführte Wärme ebenfalls rückgeführt; die geschlossene Luftkühlung ermöglicht somit höhere Leistungen/Wirkungsgrade sowie niedrigere NOx-Emissionen als z.B. die offene Luftkühlung. Bei der offenen Luftkühlung wird die "kalte" Kühlluft dem Heizgasstrom stromab der Verbrennung zugemischt, was zu einer niedrigeren Gasturbinen-Effizienz und höheren Schadstoffwerten führt.The principle of very advantageous closed air cooling is applied here. After completion of the cooling task on the heat shield elements 26, the heated air is completely used for combustion in the burner 10 and the heat carried along is likewise returned; The closed air cooling thus enables higher performance / efficiency and lower NO x emissions than, for example, the open air cooling. In the case of open air cooling, the "cold" cooling air is mixed with the heating gas flow downstream of the combustion, which leads to lower gas turbine efficiency and higher pollutant values.

Für einen sowohl temperaturbeständigen als auch schwingungsresistenten Aufbau der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 ist eine Brennkammerauskleidung mit einer einer Anzahl von von temperaturfesten und formversteiften Hitzeschildelementen 26 vorgesehen. Auf diese Weise ist eine vollflächige weitgehend leckagefreie Brennkammerauskleidung in dem Ringraum gebildet, ein sogenannter Brennkammerliner.For both temperature-resistant and vibration-resistant Structure of the ring combustion chamber Combustion chamber 4 is a combustion chamber lining with a one Number of temperature-resistant and stiffened heat shield elements 26 provided. This is a full-surface largely leak-free combustion chamber lining in the annulus, a so-called combustion chamber liner.

In dem zwischen Hitzeschildelement 26 und Brennkammerwand 24 gebildeten Innenraum 27 ist ein Strömungselement 49 eingefügt. Dieses ist formschlüssig an der Brennkammerwand 24 befestigt, z.B. mittels einer geeigneten Verhakung oder einer Schraubverbindung. Das Strömungselement 49 ist dabei so angeordnet, dass ein thermisch hochbelasteter erster Wandabschnitt 47A des Hitzeschildelements 26, wie hier gezeigt in der Nähe des Brenners 10, verstärkt kühlbar ist. Das Strömungselement 49 bewirkt im Innenraum 27 einen Strömungskanal 51 für das Kühlmittel K mit gegenüber stromauf des Strömungselements 49, das heißt im Bereich des gegenüber dem ersten Wandabschnitt 47A weniger thermisch belasteten Wandabschnitts 47B, reduziertem Strömungsquerschnitt. Dies führt zu einer gezielt einstellbaren lokalen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Strömungskanal 51 und damit zu einem gesteigerten Wärmetransfer vom thermisch hochbelasteten Wandabschnitt 47A auf das Kühlmittel K.In the between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24 formed interior 27, a flow element 49 is inserted. This is positively attached to the combustion chamber wall 24, e.g. by means of a suitable hooking or Screw connection. The flow element 49 is arranged so that a thermally highly stressed first wall section 47A of the heat shield member 26 as shown here in FIG the vicinity of the burner 10, is increasingly coolable. The flow element 49 causes a flow channel in the interior 27 51 for the coolant K with upstream of the flow element 49, that is in the area of the first Wall section 47A less thermally stressed wall section 47B, reduced flow cross section. This leads to a selectively adjustable local increase in flow velocity of the coolant in the flow channel 51 and thus to one increased heat transfer from the thermally highly stressed Wall section 47A on the coolant K.

Dabei können die formschlüssigen Strömungselemente 49 auf der Brennkammerwand 24 vorteilhafterweise auch nachträglich, d.h. im Zuge einer Revisionsmaßnahme einer bereits bestehenden Brennkammer 4, entweder von außen durch das Gehäuse 29 oder auch von Innen an der Brennkammerwand 24 angebracht werden. The positive flow elements 49 on the Combustion chamber wall 24 advantageously also subsequently, i.e. as part of a revision of an existing one Combustion chamber 4, either from the outside through the housing 29 or can also be attached from the inside to the combustion chamber wall 24.

FIG 3 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt der Brennkammer 4 im Bereich der Brennkammerwand 24 mit einem Strömungselement 49. Das Hitzeschildelement 26 ist von der Brennkammerwand 24 beabstandet und bildet einen mit einem Kühlmittel K beaufschlagbaren Innenraum 27. In dem Innenraum 27 ist ein Strömungselement 49 zur gezielten Einstellung eines Kühlmittelstroms eingefügt. Das Strömungselement 49 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quaderförmig und auf der Brennkammerwand 24 formschlüssig angebracht. Hierdurch wird im Bereich des Strömungselements 49 eine Verringerung des Strömungsquerschnitts für den Kühlmittelstrom erreicht, wobei durch das Strömungselement 49 ein Strömungskanal 51 für Kühlmittel K gebildet ist, in dem die Strömungsgeschwindigkeit v1 des Kühlmittelstroms gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit v0 stromauf des Strömungselements 49 erhöht ist. Durch die lokale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal 51 ist ein erhöhter Wärmetransfer von der Heißseite 35 des Hitzeschildelements 26 auf das Kühlmittel K, beispielsweise Kühlluft, bewirkt. Ein thermisch besonders hoch belasteter Wandabschnitt 47a des Hitzeschildelements 26 kann somit gezielt lokal mit höherer Kühlungsleistung gekühlt werden. Das Strömungselement 49 ermöglicht eine Kühlungsanpassung, wobei das Spaltmaß im Innenraum 27 zwischen der Kaltseite 33 und der Brennkammerwand 24 im Hinblick auf die Kühlungsanforderung angepasst wird. Zusätzlich kann das Hitzeschildelement 26 für eine Beaufschlagung mit sehr heißen Verbrennungsgasen auf der Heißseite 35 eine hochtemperaturbeständige Schutzschicht aufweisen. Eine solche Schutzschicht 31 kann beispielsweise eine keramische Wärmedämmschicht sein.3 shows a sectional view of a section of the combustion chamber 4 in the region of the combustion chamber wall 24 with a flow element 49. The heat shield element 26 is spaced apart from the combustion chamber wall 24 and forms an interior space 27 which can be acted upon with a coolant K. A flow element 49 is provided in the interior space 27 targeted setting of a coolant flow inserted. In the exemplary embodiment shown, the flow element 49 is essentially cuboid and positively attached to the combustion chamber wall 24. As a result, a reduction in the flow cross section for the coolant flow is achieved in the region of the flow element 49, a flow channel 51 for coolant K being formed by the flow element 49, in which the flow velocity v 1 of the coolant flow is increased compared to the flow velocity v 0 upstream of the flow element 49. The local increase in the flow velocity in the flow channel 51 causes an increased heat transfer from the hot side 35 of the heat shield element 26 to the coolant K, for example cooling air. A thermally particularly highly stressed wall section 47a of the heat shield element 26 can thus be locally cooled with a higher cooling capacity. The flow element 49 enables a cooling adaptation, the gap dimension in the interior 27 between the cold side 33 and the combustion chamber wall 24 being adapted with regard to the cooling requirement. In addition, the heat shield element 26 can have a high-temperature resistant protective layer on the hot side 35 for exposure to very hot combustion gases. Such a protective layer 31 can be, for example, a ceramic thermal barrier coating.

Gegenüber der FIG 3 zeigt die FIG 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem modifizierten Strömungselement 49, welches in den Innenraum 27 eingefügt ist. Der durch das Strömungselement 49 im Innenraum 27 gebildete Strömungskanal 51 für das Kühlmittel K variiert in Strömungsrichtung. Der Strömungsquerschnitt im Strömungskanal 51 nimmt in Strömungsrichtung zunächst kontinuierlich ab und erreicht einen Wert, der in der Folge für einen gewissen Strömungsweg konstant bleibt, um danach wieder auf einen größeren Strömungsquerschnitt anzuwachsen. Dieses näherungsweise keilförmige Profil des Strömungselement 49 führ im Bereich des linearen Anstiegs zu einer entsprechend proportional anwachsenden Strömungsgeschwindigkeit v1 im Strömungskanal 51. Durch konstruktive Auslegung und geometrische Formgebung des Strömungselements 49 kann demzufolge auf einfache Art und Weise eine Anpassung an die jeweilige Kühlungsaufgabe im Innenraum 27 erfolgen.Compared to FIG. 3, FIG. 4 shows an exemplary embodiment with a modified flow element 49, which is inserted into the interior 27. The flow channel 51 for the coolant K formed by the flow element 49 in the interior 27 varies in the flow direction. The flow cross section in the flow channel 51 initially decreases continuously in the flow direction and reaches a value which subsequently remains constant for a certain flow path, in order to then increase again to a larger flow cross section. This approximately wedge-shaped profile of the flow element 49 leads in the area of the linear rise to a correspondingly proportionally increasing flow velocity v 1 in the flow channel 51. The structural design and geometric shape of the flow element 49 can consequently be adapted in a simple manner to the respective cooling task in the interior 27 respectively.

Für einen sowohl temperaturbeständigen als auch schwingungsresistenten Aufbau der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 ist eine Brennkammerauskleidung mit einer Anzahl von in einer bevorzugten Ausgestaltung, wie nachstehend anhand der Fig. 5 und Fig. 6 näher beschrieben, sowohl temperaturfesten als auch formversteiften Hitzeschildelementen 26 vorgesehen. Auf diese Weise ist eine vollflächige weitgehend leckagefreie Brennkammerauskleidung in dem Ringraum gebildet, ein sogenannter Brennkammerliner, welcher mittels des Strömungselements 49 im Innenraum 27 überdies besonders effizient, weil lokal gezielt, kühlbar ist.For both temperature-resistant and vibration-resistant Structure of the ring combustion chamber Combustion chamber 4 is a combustion chamber liner with a number in a preferred embodiment, as below described in more detail with reference to FIGS. 5 and 6, both temperature-resistant as well as stiffened heat shield elements 26 intended. In this way, a full area is largely leak-free combustion chamber lining formed in the annulus, a so-called combustion chamber liner, which by means of the flow element 49 in the interior 27 also particularly efficient, because it can be cooled locally.

Das Schwingungsverhalten des Hitzeschildelements 26 ist hierbei durch eine gezielte geometrische Konturgebung günstig beeinflusst, so dass die Eigenschwingungsmoden des Hitzeschildelements 26 gegenüber der Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung erhöht ist. Resonanzeffekte durch positive Rückkopplung können somit vermieden werden. Zur Illustration zeigt Fig. 5 in vereinfachter perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Hitzeschildelements 26 sowie Fig. 6 eine etwas vergrößerte Ansicht der Stirnseitenfläche des in Figur 5 dargestellten Hitzeschildelements 26. Das Hitzeschildelement 26 erstreckt sich entlang einer Längsachse 43 und einer senkrecht zur Längsachse 43 verlaufenden Querachse 45. Das Hitzeschildelement 26 umfasst eine Wand 47, die eine Heißseite 35 mit einer von dem heißen Arbeitsmedium M beaufschlagbaren Heißseitenoberfläche 55 aufweist. Der Heißseite 35 der Wand 47 gegenüberliegend ist eine Kaltseite 33 vorgesehen. Die Wand 47 weist zwei Wandabschnitte 47A, 47B auf, wobei ein erster Wandabschnitt 47A einem zweiten Wandabschnitt 47B entlang der Längsachse 43 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M vorgeordnet ist. Weiterhin ist der zweite Wandabschnitt 47B gegenüber dem ersten Wandabschnitt 47A in Richtung der Heißseite 35 geneigt, so dass der zweite Wandabschnitt 47B einen Neigungswinkel mit der Längsachse 43 bildet. Die Neigung ist dabei so eingestellt, dass eine konstruktive Anpassung zur Auskleidung einer Brennkammerwand 24 (vgl. Figur 2) erreicht ist. Auf der Heißseitenoberfläche 55 sind im ersten Wandabschnitt 47A Oberflächenbereiche 57A, 57B gebildet. Die Oberflächenbereiche 57A, 57B weisen jeweils entlang der Längsachse 43 und entlang der Querachse 45 eine nicht-planare, das heißt gekrümmte Oberflächenkontur auf. Der Oberflächenbereich 57A ist dabei in Richtung der Querachse 45 konkav gekrümmt und in Richtung der Längsachse 45 konvex gekrümmt, so dass im Oberflächenbereich 57A eine Sattelfläche 59 mit einem Sattelpunkt Ps gebildet ist. Der zweite Oberflächenbereich 57B weist eine sphärisch Oberflächenkontur auf und ist entlang der Längsachse 43 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M, z.B. des heißen Verbrennungsgases, dem Oberflächenbereich 57A nachgeordnet, wobei der Oberflächenbereich 57A in den zweiten Oberflächenbereich 57B über einen Übergangsbereich 61 übergeht.The vibration behavior of the heat shield element 26 is favorably influenced by a targeted geometric contour, so that the natural vibration modes of the heat shield element 26 are increased compared to the excitation frequency of a combustion vibration. Resonance effects through positive feedback can thus be avoided. For illustration, FIG. 5 shows a simplified perspective illustration of an exemplary embodiment of a heat shield element 26 and FIG. 6 shows a somewhat enlarged view of the end face of the heat shield element 26 shown in FIG. 5. The heat shield element 26 extends along a longitudinal axis 43 and a transverse axis running perpendicular to the longitudinal axis 43 45. The heat shield element 26 comprises a wall 47 which has a hot side 35 with a hot side surface 55 which can be acted upon by the hot working medium M. A cold side 33 is provided opposite the hot side 35 of the wall 47. The wall 47 has two wall sections 47A, 47B, a first wall section 47A being arranged upstream of a second wall section 47B along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M. Furthermore, the second wall section 47B is inclined relative to the first wall section 47A in the direction of the hot side 35, so that the second wall section 47B forms an inclination angle with the longitudinal axis 43. The inclination is set so that a structural adjustment to the lining of a combustion chamber wall 24 (see FIG. 2) is achieved. Surface regions 57A, 57B are formed on the hot side surface 55 in the first wall section 47A. The surface regions 57A, 57B each have a non-planar, that is to say curved, surface contour along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45. The surface area 57A is concavely curved in the direction of the transverse axis 45 and convexly curved in the direction of the longitudinal axis 45, so that a saddle surface 59 with a saddle point P s is formed in the surface area 57A. The second surface region 57B has a spherical surface contour and is arranged along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M, for example the hot combustion gas, downstream of the surface region 57A, the surface region 57A merging into the second surface region 57B via a transition region 61.

Durch die Formgebung durch Oberflächenkonturierung in den Oberflächenbereich 57A, 57B des ersten Wandabschnitts 47A ist eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Steifigkeit des Hitzeschildelements 26 erreicht. Dadurch werden die Eigenschwingungsmoden des Hitzeschildelements 26 gegenüber der Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung gezielt beeinflusst. Die Erhöhung der Steifigkeit des Hitzeschildelements 26 erfolgt durch Formversteifung und führt unmittelbar zu einer Erhöhung der Eigenmode gegenüber der maßgeblichen Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung. Aufgrund dieser Erhöhung der Steifigkeit durch geometrische Ausgestaltung der Heißseitenoberfläche bei der Erfindung ist das Hitzeschildelement 26 den konventionellen planaren Hitzeschildelementen deutlich überlegen. Dabei ist eine zweidimensionale gekrümmte Oberflächenkontur, d.h. sowohl entlang der Längsachse 43 als auch entlang der Querachse 45 dem Oberflächenbereich 57A, 57B aufgeprägt. Eine gekrümmte Oberflächenkontur kann dabei auch auf der Kaltseite 33 oder auf den Oberflächen im zweiten Wandabschnitt47B aufgeprägt sein, wo dies zu einer weiteren Verbesserung des Schwingungsverhaltens im Hinblick auf eine geringe Anfälligkeit gegenüber Resonanzanregung durch übliche Verbrennungsschwingungsfrequenzen führt. Es hat sich allerdings überraschenderweise gezeigt, dass bereits eine ausreichende Formversteifung durch eine zweidimensionale Oberflächenkonturierung der Heißseitenoberfläche 55 im ersten Wandabschnitt gute Ergebnisse liefert. So weist ein herkömmliches - im Wesentlichen planares - Hitzeschildelement eine typische Eigenfrequenz bei z.B. 380 Hz auf, wohingegen durch die Konturgebung gemäß der Erfindung bei ansonsten gleichen Abmessungen eine Erhöhung der Eigenfrequenz auf 440 Hz erreicht werden konnte. Bereits konkave und/oder konvexe Oberflächenkonturen mit nur geringen Krümmungsradien bewirken eine Erhöhung der Steifigkeit des Hitzeschildelements 26.By shaping through surface contouring in the surface area 57A, 57B of the first wall portion 47A an improvement in mechanical properties, in particular reached the rigidity of the heat shield element 26. Thereby become the natural vibration modes of the heat shield element 26 compared to the excitation frequency of a combustion oscillation deliberately influenced. The increase in stiffness of the heat shield element 26 is carried out by stiffening and leads directly to an increase in the mode of wear the relevant excitation frequency of a combustion oscillation. Because of this increase in rigidity due to geometric Design of the hot side surface in the invention is the heat shield element 26 the conventional planar Clearly superior to heat shield elements. There is one two-dimensional curved surface contour, i.e. either along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45 surface area 57A, 57B. A curved one Surface contour can also on the cold side 33 or stamped on the surfaces in the second wall portion 47B be where this leads to a further improvement in vibration behavior in terms of low susceptibility to Resonance excitation through the usual combustion vibration frequencies leads. It has, however, surprisingly demonstrated that sufficient stiffening through a two-dimensional surface contouring of the hot side surface 55 delivers good results in the first wall section. A conventional - essentially planar - Heat shield element a typical natural frequency at e.g. 380 Hz, whereas the contouring according to the invention with otherwise the same dimensions, an increase in the natural frequency could be reached to 440 Hz. Already concave and / or convex surface contours with only small radii of curvature cause an increase in the rigidity of the heat shield element 26th

Die Ausgestaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 mit einer Kombination von Sattelflächenkontur im Oberflächenbereich 57A und sphärisch-konkaver Oberflächenkontur im Oberflächenbereich 57B erweist sich als besonders günstig. Durch diese Ausformung der Heißseitenoberfläche 45 ist in Richtung der Längsachse linear betrachtet eine S-förmige Kontur im ersten Wandabschnitt 47A erreicht, wohingegen der zweite Wandabschnitt 47B weitgehend planar ausgestaltet ist. Hierdurch wird beim Einsatz des Hitzeschildelements 26 in einer Brennkammer 4 eine günstige Strömungsführung des Arbeitsmediums M erzielt. Insbesondere bei einer Ringbrennkammer einer Gasturbine wird - wie in Figur 2 gezeigt - eine besonders gleichmäßige und strömungsverlustarme Umlenkung des heißen Arbeitsmediums M mit nachfolgender Einströmung in die Turbinenbeschaufelung erreicht. Durch die S-Form ist überdies eine direkte Flammeneinwirkung auf die Heißseitenoberfläche 55 vermieden. Ferner wird durch diese Oberflächenkontur ein verbessertes Überströmen des Arbeitsmediums M entlang der Heißseitenoberfläche 55 von dem ersten Wandabschnitt 47A zu dem zweiten Wandabschnitt 47B bewirkt.The configuration according to the exemplary embodiment in FIG. 5 with a combination of saddle surface contour in the surface area 57A and spherical-concave surface contour in the surface area 57B proves to be particularly cheap. By this shape of the hot side surface 45 is in the direction viewed linearly along the longitudinal axis, an S-shaped contour in reaches first wall section 47A, whereas the second Wall section 47B is largely planar. hereby is when using the heat shield element 26 in a Combustion chamber 4 a favorable flow of the working medium M scored. Especially in the case of an annular combustion chamber As shown in Figure 2, gas turbine becomes a special one even and low flow loss redirection of the hot Working medium M with subsequent inflow into the turbine blades reached. The S shape also makes it one direct flame impact on the hot side surface 55 avoided. Furthermore, this surface contour improves Overflow of the working medium M along the hot side surface 55 from the first wall portion 47A to the second wall portion 47B.

Um das Hitzeschildelement 26 besonders beständig gegenüber der Beaufschlagung mit heißem Arbeitsmedium M auszugestalten, ist auf dessen Heißseite 35 eine hitzebeständige Schutzschicht 31 aufgebracht, z.B. eine keramische hochtemperaturresistente Wärmedämmschicht. Zu Kühlungszwecken ist auf der Kaltseite 33 eine Kühloberfläche 53 gebildet, die mit einem Kühlmittel K, z.B. Kühlluft, beaufschlagt wird. Der Kühlmittelstrom des Kühlmittels K wird dabei gezielt eingestellt, indem im Einbaufall das oder jedes Hitzeschildelement 26 einen mit dem Kühlmittel K beaufschlagbaren Innenraum 27 bildet (vgl. Figuren 2, 3 und 4), in dem ein Strömungselement 49 eingefügt ist. Somit ist beim Einsatz des Hitzeschildelements 26 zur Auskleidung einer Brennkammer 4 sowohl der Einschluss und die Strömungsführung des des heißen Arbeitsmediums M als auch der Schutz anderer, möglicherweise weniger hitzebeständiger Bauteile oder Komponenten, wie z.B. der Brennkammerwand 24, vor Überhitzung oder thermischer Zerstörung gewährleistet, wobei eine gezielte Kühlung der besonders temperaturbelasteten Bereiche bei Einsatz der Strömungselements 49 erreicht ist.To the heat shield element 26 particularly resistant to the exposure to hot working medium M, is a heat-resistant protective layer on its hot side 35 31 applied, e.g. a ceramic high temperature resistant Thermal barrier coating. For cooling purposes is on the Cold side 33 a cooling surface 53 formed with a Coolant K, e.g. Cooling air is applied. The coolant flow the coolant K is specifically adjusted by one or each heat shield element 26 in the installation case forms with the coolant K interior 27 (see FIGS. 2, 3 and 4) in which a flow element 49 is inserted. Thus, when using the heat shield element 26 for lining a combustion chamber 4 both the inclusion and the flow guidance of the hot working medium M as also protecting others, possibly less heat-resistant Parts or components, such as the combustion chamber wall 24, guaranteed against overheating or thermal destruction, targeted cooling of the particularly temperature-loaded Areas reached when using the flow element 49 is.

Mit einem formversteiften Hitzeschildelement 26 ist daher ein thermisch hochbelastbares und gut kühlbares Bauteil angegeben, mit dem auf einfache Weise eine flächige Auskleidung, insbesondere eine vollflächige Brennkammerauskleidung, realisierbar ist, die durch die Formversteifung zugleich besonders wenig anfällig gegenüber Verbrennungsschwingungen ist. With a stiffened heat shield element 26 is therefore a specified heat-resistant and coolable component, with which a flat lining is easily in particular, a complete combustion chamber lining, can be realized is special due to the stiffening of the shape is less susceptible to combustion vibrations.

Die FIG 7 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Ausschnitt einer Brennkammerwand 24 mit Hitzeschildelement 26 und mit Strömungselement 49. Das Hitzeschildelement 26 ist als einschaliger Hohlkörper mit einem Hohlraum 63 versehen. Der Hohlraum 63 öffnet sich in Richtung der Brennkammerwand 24, so dass in der Einbausituation das Strömungselement 49 von dem einschaligen Hohlkörper umfasst ist. Das Hitzeschildelement 26 weist einen ersten Wandabschnitt 47A und einen gegenüber dem ersten Wandabschnitt 47A geneigten zweiten Wandabschnitt 47B auf. Über Befestigungselemente 37 ist das Hitzeschildelement 26 auf der Brennkammerwand 24 befestigbar, z.B. durch eine Schraubverbindung, wobei einem Befestigungselement 37 eine Bohrung 65 in der Brennkammerwand 24 zugeordnet ist. Die Bohrung 65 kann dabei wahlweise auch als eine Gewindebohrung mit einem Gewinde ausgestaltet sein. Im Bereich der Befestigung des Hitzeschildelements 26 auf der Brennkammerwand 24 weist das Strömungselement 49 entsprechende Aussparungen 67 auf. Das Strömungselement 49 ist näherungsweise keilförmig ausgestaltet, um im Bereich des thermisch höher belasteten ersten Wandabschnitts 47A eine Strömungsgeschwindigkeitserhöhung des Kühlmittels K zu bewirken. Das Strömungselement 49 ist dabei mit der Brennkammerwand 24 lösbar verbunden, so dass ein Austausch oder eine Umrüstung mit anderen Strömungselementen 49 bei Änderung der Kühlaufgabe möglich ist. Das Anbringen des Strömungselements 49 erfolgt dabei unter Einhaltung eines Formschlusses zwischen dem Strömungselement 49 und der Brennkammerwand 49, um mechanische Stabilität einerseits und präzise Einstellung des Strömungsquerschnitts für das Kühlmittel K andererseits zu gewährleisten. Das Strömungselement 49 ist zur Befestigung an der Brennkammerwand mit Bohrungen 65 versehen, die ein Verschrauben von außen oder von innen an die Brennkammerwand 24 ermöglichen. Das Strömungselement 49 ist ein Metallteil, insbesondere ein Metallblech oder ein metallisches Formteil.7 shows an exploded perspective view a section of a combustion chamber wall 24 with a heat shield element 26 and with flow element 49. The heat shield element 26 is a single-shell hollow body with a Provided cavity 63. The cavity 63 opens in the direction the combustion chamber wall 24, so that in the installation situation Flow element 49 comprises the single-shell hollow body is. The heat shield element 26 has a first wall section 47A and one opposite the first wall portion 47A inclined second wall portion 47B. About fasteners 37 is the heat shield element 26 on the combustion chamber wall 24 attachable, e.g. through a screw connection, wherein a fastener 37 has a bore 65 in the Combustion chamber wall 24 is assigned. The bore 65 can optionally also designed as a threaded hole with a thread his. In the area of the attachment of the heat shield element 26 on the combustion chamber wall 24 has the flow element 49 corresponding recesses 67. The flow element 49 is approximately wedge-shaped in order to Area of the thermally more highly stressed first wall section 47A, an increase in the flow rate of the coolant K to effect. The flow element 49 is with the combustion chamber wall 24 releasably connected so that an exchange or retrofitting with other flow elements 49 in the event of a change the cooling task is possible. Attaching the flow element 49 takes place in compliance with a form fit between the flow element 49 and the combustion chamber wall 49, mechanical stability on the one hand and precise adjustment the flow cross-section for the coolant K on the other hand to ensure. The flow element 49 is for attachment provided on the combustion chamber wall with holes 65, the one Screw from the outside or from the inside to the combustion chamber wall 24 enable. The flow element 49 is a metal part, in particular a metal sheet or a metallic molded part.

Claims (9)

Brennkammer (4) für eine Gasturbine (1), deren Brennkammerwand (24) innenseitig mit einer von einer Anzahl von Hitzeschildelementen (26) gebildeten Auskleidung versehen ist, wobei das oder jedes Hitzeschildelement (26) mit der Brennkammerwand (24) einen mit einem Kühlmittel (K) beaufschlagbaren Innenraum (27) bildet, in dem ein Strömungselement (49) zur gezielten Einstellung eines Kühlmittelstroms eingefügt ist.Combustion chamber (4) for a gas turbine (1), the combustion chamber wall (24) on the inside with one of a number of heat shield elements (26) formed lining is provided, the or each heat shield element (26) with the combustion chamber wall (24) one with a coolant (K) Forms interior (27) in which a flow element (49) inserted for targeted adjustment of a coolant flow is. Brennkammer (4) nach Anspruch 1,
bei der durch das Strömungselement (49) ein Strömungskanal (51) für Kühlmittel (K) gebildet ist, in dem die Strömungsgeschwindigkeit (v1) des Kühlmittelstroms gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit (v0) stromauf des Strömungselements (49) erhöht ist.Combustion chamber (4) according to claim 1,
in which a flow channel (51) for coolant (K) is formed by the flow element (49), in which the flow velocity (v 1 ) of the coolant flow is increased compared to the flow velocity (v 0 ) upstream of the flow element (49). Brennkammer (4) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der einem Hitzeschildelement (26) ein jeweiliges Strömungselement (49) zur Kühlung eines thermisch hochbelasteten Wandabschnitts (47A) des Hitzeschildelements (26) zugeordnet ist.Combustion chamber (4) according to claim 1 or 2,
in which a heat shield element (26) is assigned a respective flow element (49) for cooling a thermally highly stressed wall section (47A) of the heat shield element (26). Brennkammer (4) nach Anspruch 3,
bei dem das Hitzeschildelement (26) ein einschaliger Hohlkörper mit einem Hohlraum (63) ist, in dem das Strömungselement (49) angeordnet ist.Combustion chamber (4) according to claim 3,
in which the heat shield element (26) is a single-shell hollow body with a cavity (63) in which the flow element (49) is arranged. Brennkammer (4) nach Anspruch 3 oder 4,
bei dem das Hitzeschildelement (26) einen Oberflächenbereich (57A, 57B) mit entlang einer Längsachse (43) und einer Querachse (45) gekrümmter Oberflächenkontur aufweist.Combustion chamber (4) according to claim 3 or 4,
in which the heat shield element (26) has a surface area (57A, 57B) with a surface contour curved along a longitudinal axis (43) and a transverse axis (45). Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der das Strömungselement(49) formschlüssig an der Brennkammerwand (24) angebracht ist. Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 5,
in which the flow element (49) is positively attached to the combustion chamber wall (24). Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der das Strömungselement (49) mit der Brennkammerwand (24) lösbar verbunden ist.Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 6,
in which the flow element (49) is detachably connected to the combustion chamber wall (24). Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
mit einem Strömungselement (49) aus Metall, insbesondere einem Metallblech oder einem metallischen Formteil.Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 7,
with a flow element (49) made of metal, in particular a metal sheet or a metallic molded part. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Gas turbine (1) with a combustion chamber (4) according to one of the Claims 1 to 8.
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