EP1636526A1 - Brennkammer - Google Patents

Brennkammer

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Publication number
EP1636526A1
EP1636526A1 EP04729621A EP04729621A EP1636526A1 EP 1636526 A1 EP1636526 A1 EP 1636526A1 EP 04729621 A EP04729621 A EP 04729621A EP 04729621 A EP04729621 A EP 04729621A EP 1636526 A1 EP1636526 A1 EP 1636526A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
flow
heat shield
coolant
wall
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.)
Granted
Application number
EP04729621A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1636526B1 (de
Inventor
Michael 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 EP04729621.5A priority Critical patent/EP1636526B1/de
Publication of EP1636526A1 publication Critical patent/EP1636526A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1636526B1 publication Critical patent/EP1636526B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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, the combustion chamber wall of which is provided on the inside with a lining formed by a number of heat shield elements, the or each heat shield element forming an interior space which can be acted upon by a coolant.
  • the invention further relates to a gas turbine with such a combustion chamber.
  • Combustion chambers are part of gas turbines, which are used in many areas to drive generators or work machines. The energy content becomes one
  • Fuel used to generate a rotational movement of a turbine shaft is burned by burners in the combustion chambers connected downstream of them, compressed air being supplied by an air compressor.
  • the combustion of the fuel creates a working medium under high pressure at a high temperature.
  • This working medium is fed into a turbine unit downstream of the combustion chambers, where it relaxes in a cooperative manner.
  • Each burner can be assigned a separate combustion chamber, the working medium flowing out of the combustion chambers being able to be brought together in front of or in the turbine unit.
  • the combustion chamber can also be designed in a so-called annular combustion chamber design, in which a plurality, in particular all, of the burners open into a common, usually annular combustion chamber.
  • the components and components exposed to this medium are exposed to high thermal loads.
  • the aim is usually to achieve the most uniform possible cooling of the components.
  • the combustion chamber wall is to page usually on its interior lined with heat shield elements, which can be provided with a particularly heat-resistant 'protective layers, and that are cooled by the actual combustion chamber wall.
  • a cooling method also known as "impingement cooling”
  • impingement cooling a coolant, usually cooling air, is supplied to the heat shield elements through a large number of bores in the combustion chamber wall, so that the coolant is essentially perpendicular to the combustion chamber wall.
  • the coolant that is heated up by the cooling process for example cooling air, is then discharged from the interior space that the combustion chamber wall forms with the heat shield elements so-called convective cooling is used.
  • the invention is based on the object of specifying a combustion chamber of the type mentioned above which, with a comparatively simple construction, is suitable for a particularly high system efficiency and at the same time the areas exposed to high temperatures can be effectively cooled. Furthermore, a gas turbine with the above-mentioned combustion chamber is to be specified.
  • this object is achieved according to the invention by a combustion chamber for a gas turbine, the combustion chamber wall of which is provided on the inside with a lining formed by a number of heat shield elements, the or each heat shield element forming a coolant-containing interior with the combustion chamber wall, in which a flow element is inserted for the targeted setting of a coolant flow.
  • the invention is based on the knowledge that after a structural design of a combustion chamber has been carried out, the geometry of the interior formed for cooling purposes is defined.
  • the interior space provided for this purpose is filled and flowed through substantially uniformly. It is not possible to adapt the cooling capacity to the actual local coolant requirement of a heat shield element. For this reason, the action on the interior for cooling the heat shield element is quite unspecific, since it cannot be adapted sufficiently flexibly to the respective actual local cooling requirements. Heat dissipation from the interior can be set within certain limits only by the total amount of coolant supplied to the intermediate space per time.
  • the invention shows for the first time a new way of adapting the cooling capacity to the local requirements in the interior.
  • a flow element By inserting a flow element, even after the combustion chamber has been designed, with defined 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 adjustment with regard to strength and flow direction such that the heat shield element can be cooled as required. This increases the cooling efficiency.
  • a flow channel for coolant is formed by the flow element, in which the flow speed of the coolant flow is increased compared to the flow speed upstream of the flow element.
  • the flow element arranged in the interior accordingly leads to a local increase in the flow rate of coolant in the flow channel. Accordingly, the increased flow rate locally results in increased heat transfer from the thermally highly stressed heat shield element to the coolant, for example cooling air.
  • the flow channel is advantageously delimited directly by a wall of the heat shield element to be cooled. The heat transfer into the coolant and the heat removal is favored by the increased flow rate.
  • the flow velocity is increased, for example, by locally reducing the flow cross section through the flow element in the interior.
  • a heat shield element is preferably assigned a respective flow element for cooling a thermally highly stressed wall section of the heat shield element. This ensures an individual, targeted setting of the coolant flow for each heat shield element for cooling, depending on the requirement.
  • the arrangement and the structural design of the flow element for cooling adaptation of a heat shield element is such that the flow channel for coolant thus formed supplies a wall section with increased temperature load during operation of the combustion chamber with coolant. Due to the increased speed in the flow channel, this wall section in particular is cooled more. In other wall sections, however, this is not necessary and a reduced flow speed is sufficient.
  • the heat shield element which can be cooled in this way can have a longitudinal axis and a transverse axis and comprises a wall with a hot side which has a hot side surface which can be acted upon by a hot medium, for example hot combustion gas, and a cold side opposite the hot side.
  • the cold side is the side of the heat shield element facing the combustion chamber and delimits the interior.
  • the heat shield element can comprise a first wall section and a second wall section adjoining the first wall section along a longitudinal axis.
  • the side of the heat shield element facing the interior forms a cold side of the wall sections to which the coolant is applied for cooling purposes.
  • the second wall section can be inclined towards the hot side in relation to the first wall section. Depending on the angle of inclination, different installation or operating situations of the heat shield element can thus be realized.
  • the heat shield element can be used as a segment of the gas turbine liner.
  • a large number of such heat shield elements can be used to cover the entire combustion chamber wall of the ring combustion chamber over the entire circumference of the ring combustion chamber.
  • the hot gas flow from the burner outlet must be deflected by an angle in the direction of the turbine.
  • the combustion chamber liner is provided for this deflection purpose. With a combustion chamber liner, which has one or more locally selectable heat shield elements, this is possible in a particularly simple manner.
  • the first wall section which faces the burner outlet and is directly exposed to the hot combustion gas on the hot side, requires an increased cooling capacity in order to ensure safe operation of the combustion chamber. With the invention, however, targeted cooling of this thermally highly stressed wall section of the heat shield element is guaranteed.
  • a heat shield element with an associated flow element is therefore particularly suitable for a heat-resistant combustion chamber lining, since the deflection angle and the local cooling power requirement can be adjusted to the respective circumstances due to the first and the second wall section inclined relative to it.
  • a particularly advantageous inflow of the hot gases generated by the combustion process into a turbine downstream of the combustion chamber can also be achieved.
  • 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 safely when the combustion chamber is being assembled 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 speeds 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 is positively attached to the combustion chamber wall.
  • the positive connection leads to an arrangement of the heat shield element, flow element and combustion chamber wall that is mechanically not particularly sensitive to vibrations. Furthermore, the positive connection between the combustion chamber wall and
  • Flow element assembly and enables a precise attachment of the flow element in a predetermined position, so that the flow element can perform the desired cooling task in the interior.
  • the heat input into the coolant for the actual energy conversion process in the combustion chamber is advantageously recovered.
  • the cooling air heated during the combustion chamber cooling and used as coolant in the interior is advantageously fed into the combustion chamber, the preheated cooling air being the exclusive before or additional combustion air can serve.
  • the interior in order to supply the outflowing coolant to the combustion process in the combustion chamber, the interior is fluidically preferably connected on the outlet side to a collecting space, which in turn is connected upstream of the combustion chamber on the air side.
  • the heated coolant can be mixed with the rest of the compressor mass flow via a throttle device and fed to the combustion process, so that closed air cooling is achieved.
  • the flow element is preferably detachably connected to the combustion chamber wall for the targeted adjustment of the coolant flow in the interior.
  • the connection can e.g. be achieved by a screw connection, 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 can also be achieved by hooking.
  • the heat shield element and the combustion chamber wall have corresponding connections or to achieve a detachable connection. Fasteners on.
  • the flow element is further preferably made of metal, in particular a metal sheet or a metal plate or a metallic molded part, e.g. a casting.
  • the above-mentioned combustion chamber is preferably part of a gas turbine.
  • 2 shows a section through a combustion chamber
  • 3 shows a sectional view of a section of the combustion chamber in the region of the combustion chamber wall with a flow element
  • FIG. 4 shows a sectional view of a section of the combustion chamber with the flow element modified compared to FIG. 3,
  • FIG. 6 shows a view of the heat shield element shown in FIG. 5 along its longitudinal axis on the end face
  • FIG. 7 shows a perspective exploded view of a section of a combustion chamber wall with a heat shield element and with a flow element.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator or a working machine (not shown).
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4, which is designed as an annular combustion chamber, is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine 6 has a number of rotatable rotor blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • 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 are also attached to an inner casing 16 of the turbine 6 in a ring shape, with the formation of rows of guide vanes.
  • the blades 12 are used to drive the turbine shaft 8 by transmitting momentum from the hot medium flowing through the turbine 6, the working medium M.
  • the guide blades 14, serve to guide the flow of the working medium M between two successive rows of blades or rotor blades as seen in the flow direction of the working medium M.
  • a successive pair of a ring of guide vanes 14 or a row of guide blades and a ring of rotor blades 12 or a row of rotor blades is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide vane 14 to the inner housing 16 of the turbine 6.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a heating gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6.
  • Each rotor blade 12 is fastened in an analogous manner to the turbine shaft 8 via a platform 20 which is also referred to as a blade root.
  • a guide ring 21 is arranged on the inner casing 16 of the turbine 6 between the spaced-apart platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes.
  • the outer surface of each guide ring 21 is also exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and is spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blade 12 lying opposite it by a gap.
  • the guide rings 21 arranged between adjacent rows of guide vanes serve in particular as cover elements which protect the inner wall 16 or other housing installation parts from thermal ones Overload by the hot working medium M flowing through the turbine 6 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.
  • the combustion chamber 4 is designed as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 10 arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 open into a common annular combustion chamber space.
  • the combustion chamber 4 is configured in its entirety as a corresponding ring-shaped structure which is positioned around the turbine shaft 8.
  • the combustion chamber 4 is shown in section in FIG. 2, which continues like a torus around the turbine shaft 8.
  • the combustion chamber 4 has an initial or inflow section into which the outlet of the respectively associated burner 10 opens.
  • the cross section of the combustion chamber 4 then narrows, the resulting flow profile of the working medium M being taken into account in this area.
  • the combustion chamber 4 has a curvature in longitudinal section through which the working medium M flows out of the
  • Combustion chamber 4 is favored in a first rotor blade row, which is downstream for a particularly high impulse and energy transfer, as seen on the flow side.
  • the working medium M When flowing through the combustion chamber, the working medium M is deflected from a direction essentially parallel to the burner axis 39 into a direction parallel to the central axis 9.
  • the combustion chamber 4 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of approximately 1200 ° C. to 1500 ° C.
  • the combustion chamber wall 24 is provided on its side facing the working medium M with a combustion chamber lining formed from heat shield elements 26.
  • the heat shield elements 26 are fastened to the combustion chamber wall 24 via fastening means 37, leaving a gap, the gap dimension of which at the same time corresponds to the dimension of the interior 27 perpendicular to the combustion chamber wall 24.
  • Each heat shield element 26 is equipped with a particularly heat-resistant protective layer 31 on the working medium side, that is to say on its hot side 35.
  • a cooling system is also provided for the heat shield elements 26.
  • the cooling system is based on the principle of convective cooling, in which coolant, for example cooling air, is guided along a surface of the component to be cooled.
  • the cooling system can be designed for impingement cooling, in which cooling air is blown as coolant K under sufficiently high pressure at a large number of points onto the component to be cooled, perpendicular to a component surface.
  • the cooling system is designed for a reliable, area-wide application of cooling air K to the heat shield elements 26 and also for a particularly low loss of coolant pressure.
  • the heat shield elements 26 are cooled from their cold side 33 by the cooling air K, which is supplied to an intermediate space 27 formed between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24 by suitable supply lines (not shown in more detail) and, depending on the cooling mechanism, on or along the cold side 33 of a respective heat shield element 26 is passed.
  • the closed air cooling thus enables higher performance / efficiency and low lower NO x emissions than, for example, open air cooling.
  • 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 liner For a temperature-resistant as well as vibration-resistant construction of the combustion chamber 4 designed as an annular combustion chamber, a combustion chamber lining with a number of temperature-resistant and dimensionally stiffened heat-shielding elements 26 is provided. In this way, a complete, largely leak-free combustion chamber lining is formed in the annular space, a so-called combustion chamber liner.
  • a flow element 49 is inserted in the interior space 27 formed between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24. This is positively attached to the combustion chamber wall 24, e.g. by means of a suitable hook or screw connection.
  • the flow element 49 is arranged in such a way that a thermally highly stressed first wall section 47A of the heat shield element 26, as shown here in the vicinity of the burner 10, can be cooled more intensely.
  • the flow element 49 effects in the interior 27 a flow channel 51 for the coolant K with upstream of the flow element 49, that is in the area of the opposite to the first
  • Wall section 47A less thermally stressed wall section 47B, reduced flow cross section. This leads to a selectively adjustable local increase in the flow rate of the coolant in the flow channel 51 and thus to an increased heat transfer from the thermally highly stressed wall section 47A to the coolant K.
  • the positive flow elements 49 on the combustion chamber wall 24 can advantageously also be attached to the combustion chamber wall 24 from the outside through the housing 29 or from the inside in the course of a revision measure of an already existing combustion chamber 4.
  • 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 x of the coolant flow increases compared to the flow velocity v 0 upstream of the flow element 49 is.
  • 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 insulation layer.
  • 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 direction of flow 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 x in the flow channel 51.
  • a combustion chamber lining with a number of heat-resistant as well as stiffened heat shield elements 26 is provided in a preferred embodiment, as described in more detail below with reference to FIGS. 5 and 6 , In this way, a full-surface, largely leak-free combustion chamber lining is formed in the annular space, a so-called combustion chamber liner, which is also particularly efficient by means of the flow element 49 in the interior 27 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 one perpendicular to the longitudinal axis 43 extending transverse axis 45.
  • the heat shield element 26 comprises a wall 47, the one Has 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 region 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 region 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.
  • the shape by surface contouring in the surface area 57A, 57B of the first wall section 47A improves the mechanical properties, in particular the rigidity, of the heat shield element 26.
  • the natural vibration modes of the heat shield element 26 are influenced in a targeted manner with respect to the excitation frequency of a combustion vibration.
  • the increase in the rigidity of the heat shield element 26 takes place by means of stiffening of the shape and leads directly to an increase in the mode of operation compared the relevant excitation frequency of a combustion oscillation. Because of this increase in rigidity due to the geometric configuration of the hot side surface in the invention, the heat shield element 26 is clearly superior to the conventional planar heat shield elements.
  • a two-dimensional curved surface contour is embossed on the surface region 57A, 57B both along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45.
  • a curved surface contour can also be embossed on the cold side 33 or on the surfaces in the second wall section 47B, where this leads to a further improvement in the vibration behavior with regard to a low susceptibility to resonance excitation due to conventional combustion vibration frequencies.
  • a sufficient stiffening of the shape by good two-dimensional surface contouring of the hot side surface 55 in the first wall section already gives good results.
  • a conventional - essentially planar - heat shield element has a typical natural frequency at, for example, 380 Hz, whereas an increase in the natural frequency to 440 Hz could be achieved by the contouring according to the invention with otherwise the same dimensions.
  • already concave and / or convex surface contours with only small radii of curvature increase the rigidity of the heat shield element 26.
  • the configuration according to the exemplary embodiment in FIG. 5 with a combination of a saddle surface contour in the surface region 57A and a spherically concave surface contour in the surface region 57B has proven to be particularly favorable.
  • This shape of the hot side surface 45 viewed linearly in the direction of the longitudinal axis, achieves an S-shaped contour in the first wall section 47A, whereas the second wall section 47B is largely planar.
  • the gas turbine achieves a particularly uniform and low flow loss deflection of the hot working medium M with subsequent inflow into the turbine blading.
  • the S shape also avoids direct flame exposure to the hot side surface 55.
  • this surface contour brings about an improved overflow of the working medium M along the hot side surface 55 from the first wall section 47A to the second wall section 47B.
  • a heat-resistant protective layer 31 is applied to its hot side 35, e.g. a ceramic high temperature resistant thermal barrier coating.
  • a cooling surface 53 is formed on the cold side 33, which is coated with a coolant K, e.g. Cooling air is applied.
  • the coolant flow of the coolant K is set in a targeted manner in that, when installed, the or each heat shield element 26 forms an interior space 27 to which the coolant K can be applied (see FIGS. 2, 3 and 4), in which a flow element 49 is inserted.
  • both the inclusion and the flow guidance of the hot working medium M and the protection of other, possibly less heat-resistant components or components, such as e.g. of the combustion chamber wall 24, is guaranteed against overheating or thermal destruction, targeted cooling of the particularly temperature-stressed areas being achieved when the flow element 49 is used.
  • FIG. 7 shows a perspective exploded view of a section of a combustion chamber wall 24 with a heat shield element 26 and with a flow element 49.
  • the heat shield element 26 is provided as a single-shell hollow body with a cavity 63.
  • the cavity 63 opens in the direction of the combustion chamber wall 24, so that the flow element 49 is enclosed by the single-shell hollow body in the installation situation.
  • the heat shield element 26 has a first wall section 47A and a second wall section 47B inclined with respect to the first wall section 47A.
  • the heat shield element 26 can be fastened on the combustion chamber wall 24 via fastening elements 37, for example by means of a screw connection, a fastening element 37 being assigned a bore 65 in the combustion chamber wall 24.
  • the bore 65 can optionally also be designed as a threaded bore with a thread.
  • the flow element 49 has corresponding cutouts 67.
  • the flow element 49 is approximately wedge-shaped in order to bring about an increase in the flow rate of the coolant K in the region of the thermally more highly stressed first wall section 47A.
  • the flow element 49 is detachably connected to the combustion chamber wall 24, so that an exchange or retrofitting with other flow elements 49 is possible when the cooling elements change.
  • the flow element 49 is attached while maintaining a positive fit between the flow element 49 and the combustion chamber wall 49 in order to ensure mechanical stability on the one hand and precise adjustment of the flow cross section for the coolant K on the other hand.
  • the flow element 49 is provided with bores 65 for attachment to the combustion chamber wall, which bores can be screwed onto the combustion chamber wall 24 from the outside or from the inside.
  • the flow element 49 is a metal part, in particular a metal sheet or a metal molded part.

Landscapes

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Abstract

Eine Brennkammer (4) einer Gasturbine (1), in der zur Erzeugung eines Arbeitsmediums (M) ein zugeführter Brennstoff mit zugeführter Verbrennungsluft zur Reaktion gebracht wird, und 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, soll bei vergleichsweise einfachem Aufbau einen hohen Anlagenwirkungsgrad auf-weisen. Dazu ist erfindungsgemäss im jeweiligen Innenraum (27) jeweils ein Strömungselement (49) angeordnet, über welches eine lokal-gezielte Einstellung des Kühlmittelstroms erreicht ist.

Description

Beschreibung
Brennkammer
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.
Brennkammern sind Bestandteil von Gasturbinen, die in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschi- nen 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 a beitsleistend entspannt .
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.
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 grundsätz- lieh 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.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem Medium ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei ho- her 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.
Die Brennkammerwand ist dazu in der Regel auf ihrer Innen- seite 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. 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.
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.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass nach einer erfolgten konstruktiven Auslegung einer Brennkammer die Geo- metrie 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 Innenraumküh- lung liegt hierbei jedoch - insbesondere im Hinblick auf einen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad - in einer zuverläs- sigen und gleichförmig-flächendeckenden Beaufschlagung der Hitzeschildelemente mit dem Kühlmittel. 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 Be- darf Kühlmittel verwendet wird.
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 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 ange- ordnete 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 Kühlmit- tel, 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 Strömungsgeschwin- digkeitserhöhung 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.
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 Aus- legung 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.
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 Kaltsei- te. Die Kaltseite ist dabei die der Brennkammer and 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.
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 Heiß- gasstrom 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 hochbelas- teten 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 Umlenkwin- kel 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. 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 Ein- fügen 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.
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.
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 Ein- speisung der bei der Brennkammerkühlung erwärmten, als Kühlmittel im Innenraum verwendeten Kühlluft in die Brennkammer vorgesehen, wobei die vorgewärmte Kühlluft als ausschließli- ehe 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 er- reicht ist.
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 Errei- chen einer lösbaren Verbindung entsprechende Verbindungsbzw. Befestigungselemente auf.
Weiter bevorzugt ist das Strömungselement aus Metall, insbesondere ein Metallblech oder eine Metalltafel oder ein metal- lisches Formteil, z.B. ein Gußteil.
Die oben genannte Brennkammer ist vorzugsweise Bestandteil einer Gasturbine.
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 Hitze- schildelement,
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.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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.
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 be- festigt 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 be- zeichnet.
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 Laufschaufei 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.
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 be- nachbarten 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.
Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 be- grenzt, 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.
Zur weiteren Verdeutlichung der Ausführung der Brennkammer- wand 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 Bren- ners 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. Ausgangs- seitig 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.
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 ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 26 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Die Hitzeschi1delemente 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.
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 Hitze- schildelemente 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.
Hierbei wird das Prinzip der sehr vorteilhaften geschlossenen Luftkühlung angewendet. Nach Abschluss der Kühlaufgäbe 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 niedri- gere 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.
Für einen sowohl temperaturbeständigen als auch schwingungs- resistenten Aufbau der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 ist eine Brennkammerauskleidung mit einer einer Anzahl von von temperaturfesten und formversteiften Hitzeschi1delementen 26 vorgesehen. Auf diese Weise ist eine vollflächige weitgehend leckagefreie Brennkammerauskleidung in dem Ringraum gebildet, ein sogenannter Brennkammerliner.
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 ange- ordnet, 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 Strömungs- elements 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 ei- nem gesteigerten Wärmetransfer vom thermisch hochbelasteten Wandabschnitt 47A auf das Kühlmittel 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. 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 Strömungs- geschwindigkeit vx 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 Kühlmit- tel 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 zwi- sehen 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 Schutz- schicht 31 kann beispielsweise eine keramische Wärmedämmschicht sein.
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 vx 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.
Für einen sowohl temperaturbeständigen als auch schwingungs- resistenten 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.
Das Schwingungsverhalten des Hitzeschildelements 26 ist hierbei durch eine gezielte geometrische Konturgebung günstig be- einflusst, 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 Hit- zeschildelement 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 ge- krümmt, 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 O- berfläehenbereich 57A nachgeordnet, wobei der Oberflächenbereich 57A in den zweiten Oberflächenbereich 57B über einen Übergangsbereich 61 übergeht.
Durch die Formgebung durch Oberflächenkonturierung in den O- berfläehenbereich 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 Verbrennungs- Schwingung 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 plana- ren 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 Verbrennungsschwingungs- frequenzen 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 Hitze- schildelements 26.
Die Ausgestaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 mit einer Kombination von Sattelflächenkontur im Oberflächenbereich 57A und sphärisch-konkaver Oberflächenkontur im Ober- flächenbereieh 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. Hier- durch 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.
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 hochtemperatur- resistente 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 ei- nen 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 er- reicht ist.
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. Die FIG 7 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Ausschnitt einer Brennkammerwand 24 mit Hitzeschildelement 26 und mit Strömungselement 49. Das Hitze- schildelement 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 Wandab- schnitt 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 Strömungs- element 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 Kühlaufgäbe 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 Versehrauben von außen oder von innen an die Brennkammerwand 24 ermöglichen. Das Strömungselement 49 ist ein Metallteil, insbesondere ein Metallblech oder ein metallisches Formteil.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkammer (4) für eine Gasturbine (1), deren Brennkammerwand (24) innenseitig mit einer von einer Anzahl von Hit- zeschildelementen (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.
2. Brennkammer (4) nach Anspruch 1, bei der durch das Strömungselement (49) ein Strömungs anal (51) für Kühlmittel (K) gebildet ist, in dem die Strömungs- geschwindigkeit (vx) des Kühlmittelstroms gegenüber der
Strömungsgeschwindigkeit (v0) stromauf des Strömungselements (49) erhöht ist.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Strömungselement (49) formschlüssig an der Brennkammerwand (24) angebracht ist.
7. Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Strömungselement (49) mit der Brennkammerwand (24) lösbar verbunden ist.
8. Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Strömungselement (49) aus Metall, insbesondere einem Metallblech oder einem metallischen Formteil.
9. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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