EP1636526B1 - Brennkammer - Google Patents
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- EP1636526B1 EP1636526B1 EP04729621.5A EP04729621A EP1636526B1 EP 1636526 B1 EP1636526 B1 EP 1636526B1 EP 04729621 A EP04729621 A EP 04729621A EP 1636526 B1 EP1636526 B1 EP 1636526B1
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Classifications
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- 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 is provided on the inside with a lining formed by a number of heat shield elements, wherein the or each heat shield element forms an exposed interior with a coolant.
- the invention further relates to a gas turbine with such a combustion chamber.
- Combustion chambers are part of gas turbines that are used in many areas to drive generators or work machines.
- the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
- the fuel is burned to burners in their downstream combustion chambers, wherein compressed air is supplied by an air compressor.
- the combustion of the fuel produces a high pressure working fluid at a high temperature. This working fluid is fed into a turbine unit downstream of the combustion chambers, where it relaxes to perform work.
- each burner can be assigned a separate combustion chamber, wherein the working medium flowing out of the combustion chambers can be brought together before 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 burner open into a common, usually annular combustion chamber.
- the combustion chamber wall is usually lined on its inside with heat shield elements, which can be provided with particularly heat-resistant protective layers, and which are cooled by the actual combustion chamber wall therethrough.
- a cooling process also referred to as "impingement cooling”
- impingement cooling a coolant, as a rule cooling air, is supplied to the heat shield elements through a multiplicity of bores in the combustion chamber wall, so that the coolant bounces substantially perpendicularly onto its cooling surface, which faces the combustion chamber wall and forms on the cold side.
- the coolant for example cooling air, which has been heated by the cooling process, is subsequently removed from the interior which forms the combustion chamber wall with the heat shield elements.
- Another cooling process in which a longitudinal trailing flow of the heat shield elements along one of the combustion chamber wall facing cooling surface is utilized, is the so-called convective cooling.
- the invention has for its object to provide a combustion chamber of the type mentioned above, which is suitable for comparatively simple construction for a particularly high system efficiency and in which at the same time the high temperature-loaded areas are effectively cooled. Furthermore, a gas turbine to be specified with the above-mentioned combustion chamber.
- a combustion chamber for a gas turbine the combustion chamber wall is provided on the inside with a lining formed by a number of heat shield elements, wherein the or each heat shield element with the combustion chamber wall can be acted upon by a coolant interior, in which a flow element is inserted for selectively adjusting a coolant flow by being positively attached to the combustion chamber wall and releasably connected to the combustion chamber wall.
- the invention is based on the recognition that after a successful design of a combustion chamber, the geometry of the interior formed for cooling purposes is fixed. When exposed to coolant, therefore, the space provided for this purpose is substantially uniformly filled and flows through. An adaptation of the cooling capacity to the actual local coolant requirement of a heat shield element is not possible. For this reason, the admission of the interior for cooling the heat shield element is quite unspecific since it can not be adapted sufficiently flexibly to the respective actual local cooling requirements. Only by the total amount of the intermediate space per time supplied coolant, the heat dissipation from the interior is adjustable within certain limits. However, the main focus in the conventional interior cooling is here - especially with regard to a particularly high system efficiency - in a reliable and uniform-area coverage of the heat shield elements with the coolant.
- a flow channel for coolant is formed by the flow element, in which the flow velocity of the coolant flow is increased relative to the flow velocity upstream of the flow element.
- the flow element arranged in the interior thus leads to a local increase in the flow rate of coolant in the flow channel.
- the flow channel is advantageously limited directly by a wall to be cooled of the heat shield element. The heat transfer into the coolant and the heat removal is favored by the increased flow rate.
- the flow rate increase takes place for example by a local reduction of the flow cross section through the flow element in the interior.
- planar flow element with a predetermined wall thickness in the interior directly causes a reduction of the gap dimension of the passage channel for the coolant by the amount of this wall thickness. In the area of the reduced gap dimension, an increased flow velocity of the coolant occurs locally and thus an increased cooling capacity.
- a heat shield element is associated with a respective flow element for cooling a thermally heavily loaded wall portion of the heat shield element. This ensures an individual targeted adjustment of the coolant flow for each heat shield element for cooling as required.
- the arrangement and the structural design of the flow element for cooling adjustment of a heat shield element is such that the flow channel formed thereby for the coolant supplies a wall portion with increased temperature load during operation of the combustion chamber with coolant. Due to the increased speed in the flow channel just this wall section is increasingly cooled. In other wall sections, however, this is not required and it is sufficient a reduced flow rate.
- 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, eg hot combustion gas, and a cold side opposite the hot side.
- the cold side is the combustion chamber wall facing side of the heat shield element and limits the interior.
- the heat shield element may comprise a first wall section and a second wall section adjoining the first wall section along a longitudinal axis.
- the interior of the facing side of the heat shield element forms a cold side of the wall sections, which is acted upon for cooling purposes with the coolant.
- the second wall section can be inclined relative to the first wall portion in the direction of the hot side. 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 full planar lining of the combustion chamber wall of the annular combustion chamber can be performed over the full circumference of the annular combustion chamber.
- the hot gas flow from the burner outlet in the direction of the turbine is to be deflected by an angle.
- the combustion chamber liner is provided for this deflection purpose. With a combustion chamber liner, which has one or more locally selectively coolable heat shield elements this is particularly easy.
- 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 but just a targeted cooling this thermally highly loaded wall portion of the heat shield element is guaranteed. Therefore, a heat shield element with associated flow element is particularly suitable for a heat-resistant combustion chamber lining, since due to the first and the opposite inclined second wall portion of the deflection angle and the local cooling power demand can be adjusted to the particular circumstances. In addition, a particularly advantageous inflow of the hot gases generated by the combustion process into a turbine connected downstream of the combustion chamber is additionally achievable.
- the heat shield element is designed as a single-shell hollow body, which hollow body identifies a cavity in which the flow element is arranged.
- This structural design allows for safe insertion and placement of the flow element during assembly of the combustion chamber or when retrofitting a combustion chamber with a flow element for cooling adaptation.
- the flow element is protected against exposure to hot gas, since it is located in the cavity which is closed to the hot side.
- the flow element is designed accordingly for the most efficient and adapted cooling and placed in the cavity so that high flow velocities result in the thermally heavily loaded 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 partial space of the interior, which is acted upon for cooling purposes with coolant.
- the flow element is positively mounted on the combustion chamber wall.
- the positive connection leads to an arrangement of heat shield element, flow element and combustion chamber wall that is mechanically less susceptible to vibrations. Furthermore, the positive connection between the combustion chamber wall and the flow element facilitates the assembly and allows a precise attachment of the flow element in a predetermined position, so that the flow element can fulfill 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.
- a feed of the heated in the combustion chamber cooling, used as coolant in the interior cooling air is advantageously provided in the combustion chamber, wherein the preheated cooling air as exclusive or additional combustion air can serve.
- the interior of the fluid is preferably connected on the output side to a collecting space, which in turn is upstream of the combustion chamber on the air side. If necessary, the heated coolant can be mixed with the rest of the compressor mass flow by means of a throttle device and fed to the combustion process, so that closed air cooling is achieved.
- the flow element is releasably connected to the targeted setting of the coolant flow in the interior of the combustion chamber wall.
- the compound can e.g. be achieved by a screw connection, wherein the fastening of the flow element from the outside through the combustion chamber wall or from the inside, i. takes place inside the interior.
- the connection can also be achieved by entanglement.
- the heat shield element and the combustion chamber wall have corresponding connection or fastening elements for achieving a detachable connection.
- the flow element is made of metal, in particular a metal sheet or a metal sheet or a metallic molded part, e.g. a casting.
- the abovementioned combustion chamber is preferably part of a gas turbine.
- 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, not shown, or a working machine.
- the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common, also called turbine rotor turbine shaft 8, with which the generator or the working machine is connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
- the running in the manner of an annular combustion chamber 4 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 blades 12 connected to the turbine shaft 8.
- the rotor blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows.
- the turbine 6 comprises a number of fixed vanes 14, which are also fixed in a ring shape with the formation of rows of vanes on an inner casing 16 of the turbine 6.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by momentum transfer from the hot medium flowing through the turbine 6, the working medium M.
- the vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between two successive blade rows or blade rows seen in the flow direction of the working medium M.
- a successive pair of a ring of vanes 14 or a row of vanes and a ring of blades 12 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
- Each vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged to fix the respective vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element.
- 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 blade 12 is attached to the turbine shaft 8 in an analogous manner via a platform 20, also referred to as a blade root.
- each guide ring 21 on the inner housing 16 of the turbine 6 is arranged 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, the turbine 6 flowing through the working medium M and spaced in the radial direction from the outer end 22 of the blade 12 opposite him through a gap.
- the arranged between adjacent rows of guide blades guide rings 21 are used in particular as a cover, the inner wall 16 or other housing-mounting parts before a thermal Overuse by the turbine 6 flowing through the hot working medium M protects.
- the combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, wherein a combustion chamber wall 24 is formed on the combustion chamber side.
- the combustion chamber 4 is designed as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of circumferentially around the turbine shaft 8 arranged around burners 10 open into a common annular combustion chamber space.
- the combustion chamber 4 is configured in its entirety as a corresponding annular structure which is positioned around the turbine shaft 8 around.
- combustion chamber wall 24 is in Fig. 2 the combustion chamber 4 shown in section, which continues toroidally around the turbine shaft 8 around.
- the combustion chamber 4 has an initial or inflow section, into which the outlet of the respective associated burner 10 terminates.
- Viewed in the flow direction of the working medium M then narrows the cross section of the combustion chamber 4, wherein the self-adjusting flow profile of the working medium M is taken into account in this space area.
- the combustion chamber 4 in longitudinal section to a curvature, through which the outflow of the working medium M from the combustion chamber 4 is favored in a for a particularly high momentum and energy transfer to the flow side subsequent first blade row.
- the working medium M is deflected when flowing through the combustion chamber from a direction substantially parallel to the burner axis 39 in 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 about 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 of heat shield elements 26.
- the heat shield elements 26 are fastened via fastening means 37 to the combustion chamber wall 24 while leaving a gap, the gap dimension of which also corresponds to the dimension of the interior 27 perpendicular to the combustion chamber wall 24.
- Each heat shield element 26 is on the working medium side, that is, on its hot side 35, equipped with a particularly heat-resistant protective layer 31.
- 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, eg 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 plurality of locations on the component to be cooled perpendicular to a component surface.
- the cooling system is designed with a simple structure for a reliable, nationwide loading of the heat shield elements 26 with cooling air K and also for a particularly low coolant pressure loss.
- the heat shield elements 26 are cooled by its cold side 33 by the cooling air K, which is a between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24 formed gap 27 by suitable - not shown supply lines - 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. 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 entrained heat also returned;
- the closed air cooling thus enables higher outputs / efficiencies as well as lower ones NO x emissions such as open air cooling.
- open air cooling the "cool" cooling air is added to the hot gas stream downstream of the combustion resulting in lower gas turbine efficiency and higher pollutant levels.
- a combustion chamber lining with a number of heat-resistant and formversteiften heat shield elements 26 is provided for a both temperature-resistant and vibration-resistant construction of the configured as an annular combustion chamber combustion chamber 4.
- a combustion chamber lining with a number of heat-resistant and formversteiften heat shield elements 26 is provided for a both temperature-resistant and vibration-resistant construction of the configured as an annular combustion chamber combustion chamber 4.
- a flow element 49 is inserted in the inner space 27 formed between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24, e.g. by means of a suitable entanglement or a screw connection.
- the flow element 49 is arranged so that a thermally highly loaded first wall portion 47A of the heat shield element 26, as shown here in the vicinity of the burner 10, is increasingly coolable.
- the flow element 49 causes in the interior 27 a flow channel 51 for the coolant K with respect to upstream of the flow element 49, that is in the region of the relative to the first wall portion 47A less thermally loaded wall portion 47B, reduced flow cross-section. This leads to a specifically adjustable local increase in the flow velocity of the coolant in the flow channel 51 and thus to an increased heat transfer from the highly thermally stressed wall portion 47A to the coolant K.
- the positive flow elements 49 on the combustion chamber wall 24 advantageously also subsequently, ie in the course of a revision measure an existing combustion chamber 4, either from the outside through the housing 29 or from the inside to the combustion chamber wall 24 are mounted.
- FIG. 3 shows in a sectional view 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 from the combustion chamber wall 24 and forms an acted upon by a coolant K interior 27.
- a flow element 49 for selective adjustment a coolant flow inserted.
- the flow element 49 is in the embodiment shown substantially cuboid and mounted on the combustion chamber wall 24 positively. In this way, a reduction of the flow cross section for the coolant flow is achieved in the region of the flow element 49, wherein 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 relative 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 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 heavily loaded wall portion 47a of the heat shield element 26 can thus be selectively cooled locally with higher cooling performance.
- the flow element 49 enables a cooling adaptation, wherein the gap dimension in the interior space 27 between the cold side 33 and the combustion chamber wall 24 is adapted with respect to the cooling requirement.
- the heat shield element 26 may have a high temperature resistant protective layer for exposure to very hot combustion gases on the hot side 35.
- a protective layer 31 may be, for example, a ceramic thermal barrier coating.
- FIG. 3 show the FIG. 4 an embodiment with a modified flow element 49 which is inserted into the interior 27.
- the flow channel 51 formed by the flow element 49 in the interior 27 for the coolant K 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, in the sequence, remains constant for a certain flow path, in order then to grow again to a larger flow cross-section.
- This approximately wedge-shaped profile of the flow element 49 leads in the region of the linear increase to a correspondingly proportionately increasing flow velocity v 1 in the flow channel 51. Consequently, due to the structural design and geometric shape of the flow element 49, adaptation to the respective cooling task in the interior space 27 can be achieved in a simple manner respectively.
- 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 in a preferred embodiment, as described below with reference to FIGS Fig. 5 and Fig. 6 described in more detail, both temperature-resistant and form-stiffened heat shield elements 26 are provided. In this way, a full-surface largely leak-free combustion chamber lining in the annular space is formed, a so-called combustion chamber liner, which by means of the flow element 49 in the interior 27 also very efficient, because locally targeted, can be cooled.
- the vibration behavior of the heat shield element 26 is favorably influenced by a specific geometric contouring, so that the natural vibration modes of the heat shield element 26 are increased with respect to the excitation frequency of a combustion vibration. Resonance effects due to positive feedback can thus be avoided.
- Fig. 5 in a simplified perspective view of an embodiment of a heat shield element 26 and Fig. 6 a slightly enlarged view of the frontal area of the in FIG. 5
- the heat shield element 26 extends along a longitudinal axis 43 and a transverse to the longitudinal axis 43 transverse axis 45.
- the heat shield element 26 comprises a wall 47, a Hot side 35 with an acted upon by the hot working medium M hot side surface 55 has.
- the hot side 35 of the wall 47 opposite a cold side 33 is provided.
- the wall 47 has two wall sections 47A, 47B, wherein a first wall section 47A is arranged upstream of a second wall section 47B along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M. Further, the second wall portion 47B is inclined to the first wall portion 47A toward the hot side 35, so that the second wall portion 47B forms an inclination angle with the longitudinal axis 43. The inclination is adjusted so that a structural adaptation to the lining of a combustion chamber wall 24 (see. FIG. 2 ) is reached. On the hot side surface 55, surface portions 57A, 57B are formed in the first wall portion 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 area 57B has a spherical surface contour and is arranged downstream of the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M, for example the hot combustion gas, the surface area 57A, wherein the surface area 57A merges into the second surface area 57B via a transition area 61.
- the shaping by surface contouring in the surface region 57A, 57B of the first wall section 47A achieves an improvement in the mechanical properties, in particular the rigidity, of the heat shield element 26.
- the self-oscillation modes of the heat shield element 26 are specifically influenced with respect to the excitation frequency of a combustion oscillation.
- the increase in the stiffness of the heat shield element 26 takes place by means of stiffening of form and leads directly to an increase in the eigenmode the relevant excitation frequency of a combustion oscillation. Due to 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 ie impressed both along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45 of the surface region 57A, 57B.
- a curved surface contour can also be impressed on the cold side 33 or on the surfaces in the second wall section 47B, where this leads to a further improvement of the vibration behavior with regard to a low susceptibility to resonance excitation by the usual combustion vibration frequencies.
- a conventional - substantially planar - heat shield element has a typical natural frequency at eg 380 Hz, whereas an increase of the natural frequency to 440 Hz could be achieved by the contouring according to the invention with otherwise identical dimensions.
- already concave and / or convex surface contours with only small radii of curvature cause an increase in the stiffness of the heat shield element 26.
- the embodiment according to the 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 favorable.
- an S-shaped contour in the first wall section 47A is linearly viewed in the direction of the longitudinal axis, whereas the second wall section 47B is largely planar.
- a favorable flow guidance of the working medium M is achieved when using the heat shield element 26 in a combustion chamber 4.
- a Gas turbine will - as in FIG. 2 shown - achieved a particularly uniform and low-flow deflection of the hot working medium M with subsequent inflow into the turbine blading.
- this surface contour causes 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 the hot side 35 thereof, for example a ceramic high-temperature-resistant heat-insulating layer.
- a cooling surface 53 is formed on the cold side 33, which is acted upon by a coolant K, for example cooling air.
- the coolant flow of the coolant K is thereby adjusted in a targeted manner by the or each heat shield element 26 forms an interior 27 which can be acted upon by the coolant K in the installation case (cf. Figures 2 . 3 and 4 ), in which a flow element 49 is inserted.
- both the containment and flow guidance of the hot working medium M and the protection of other, possibly less heat resistant components or components, such as the combustion chamber wall 24, from overheating or thermal destruction is ensured a targeted cooling of the particularly temperature-stressed areas when using the flow element 49 is achieved.
- a thermally highly stressable and readily coolable component is therefore specified by means of a shape-hardened heat shield element 26, with which a planar lining, in particular a full-surface combustion chamber lining, can be realized in a simple manner, which is at the same time not very susceptible to combustion vibrations due to the stiffening of the shape.
- FIG. 7 shows in a perspective exploded view a section of a combustion chamber wall 24 with heat shield element 26 and with 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 in the installation situation the flow element 49 is surrounded by the single-shell hollow body.
- the heat shield element 26 has a first wall section 47A and a second wall section 47B inclined relative to the first wall section 47A.
- fastening elements 37 By means of fastening elements 37, the heat shield element 26 can be fastened on the combustion chamber wall 24, for example by a screw connection, wherein a fastening element 37 is associated with a bore 65 in the combustion chamber wall 24.
- the bore 65 may optionally be configured as a threaded bore with a thread.
- the flow element 49 has corresponding recesses 67.
- the flow element 49 is approximately wedge-shaped in order to effect a flow rate increase of the coolant K in the region of the thermally higher loaded first wall section 47A.
- the flow element 49 is detachably connected to the combustion chamber wall 24, so that an exchange or conversion with other flow elements 49 is possible when changing the cooling task.
- the attachment of the flow element 49 takes place while maintaining a positive connection 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 for attachment to the combustion chamber wall with holes 65 which allow screwing from the outside or from the inside to the combustion chamber wall 24.
- the flow element 49 is a metal part, in particular a metal sheet or a metallic molded part.
Landscapes
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
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.
- 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.
- 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 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.
- 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.
- 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. Die Druchschrift
GB - 2373319 - 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, indem es formschlüssig an der Brennkammerwand angebracht und mit der Brennkammerwand lösbar verbunden ist.
- 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.
- 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.
- 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 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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. - Das Strömungselement ist 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 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.
- Das Strömungselement ist 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.
- Weiter bevorzugt ist das Strömungselement aus Metall, insbesondere ein Metallblech oder eine Metalltafel oder ein metallisches 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 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.
- 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 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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. - 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 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. - Gegenüber der
FIG 3 zeigt dieFIG 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. - 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. - 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 sowieFig. 6 eine etwas vergrößerte Ansicht der Stirnseitenfläche des inFigur 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. - 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.
- 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 inFigur 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 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. - 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 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.
Claims (7)
- 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement formschlüssig an der Brennkammerwand (24) angebracht und mit der Brennkammerwand (24) lösbar verbunden ist.
- 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. - 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. - 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. - 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. - Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
mit einem Strömungselement (49) aus Metall, insbesondere einem Metallblech oder einem metallischen Formteil. - Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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