EP2559942A1 - Brennkammerkopf einer Gasturbine mit Kühlung und Dämpfung - Google Patents
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- EP2559942A1 EP2559942A1 EP11006812A EP11006812A EP2559942A1 EP 2559942 A1 EP2559942 A1 EP 2559942A1 EP 11006812 A EP11006812 A EP 11006812A EP 11006812 A EP11006812 A EP 11006812A EP 2559942 A1 EP2559942 A1 EP 2559942A1
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Definitions
- the invention relates to a combustion chamber head of a gas turbine.
- the combustion chamber includes a substantially annular outer combustion chamber wall and a substantially annular inner combustion chamber wall.
- the two combustion chamber walls are connected to the combustion chamber head.
- the combustion chamber head has at least one opening through which at least one burner can be pushed through and thus connected to the combustion chamber.
- At least one heat shield protects the combustion head from the hot combustion gases.
- the combustion chamber head may consist of one or more segments.
- the structure of a conventional heat shield for a combustion chamber head is in DE 44 27 222 A1 shown. This protects the combustion chamber head from hot gases and must be cooled on the side facing away from the combustion chamber interior. In this case, cooling air reaches the rear of the heat shield, bounces here and flows around a plurality of cylinders, which are used to enhance the heat transfer. The cooling air then leaves the gap between the heat shield and the burner head via employed effusion bores which point in the direction of the burner swirl.
- the combustor head includes an end wall, a front panel, and a heat shield. This is a three walled construction of a combustor head with an open volume between the end and front panels. The function of the end wall is to guide the flow of air coming from the compressor.
- the principle of a surge-cooled combustion chamber wall element is in the WO 92/16798 A1 shown.
- the cooling air flows through orthogonal holes in an outer wall and bounces on an inner wall. Both walls form a closed volume, which leaves the cooling air over employed Effusionsbohrungen. In this case, a cooling film is formed on the hot side of the inner wall, which protects the wall from the hot combustion gases.
- the effusion holes form together with the walls containing the impact and effusion holes enclosed volume a plurality of interconnected Helmholtz resonators. Thus, high-frequency oscillations in the range around 5 KHz can be damped.
- the distance between the damping holes and the distance between the walls are made variable in order to produce a broad attenuation spectrum.
- the CA 26 27 627 shows a heat shield with ribs on the side facing away from the combustion chamber.
- the ribs are connected together at one end and have with their open side to the inner and outer combustion chamber wall. It bounces cooling air between the ribs and is guided by means of the ribs to the combustion chamber walls. This is to prevent the impact cooling jets from influencing each other too strongly. The effect of the incoming crossflow should be avoided.
- the Indian DE 44 27 222 A1 illustrated combustor head with the additional flow-leading end plate has the disadvantage that the volume between and front panel does not represent a closed volume decoupled from the burner. It may thus be the case that pressure fluctuations in this volume affect the stability of the burner.
- the end plate is thus only a flow-conducting element.
- the cooling air is limited to the amount of air, which also allows a good damping of the combustion chamber vibrations, since both functions are perceived successively by the same amount of air. Near a very hot flame, it is possible that the amount of air designed for optimum damping is no longer suitable for limiting the wall temperature to an area where a long service life of the component can be expected.
- the invention has for its object to provide a combustion chamber head of the type mentioned above and a method for cooling and damping of a combustion chamber head, which have a high efficiency with a simple structure and simple, cost manufacturability while avoiding the disadvantages of the prior art.
- the combustion chamber head is thus divided into two independent cooling air flows. These are not mixed together.
- the one air flow serves to flow through the combustion chamber head volume in order to carry out a noise damping there.
- the other air flow is used exclusively for cooling of the heat shield.
- the combustion chamber of a gas turbine to perform the paths of damping air and cooling air independently of each other, wherein the air path for cooling at least one heat shield is supplied from the passage for the burner through the combustion chamber head, the heat shield cooling air initially with respect to the axis of the burner radially flows outwardly in cooling channels to the cold side of the heat shields, then flows radially inwardly and then outwardly through cooling passages toward the combustion chamber walls with respect to the combustion chamber or engine axis, and this cooling air is used as a starter film for wall cooling at the exit from the cooling passages this exits at a slight angle to the combustion chamber wall on the hot side of the combustion chamber head through a respective slot or holes near the inner and outer combustion chamber wall.
- the damping air enters at a suitable location regardless of the cooling air in at least one enclosed space of the combustion chamber head and crosses the passage of cooling into the combustion chamber through at least one opening in at least one web or pin, which flows along at least one web or pin on the outside thereof without being in fluid communication with this.
- the solution according to the invention makes it possible to integrate an effectively acoustically damping, sufficiently cooled damper element in the top plate of a combustion chamber.
- dampers optimized for low frequencies require a large volume of construction.
- the solution according to the invention makes it possible to effectively use the installation space given in a combustion chamber, in order to enable broadband damping, in particular in the low-frequency range (frequencies below 2000 Hz).
- the broadband damping effect of perforated walls which usually turns out to be low, with that of a Helmholtz resonator whose effect is large, connected.
- the concept also allows the design of the combustion chamber head as a pure Helmholtz resonator, or even a pure broadband dampening perforated wall without resonance.
- the concept thus combines the opposing behaviors of cooling and damping design with simple and practical means. It is possible to integrate a large volume in a double-walled construction and nevertheless to achieve a high cooling effect by changing the inflow into the volume.
- the amount of air for the cooling can be increased so that the integrity of the component is ensured despite a high heat load in the vicinity of a hot flame.
- the damping of the combustion chamber vibrations is not adversely affected thereby.
- it is also used as a heat shield cooling air as a starter film for wall cooling, whereby the separate air can be saved for a starter film.
- the device is suitable not only for combustion chambers with lean burners (air mass flow / fuel mass flow at the burner> 15), but also for combustion chambers with diffusion burners (air mass flow / fuel mass flow at the burner ⁇ 15) in the classic fat-lean combustion concept ,
- a combustion chamber head 5 is in FIG. 1 provided in a combustion chamber 7 of an engine.
- the combustion chamber head consists of a perforated wall 14 facing the hot gas (see FIG. 2 ) and a volume 15 final boundary 13. It is formed at least one closed volume 15.
- To protect the perforated wall 14 from hot gas serve to the combustion chamber-facing heat shields 20.
- These heat shields are designed with heat transfer enhancing elements.
- the heat transfer enhancing elements 21 connect the heat shields 20 to the perforated wall 14.
- These elements have bores 17 which connect the damper volume 15 to the combustion chamber.
- the necessary for cooling the heat shield at the combustion chamber head air passes into this on the burner side access 16.
- the air is guided along a flow channel to the holder of a burner seal 28 here. As in FIG. 2 As shown, the air is deflected several times before entering the flow channel 29, which is formed by the heat shields 20 and the perforated wall 14 and the heat transfer enhancing elements 21.
- FIG. 8 an alternative supply of the heat shield cooling air from the recess for receiving the burner seal 28 is shown out.
- the cooling channel 29 is a Forming flow of increased speed (see FIG. 4a ). It absorbs heat via heat transfer amplifier 21 and thus leads to the cooling of the component.
- the flow initially runs parallel to the wall 20 and is guided radially inwards or outwards in the direction of the inner or outer combustion chamber wall with respect to the combustion chamber or engine axis.
- openings 25 At the end of the channel are openings 25, which lead the air from the channel to the combustion chamber.
- FIG. 2 has no connection openings between the flow channel 29 and the volume 15.
- the necessary for rinsing the volume of air is achieved via openings 32 in the final boundary 13.
- the position of the openings is arbitrary, they can be arranged on the burner side or the compressor side.
- the axial length of this inflow to the damping volume can be varied between a few millimeters and several centimeters to optimize the individual damping effect (see also FIG. 2 and 8th ). It is important that the air from the main flow is fed directly into the volume, without first mixing with the cooling air for the heat shields. In this way, the two air volumes are kept separate.
- the air from the volume passes through the openings 17 in the combustion chamber, which lead through the heat transfer enhancing elements.
- FIG. 12 A similar design is in FIG. 12 shown.
- the cooling air is shown here as a solid arrow, the damping air as dashed and the starter film as a dotted arrow.
- the flow channel 29 can be connected to the volume 15 via openings 31 (see FIG. 8 ). These allow the volume to be flushed with air from the flow channel. The air can then enter the combustion chamber via the openings 17, which lead through the heat transfer-enhancing elements.
- both air streams intersect without mixing with each other.
- the heat shields may include further openings connecting the flow channel to the combustion chamber. These openings can be made at an angle of 10-90 ° to the surface and serve for film cooling of the heat shields.
- the volume 15 is preferably dimensioned so that a plenumnahe flow is ensured for the outlet bores. This occurs in the event that the flow of the outlet holes is no longer affected by the supply air. It can be chosen a distance of a minimum of 2mm to substantially the length of the burner head. If the distance between boundary 13 and wall 14 is selected as a function of an expected frequency, the volume acts as a resonator.
- the volume can be designed as a circumferentially continuous volume.
- the volume can be segmented by partitions both in the circumferential direction and in the radial direction or axial direction. In the case of a segmented volume, the volumes can optionally be the same or optionally of different sizes.
- the damping openings 17 do not have to be flush with the damping volume 15 facing side 14. You can protrude from the wall 14 in the volume 15 (see FIG. 12 ). Thus, the length of the damping openings can be adjusted depending on the resonance frequencies. The ratio of the cross-sectional area of the opening 17 and the length of the opening 17 can be selected as a function of a frequency. The number of openings per burner sector can vary from 1 to 1000. An inventive embodiment with only one damping opening is in FIG. 9 and 10 shown. Optionally, in this arrangement, heat transfer enhancing elements 21 (see FIG. 9 ) be used.
- individual or groups of exit holes 17 may pass through individual heat transfer enhancing elements 21.
- the elements can be arranged arbitrarily.
- the cross section of the elements can be arbitrarily shaped.
- the function can be further optimized thereby. Illustrated in FIG 3d figure and 4d one aerodynamic profile and in FIG. 3e and 4e a circular profile. Rectangular, diamond-shaped, hexagonal, elliptical, prismatic profiles are also conceivable. Also, a combination of the above profiles can be used as well as profiles that are formed from the intersection of circle segments.
- all or parts of the heat transfer enhancing elements may be made with damping openings.
- the entire combustion chamber is preferably connected via the combustion chamber head with a pin-shaped suspension 38 to the combustion chamber housing 8 or 9.
- the design of the combustion chamber head can optionally be made in one piece as an integral component, or optionally in several parts of several segments (see FIG. 11 , here by way of example 18 pieces) are executed.
- the combustion chamber walls 18 can be connected to the combustion chamber head 5 via fastening elements 23.
- Other connections of the combustion chamber to the combustion chamber housing (s) are possible according to the prior art.
- the intermediate gaps can be sealed with sealing strips (according to the prior art for turbine air guide vanes).
- an initial cooling film may be placed on the combustion chamber wall 18.
- the heat shields 20 employed in the direction of the combustion chamber wall outlet openings (25 in FIG. 9 and 12 ) that support the formation of a first cooling film (vertical, as shown in Figure 37) or replace.
- a primary, fresh cooling film is formed through inlet openings 34 along the connection arms 41 of the heat shields and / or from the combustion chamber wall 35.
- one or more sealing lips 40 are integrated according to the invention. They simultaneously serve for the axial positioning of the heat shields 20.
- combustion chamber wall can also be made in two walls, consisting of an inner wall 33 facing the hot gas and a side 18 facing the cold outer flow.
- the outer and inner combustion chamber walls can optionally be perforated.
- the formed between the outer and inner combustion chamber wall Volume may be interconnected by one or more flow channels with the air from the heat shields.
- One or more heat shields 20 may optionally be configured integrally with the combustion chamber head 5 or connected to the combustion chamber head via a frictional, positive or material connection.
- a frictional, positive or material connection In the Figures 2 and 8th is optionally a cohesive (eg welding, soldering) or a frictional (screw) connection on the boundary surrounding the burner provided.
- the heat shields can also be connected axially via webs and nuts to the combustion chamber head according to the prior art.
- the illustrated embodiment is advantageous in the Figures 9 and 12 in which the heat shields are fastened radially by means of flexible connecting arms 41 with the combustion chamber walls and the combustion chamber head through the connecting elements 23.
- the thermo-mechanical loads on the attachment arms 41 are reduced by the flexibility of the slots 39.
- the slots 39 simultaneously serve to cool the fasteners 23 and provide the primary initiator film 36 with fresh cooling air.
- FIG. 4b Other forms of the heat transfer enhancing elements are in the FIG. 4b shown. So ribs, cylinders, or indentations can be applied to the heat shield. The elements may optionally be applied to the heat shield 20 or the perforated wall 19.
- the opening 25 of the flow channel 29 directed toward the combustion chamber can be designed with a flow-guiding heat shield lip 30 (FIG. FIG. 5 ).
- the heat shield lip may include circumferential ribs on the side facing the flow channel 29.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf einer Gasturbine. Die Brennkammer umfasst, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine im Wesentlichen ringförmige äußere Brennkammerwand sowie eine im Wesentlichen ringförmige innere Brennkammerwand. Die beiden Brennkammerwände sind mit dem Brennkammerkopf verbunden. Der Brennkammerkopf weist mindestens eine Öffnung auf, durch die mindestens ein Brenner durchgesteckt werden kann und somit mit dem Brennraum verbunden wird. Mindestens ein Hitzeschild schützt den Brennkammerkopf vor den heißen Verbrennungsgasen. Der Brennkammerkopf kann einstückig oder aus mehreren Segmenten bestehen.
- Der Aufbau eines konventionellen Hitzeschildes für einen Brennkammerkopf ist in der
DE 44 27 222 A1 gezeigt. Dieses schützt den Brennkammerkopf vor heißen Gasen und muss auf der zum Brennkammerinnenraum abgewandten Seite gekühlt werden. Hierbei gelangt Kühlluft auf die Rückseite des Hitzeschildes, prallt hier auf und umströmt eine Vielzahl von Zylindern, die zur Verstärkung des Wärmeübergangs verwendet werden. Daraufhin verlässt die Kühlluft den Zwischenraum zwischen Hitzeschild und Brennerkopf über angestellte Effusionsbohrungen, die in Richtung des Brennerdralls zeigen. Der Brennkammerkopf umfasst eine Abschlusswand, eine Frontplatte und ein Hitzeschild. Dies ist ein dreiwandiger Aufbau eines Brennkammerkopfes mit einem offenen Volumen zwischen der Abschluss- und der Frontplatte. Die Funktion der Abschlusswand besteht in der Strömungsführung der vom Kompressor kommenden Luft. - Das Prinzip eines prall-effusionsgekühlten Brennkammerwandelements ist in der
WO 92/16798 A1 EP 0 971 172 B1 ist das Prinzip der prall-effusionsgekühlten Brennkammerwand um den Aspekt der Dämpfung von Brennkammerschwingungen erweitert worden. Hier bilden die Effusionsbohrungen zusammen mit dem durch die Prall- und Effusionsbohrungen beinhaltenden Wände eingeschlossenen Volumen eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Helmholtzresonatoren. So können hochfrequente Oszillationen im Bereich um 5 KHz gedämpft werden. Der Abstand der Dämpfungslöcher untereinander und der Abstand der Wände werden variabel gestaltet, um ein breites Dämpfungsspektrum zu erzeugen. - Eldredge und Dowling haben in der Veröffentlichung von 2003 "The absorption of axial acoustic waves by a perforated liner with bias flow", J. Fluid Mech. (2003), vol. 485, pp. 307-335. Cambridge University Press, ein Model zur Beschreibung des akustischen Dämpfungseffekts perforierter Wandelemente beschrieben. Aus diesem geht hervor, dass die Absorption akustischer Schwingungen durch perforierte Wandelemente bei einem einwandigen Aufbau groß ist. Wird eine zweite Wand eingeführt, so wie bei dem Prall- Effusionsaufbau, wird die Absorption maßgeblich durch die, die Prallkühlbohrungen beinhaltende Wand beeinflusst. Der Einfluss kann mit zunehmendem Abstand reduziert werden und somit der Dämpfungswirkung eines einwandigen Dämpfers angenähert werden.
- Eine Möglichkeit ein vergrößertes Dämpfungsvolumen bereit zu stellen ist in der
EP 0 576 717 A1 gezeigt. Hier wird an ein doppelwandiges Element ein Zusatzvolumen angeschlossen, welches zur Bildung eines Helmholtzresonatorvolumens dient. Das Resonatorvolumen wird entsprechend der auftretenden Wellen dimensioniert. - Die
CA 26 27 627 zeigt ein Hitzeschild mit Rippen auf der zur Brennkammer abgewandten Seite. Die Rippen sind an einem Ende miteinander verbunden und weisen mit ihrer offenen Seite zu der inneren und äußeren Brennkammerwand. Es prallt Kühlluft zwischen die Rippen und wird mit Hilfe der Rippen zu den Brennkammerwänden geleitet. Hierdurch soll vermieden werden, dass sich die Prallkühlstrahlen zu stark gegenseitig negativ beeinflussen. Die Auswirkung der eintretenden Querströmung soll so vermieden werden. - In der
US 2007/0169992 A1 ist das Problem der Vereinbarung eines großen Wandabstandes der Prall- und Effusionswand zur Gewährleistung eines großen Dämpfervolumens bei gleichzeitiger hoher Prallkühlwirkung gezeigt. Der Lösungsvorschlag sieht vor, den Abstand zwischen den beiden Wandelementen durch Leitungsrohre von der äußeren kalten Brennkammerwand gerichtet auf die heiße Brennkammerwand zu überbrücken, um so einen optimalen Prallkühlabstand unter Wahrung eines großen Dämpfervolumens zu ermöglichen. - In der
DE 10 2009 032 277 A1 ist eine Vereinigung der Funktion von Kühlung und Dämpfung im Brennkammerkopf dargestellt, bei der die Luft für die Kühlung und Dämpfung vom inneren und äußeren Annulus, welcher zwischen innerer bzw. äußerer Brennkammergehäuse und Brennkammerwand liegt, dem Brennkammerkopf zugeführt wird. Die Luft wird hierbei zuerst zur Kühlung des Brennkammerkopfes und danach zur Dämpfung von Brennkammerschwingungen verwendet. Sie kreuzt hierbei den Strömungspfad der Kühlluft, ohne sich mit dieser vermischen zu können. - Die oben genannten, aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte weisen eine Reihe von Nachteilen auf:
- Konventionelle Hitzeschilder (
DE 44 27 222 A1 ) weisen einen geringen Abstand von der Kopfplatte zum Hitzeschild auf. Dieser ist notwendig, um eine ausreichende Prallkühlwirkung zu erzielen (WO 92/16798 A1 EP 0 971 172 B1 ) gedämpft werden. Wird ein Zusatzvolumen an ein doppelwandiges Element angeschlossen (EP 0 576 717 A1 ) so ist dieses Volumen auf eine zu erwartende Frequenz zu trimmen, was dem Vorteil eines perforierten Wandelements als breitbandiger Dämpfer gegensätzlich ist. Da beide Wandelemente weiterhin nahe beieinander liegen, kann der negative Einfluss der äußeren Prallkühlwand nicht ausgeschlossen werden. - Zwar weisen die in den oben genannten Veröffentlichungen dargestellten angestellten Effusionsbohrungen eine hohe Filmkühleffektivität auf. Allerdings wird eine schlechtere Dämpfungswirkung als bei senkrechten Bohrungen erzielt. Man kann somit sagen, dass die Anforderungen aus der Dämpfungs- und Kühlwirkung im Konflikt stehen.
- Der in der
DE 44 27 222 A1 dargestellte Brennkammerkopf mit der zusätzlichen strömungsführenden Abschlussplatte hat den Nachteil, dass das Volumen zwischen Abschluss- und Frontplatte kein vom Brenner entkoppeltes, abgeschlossenes Volumen darstellt. Es kann somit der Fall auftreten, dass Druckschwankungen in diesem Volumen Auswirkungen auf die Stabilität des Brenners haben. Die Abschlussplatte ist somit nur ein die Strömung leitendes Element. - Die Konstruktion gemäß der
US 2007/0169992 A1 ermöglicht zwar eine hohe Prallkühlwirkung unter Wahrung eines großen Dämpfervolumens. Allerdings ist diese Konstruktion durch die Notwendigkeit, dass jedes Prallkühlloch mit einem Rohr verbunden werden muss, sehr aufwendig und im Grunde für den Einbau in der Brennkammer mit mehreren tausend Prallkühllöchern unpraktikabel. Des Weiteren geht durch das Leitungsrohr Volumen verloren und das Gewicht wird erhöht, so dass diese Methode uneffektiv ist. - Gemäß der
DE 10 2009 032 277 A1 ist die Kühlluft auf die Luftmenge begrenzt, die auch noch eine gute Dämpfung der Brennkammerschwingungen erlaubt, da beide Funktionen von derselben Luftmenge nacheinander wahrgenommen werden. Nahe einer sehr heißen Flamme ist es möglich, dass die auf optimale Dämpfung ausgelegte Luftmenge nicht mehr zur Limitierung der Wandtemperatur auf einen Bereich geeignet ist, bei dem ein langes Dienstleben des Bauteils erwartet werden kann. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennkammerkopf der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Kühlung und Dämpfung eines Brennkammerkopfes zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine hohe Wirksamkeit aufweisen.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
- Erfindungsgemäß ist der Brennkammerkopf somit in zwei voneinander unabhängige Kühlluftströmungen unterteilt. Diese werden nicht miteinander vermischt. Die eine Luftströmung dient zur Durchströmung des Brennkammerkopfvolumens, um dort eine Geräuschdämpfung vorzunehmen. Die andere Luftströmung dient ausschließlich zur Kühlung des Hitzeschildes. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, beide funktionellen Aspekte unabhängig voneinander zu optimieren, nämlich sowohl die Dämpfung als auch die Kühlung.
- Erfindungsgemäß ist somit für die Brennkammer einer Gasturbine vorgesehen, die Pfade von Dämpfungsluft und Kühlungsluft unabhängig voreinander auszuführen, wobei der Luftpfad für die Kühlung mindestens eines Hitzeschildes vom Durchgang für die Brenner durch den Brennkammerkopf aus zugeführt wird, die Hitzeschildkühlluft anfangs bezüglich der Achse der Brenner radial nach außen in Kühlkanälen zur kalten Seite der Hitzeschilder strömt, dann bezüglich der Brennkammer- oder Triebwerksachse radial nach innen und dann nach außen durch Kühlkanäle in Richtung der Brennkammerwände strömt, und diese Kühlluft beim Austritt aus den Kühlkanälen als Starterfilm für die Wandkühlung verwendet wird, in dem diese in einem geringen Winkel zur Brennkammerwand auf der heißen Seite des Brennkammerkopfes durch jeweils einen Schlitz oder Bohrungen nahe der inneren und äußeren Brennkammerwand austritt.
- Die Dämpfungsluft tritt an einer geeigneten Stelle unabhängig von der Kühlluft in mindestens einen abgeschlossenen Raum des Brennkammerkopfes ein und kreuzt beim Übertritt in die Brennkammer durch mindestens eine Öffnung in mindestens einem Steg oder Stift den Kühlungsluftstrom, welcher entlang mindestens eines Steges oder Stiftes auf deren Außenseite strömt, ohne in Strömungskommunikation mit diesem zu stehen.
- Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, ein wirkungsvoll hochgradig akustisch dämpfendes, ausreichend gekühltes Dämpferelement in der Kopfplatte einer Brennkammer zu integrieren. Üblicherweise benötigen auf niedrige Frequenzen optimierte Dämpfer ein großes Bauvolumen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, den in einer Brennkammer gegebenen Bauraum effektiv zu nutzen, um eine breitbandige Dämpfung gerade im niederfrequenten Bereich (Frequenzen unter 2000Hz) zu ermöglichen. Dazu wird die breitbandige Dämpfungswirkung perforierter Wände, die üblicherweise gering ausfällt, mit der eines Helmholtzresonators, dessen Wirkung groß ausfällt, verbunden. Durch die geschickte Ausnutzung des zwischen den Brennerköpfen liegenden Volumens zur Annäherung einer plenumähnlichen Anströmung für die Dämpfungslöcher kann eine besonders hohe Dämpfungswirkung erzielt werden. Dadurch kann die bereits hohe Dämpfungswirkung eines Helmholtzresonators weit überschritten werden. Das Konzept erlaubt allerdings auch die Ausführung des Brennkammerkopfes als reinen Helmholtzresonator, oder auch einer reinen breitbandig dämpfenden perforierten Wand ohne Resonanz.
- Während übliche doppelwandige Konfigurationen einen geringen Abstand der beiden Wände benötigen, um eine ausreichende Kühlwirkung zu ermöglichen, bedarf die erfindungsgemäße Lösung lediglich ein konvektives Kühlungskonzept für die thermisch belastete Wand.
- Das Konzept kombiniert somit die sich gegensätzlich verhaltenden Ansprüche der Kühlungs- und Dämpfungsauslegung mit einfachen und für den Einsatz praktikablen Mitteln. Es wird ermöglicht, in einer doppelwandigen Konstruktion ein großes Volumen zu integrieren und dennoch durch eine veränderte Zuströmung in das Volumen eine hohe Kühlwirkung zu erzielen.
- Durch die Trennung der Luftpfade für Kühlung und Dämpfung kann die Luftmenge für die Kühlung so erhöht werden, dass trotz einer hohen Wärmelast in der Nähe einer heißen Flamme die Integrität des Bauteils gewährleistet werden. Durch die Trennung der Zumessung von Kühlungs- und Dämpfungsluftmenge wird hierdurch die Dämpfung der Brennkammerschwingungen nicht negativ beeinflusst. Um die Wirkung der Kühlluft zu erhöhen, wird sie nach der Verwendung als Hitzeschildkühlluft auch noch als Starterfilm für die Wandkühlung verwendet, wodurch die gesonderte Luft für einen Starterfilm eingespart werden kann.
- Wegen der Möglichkeit einer intensiven Kühlung des Hitzeschildes ist die Vorrichtung nicht nur für Brennkammern mit Magerbrennern (Luftmassenstrom/Brennstoffmassenstrom am Brenner > 15), sondern auch für Brennkammern mit Diffusionsbrennern (Luftmassenstrom/Brennstoffmassenstrom am Brenner < 15) im klassischen Fett-Mager-Verbrennungskonzept geeignet.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben:
-
- Fig. 1
- eine schematische Teil-Schnittansicht einer Gasturbine,
- Fig. 2
- eine vergrößerte Detailansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennerkopfes,
- Fig. 3a - 3d
- unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten von erfindungsgemäßen Elementen zur Verstärkung des Wärmeübergangs,
- Fig. 4a - 4d
- perspektivische vereinfachte Teilansichten der Durchströmung des Kühlluftkanals durch die einen Wärmeübergang verstärkenden Elemente,
- Fig. 5
- eine vergrößerte Detailansicht einer Ausformung der Hitzeschildlippe,
- Fig. 6
- eine Schnittansicht von Ausströmöffnungen / Dämpfungsöffnungen,
- Fig. 7
- unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten der Querschnitte der Ausströmöffnungen / Dämpfungsöffnungen,
- Fig.8
- eine Detail-Schnittansicht, analog
Fig. 2 , eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennkammerkopfes mit Umströmung der Brennerdichtung und Verbindungsöffnungen zwischen Strömungskanal und Volumen, - Fig. 9
- eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, analog den
Fig. 2 und8 , des Brennkammerkopfes mit nur einer Dämpfungsöffnung / Ausströmöffnung, - Fig. 10
- eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes, wie in
Fig. 9 dargestellt, in perspektivischer Ansicht und Frontansicht, - Fig. 11
- eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennkammerkopfes, welcher aus mehreren Segmenten / Brennern aufgebaut ist,
- Fig. 12
- ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennkammerkopfes mit mehreren Dämpfungsöffnungen / Ausströmöffnungen,
- Fig. 13
- eine Ansicht, analog
Fig. 10 , des inFig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiels, und - Fig. 14
- eine perspektivische Schnittansicht eines eingeschlossenen Brennkammerkopfvolumen-Segmentes mit mehreren Dämpfungsöffnungen / Ausströmöffnungen.
- Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Erfindungsgemäß ist somit ein Brennkammerkopf 5 in
Figur 1 in einer Brennkammer 7 eines Triebwerks vorgesehen. Der Brennkammerkopf besteht aus einer der Heißgas zugewandten perforierten Wand 14 (sieheFigur 2 ) und einer das Volumen 15 abschließenden Berandung 13. Es ist mindestens ein abgeschlossenes Volumen 15 ausgebildet. Als Schutz der perforierten Wand 14 vor Heißgas dienen zur Brennkammer gewandte Hitzeschilder 20. Diese Hitzeschilder werden mit wärmeübergangsverstärkenden Elementen ausgeführt. Erfindungsgemäß verbinden die wärmeübergangsverstärkenden Elemente 21 die Hitzeschilder 20 mit der perforierten Wand 14. Diese Elemente weisen Bohrungen 17 auf, welche das Dämpfervolumen 15 mit der Brennkammer verbinden. - Die zur Kühlung des Hitzeschildes am Brennkammerkopf notwendige Luft gelangt in diese über brennerseitige Zugänge 16. Die Luft wird hierbei entlang eines Strömungskanals um die Halterung einer Brennerdichtung 28 geführt. Wie in
Figur 2 dargestellt wird die Luft hierbei mehrmals umgelenkt, bevor sie in den Strömungskanal 29 eintritt, welche durch die Hitzeschilder 20 und die perforierte Wand 14 und die wärmeübergangsverstärkenden Elemente 21 gebildet wird. - In
Figur 8 ist eine alternative Zuführung der Hitzeschildkühlluft aus der Ausnehmung zur Aufnahme der Brennerdichtung 28 heraus dargestellt. In dem Kühlkanal 29 wird sich eine Strömung erhöhter Geschwindigkeit ausbilden (sieheFigur 4a ). Sie nimmt Wärme über Wärmeübergangsverstärker 21 auf und führt somit zur Kühlung des Bauteils. - Die Strömung verläuft zunächst parallel zur Wand 20 und wird bezüglich der Brennkammer- bzw. Triebwerksachse radial nach innen bzw. außen in Richtung der inneren bzw. äußeren Brennkammerwand geführt. Am Ende des Kanals befinden sich Öffnungen 25, die die Luft aus dem Kanal zur Brennkammer führen.
- Die erfindungsgemäße Ausführung gemäß
Figur 2 weist keine Verbindungsöffnungen zwischen dem Strömungskanal 29 und dem Volumen 15 auf. Die zum Spülen des Volumens notwendige Luft wird hierbei über Öffnungen 32 in der abschließenden Berandung 13 erreicht. Die Position der Öffnungen ist dabei beliebig, sie können brennerseitig oder verdichterseitig angeordnet sein. Die axiale Länge dieser Zuströmöffnung zum Dämpfungsvolumen kann zwischen wenigen Millimetern und mehreren Zentimetern zur Optimierung der individuellen Dämpfungswirkung variiert werden (vgl. hierzu auchFigur 2 und8 ). Wichtig ist, dass die Luft aus der Hauptströmung direkt in das Volumen geführt wird, ohne sich vorher mit der Kühlungsluft für die Hitzeschilder zu vermischen. Auf diese Weise werden die beiden Luftmengen voneinander getrennt gehalten. Die Luft aus dem Volumen gelangt über die Öffnungen 17 in die Brennkammer, welche durch die wärmeübergangsverstärkenden Elemente führen. Hierbei kreuzen sich die Luftströme durch die Öffnungen 17 und des Strömungskanals 29 ohne sich miteinander zu vermischen. Eine ähnliche Ausführung ist inFigur 12 dargestellt. Die Kühlungsluft ist hierbei als durchgezogener Pfeil dargestellt, die Dämpfungsluft als gestrichelter und der Starterfilm als punktierter Pfeil. - Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung kann der Strömungskanal 29 mit dem Volumen 15 über Öffnungen 31 verbunden werden (siehe
Figur 8 ). Diese erlauben das Spülen des Volumens mit Luft aus dem Strömungskanal. Die Luft kann dann im Anschluss über die Öffnungen 17, welche durch die wärmeübergangsverstärkenden Elemente führen, in die Brennkammer gelangen. Hierbei kreuzen sich beide Luftströme ohne sich miteinander zu vermischen. - Durch das Verhältnis der Größe der Öffnungen 31 und 25 lässt sich der Anteil der Luftmengen einstellen.
- Es kann auch eine Kombination der beiden oben beschriebenen Varianten verwendet werden.
- Wahlweise können die Hitzeschilder weitere Öffnungen enthalten, die den Strömungskanal mit der Brennkammer verbinden. Diese Öffnungen können unter einem Winkel von 10-90° zur Oberfläche angestellt sein und zur Filmkühlung der Hitzeschilder dienen.
- Das Volumen 15 wird vorzugsweise so dimensioniert, dass für die Austrittsbohrungen eine plenumnahe Anströmung gewährleistet wird. Dies tritt für den Fall ein, dass die Anströmung der Austrittsbohrungen nicht mehr durch die Zuluft beeinflusst wird. Es kann ein Abstand von minimal 2mm bis im Wesentlichen der Länge des Brennerkopfes gewählt werden. Wird der Abstand der Berandung 13 und der Wand 14 in Abhängigkeit einer zu erwartenden Frequenz gewählt, wirkt das Volumen als ein Resonator. Das Volumen kann als ein über den Umfang durchgehendes Volumen gestaltet werden. Das Volumen kann durch Trennwände sowohl in Umfangsrichtung als auch in radialer Richtung oder axialer Richtung segmentiert werden. Im Falle eines segmentierten Volumens können die Volumina wahlweise gleich oder wahlweise unterschiedlich groß dimensioniert werden.
- Die Dämpfungsöffnungen 17 müssen nicht bündig mit der dem Dämpfungsvolumen 15 zugewandten Seite 14 abschließen. Sie können aus der Wand 14 in das Volumen 15 hineinragen (siehe
Figur 12 ). Somit kann die Länge der Dämpfungsöffnungen in Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen eingestellt werden. Das Verhältnis aus Querschnittsfläche der Öffnung 17 und der Länge der Öffnung 17 kann in Abhängigkeit einer Frequenz gewählt werden. Die Anzahl der Öffnungen pro Brennersektor kann von 1 bis 1000 variieren. Eine erfindungsgemäße Ausführung mit nur einer Dämpfungsöffnung ist inFigur 9 und10 dargestellt. Wahlweise können bei dieser Anordnung auch wärmeübergangsverstärkende Elemente 21 (sieheFigur 9 ) verwendet werden. - Alternativ können einzelne oder auch Gruppen von Austrittslöchern 17 durch einzelne wärmeübergangsverstärkende Elemente 21 führen. Die Elemente können beliebig angeordnet sein. Der Querschnitt der Elemente kann beliebig geformt sein. Die Funktion kann hierdurch weiter optimiert werden. Beispielhaft dargestellt sind in
Figur 3d und4d ein aerodynamisches Profil und inFigur 3e und4e ein Kreisprofil. Rechteckige, rautenförmige, hexagonale, elliptische, prismenförmige Profile sind ebenfalls denkbar. Auch eine Kombination der o.g. Profile kann verwendet werden genauso wie Profile, die aus der Überschneidung von Kreissegmenten gebildet sind. Es können wahlweise alle oder Teile der wärmeübergangsverstärkenden Elemente mit Dampfungsöffnungen ausgeführt werden. - Aufgrund der Massenverhältnisse wird die gesamte Brennkammer vorzugsweise über den Brennkammerkopf mit einer stiftförmigen Aufhängung 38 an das Brennkammergehäuse 8 oder 9 angebunden. Die Konstruktion des Brennkammerkopfes kann wahlweise einteilig als integrales Bauteil, oder wahlweise mehrteilig aus mehreren Segmenten (siehe
Figur 11 , hier beispielhaft 18 Stück) ausgeführt werden. Die Brennkammerwände 18 können mit dem Brennkammerkopf 5 über Befestigungselemente 23 verbunden werden. Andere Anbindungen der Brennkammer an das/die Brennkammergehäuse sind gemäß dem Stand der Technik möglich. Bei mehrteiliger Ausführung des Hitzeschildes können die Zwischenspalte mit Dichtstreifen (gemäß Stand der Technik für Turbinenluftleitschaufeln) abgedichtet werden. - Durch Einstellen eines Spaltes 25 zwischen den Brennkammerwänden 18 und den Hitzeschildern (siehe
Figur 2 ), kann ein anfänglicher Kühlfilm auf der Brennkammerwand 18 platziert werden. Alternativ können in den Hitzeschildern 20 in Richtung der Brennkammerwand angestellte Austrittöffnungen (25 inFigur 9 und12 ) integriert werden, die die Bildung eines ersten Kühlfilms unterstützen (senkundär, gemäß 37) oder ersetzen. InFigur 12 wird ein primärer, frischer Kühlfilm durch Eintrittsöffnungen 34 entlang der Anbindungsarme 41 der Hitzeschilder und / oder aus der Brennkammerwand 35 gebildet. Damit sich die Kühlluft für den primären und sekundären Starterfilm nicht vorzeitig (vor Austritt in die Brennkammer) vermischen sind erfindungsgemäß eine oder mehrere Dichtlippen 40 integriert. Sie dienen gleichzeitig der axialen Positionierung der Hitzeschilder 20. - Die Brennkammerwand kann alternativ auch zweiwandig ausgeführt werden, bestehend aus einer der Heißgas zugewandten inneren Wand 33 und einer der kalten Außenumströmung zugewandten Seite 18. Die äußere und innere Brennkammerwand kann wahlweise perforiert sein. Das zwischen der äußeren und inneren Brennkammerwand geformte Volumen kann durch einen oder mehrere Strömungskanäle mit der Luft aus den Hitzeschildern miteinander verbunden werden.
- Ein oder mehrere Hitzeschilder 20 können wahlweise integral mit dem Brennkammerkopf 5 ausgestaltet werden oder über eine reib-, form- oder stoffschlüssige Verbindung mit dem Brennkammerkopf verbunden werden. In den
Figuren 2 und8 ist wahlweise eine stoffschlüssige (z.B. Schweissen, Löten) oder eine reibschlüssige (Schrauben-) Verbindung über die die Brenner umgebende Berandung vorgesehen. Alternativ lassen sich die Hitzeschilder auch über Stege und Muttern mit dem Brennkammerkopf gemäß dem Stand der Technik axial verbinden. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist die dargestellte Ausführung in denFiguren 9 und12 , bei der die Hitzeschilder über flexible Anbindungsarme 41 mit den Brennkammerwänden und dem Brennkammerkopf durch die Verbindungselemente 23 radial befestigt werden. Die thermo-mechanischen Belastungen auf die Anbindungsarme 41 werden durch die Flexibilität aus den Schlitzen 39 reduziert. Die Schlitze 39 dienen gleichzeitig der Kühlung der Befestigungselemente 23 und versorgen den primären Starterfilm 36 mit frischer Kühlluft. - Weitere Formen der wärmeübergangsverstärkenden Elemente sind in der
Figur 4b dargestellt. So können Rippen, Zylinder, oder Einbuchtungen auf den Hitzeschild appliziert werden. Die Elemente können wahlweise auf dem Hitzeschild 20 oder der perforierten Wand 19 appliziert werden. - Die zur Brennkammer gerichtete Öffnung 25 des Strömungskanals 29 kann mit einer strömungsführenden Hitzeschildlippe 30 ausgeführt werden (
Figur 5 ). Die Hitzeschildlippe kann in Umfangsrichtung angestellte Rippen auf der zum Strömungskanal 29 gerichteten Seite enthalten. -
- 1
- Frontgebläse / Fan
- 2
- Verdichter
- 3
- Nebenstrom
- 4
- Verdichterleitrad
- 5
- Brennkammerkopf
- 6
- Brenner mit Arm und Kopf
- 7
- Brennkammer
- 8
- Äußeres Brennkammergehäuse
- 9
- Inneres Brennkammergehäuse
- 10
- Turbinenleitrad
- 11
- Turbine
- 12
- Antriebswelle (Maschinenachse)
- 13
- dem Verdichter zugewandte Wandung (Berandung) des Brennkammerkopfvolumens
- 14
- der Turbine zugewandte Wandung (Berandung) des Brennkammerkopfvolumens (bestehend aus 19, 20, 21, 22, 29)
- 15
- Eingeschlossenes Brennkammerkopfvolumen
- 16
- Kühllufteintrittsöffnung
- 17
- Dämpfungsöffnung / Ausströmöffnung
- 18
- äußere Brennkammerwand
- 19
- Trennwand Dämpfungsvolumen Kühlkanal
- 20
- Trennwand Kühlkanal Brennkammer (Hitzeschild)
- 21
- Wärmeübergangsverstärkendes Element (Steg) zwischen 19 und 20
- 22
- Dämpfungsöffnung in Steg 21
- 23
- Befestigungselement
- 24
- Wandkühlung
- 25
- Austrittsöffnung (zu Starterfilm)
- 26
- Öffnung in Brennkammerkopf 5 für Brenner 6
- 27
- Achse von Brenner 6
- 28
- Dichtung zwischen Brennkammerkopf 5 und Brenner 6
- 29
- Kühlluftkanal
- 30
- Hitzeschildlippe
- 31
- Verbindungsöffnungen
- 32
- Öffnungen zur Spülung des Volumens / Einströmöffnung
- 33
- innerer Brennkammerwand (Schindeln)
- 34
- Eintrittsöffnungen für primären Starterfilm
- 35
- zusätzliche Eintrittsöffnungen für primären Starterfilm
- 36
- Primärer Starterfilm
- 37
- Sekundärer Starterfilm
- 38
- Stiftförmige Brennkammeraufhängung
- 39
- Schlitze
- 40
- Dichtlippe
- 41
- flexible Anbindungsarme
- 42
- innere Brennkammerwand
Claims (16)
- Brennkammerkopf einer Gasturbine mit einer im Wesentlichen ringförmigen äußeren Brennkammerwand (18) sowie mit einer im Wesentlichen ringförmigen inneren Brennkammerwand (42) und mit mehreren um den Umfang verteilt angeordneten Brennern (6), wobei der Brennkammerkopf (5) eine einströmseitige Wandung (13) aufweist, welche mit einer der Brennkammer (7) zugewandten Wandung (14) ein Brennkammerkopfvolumen (15) bildet, wobei die einströmseitige Wandung (13) mit zumindest einer Einströmöffnung (32) versehen ist, wobei die der Brennkammer (7) zugewandte Wandung (14) mit zumindest einer Ausströmöffnung (17) zur Verbindung des Brennkammerkopfvolumens (15) mit der Brennkammer (7) versehen ist und wobei in der der Brennkammer (7) zugewandten Wandung (14) zumindest ein Kühlluftkanal (29) ausgebildet ist.
- Brennkammerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühllufteintrittsöffnung (16) in den Kühlluftkanal (29) im Bereich der Durchführung eines Brenners (6) ausgebildet ist.
- Brennkammerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühlluftaustrittsöffnung (25) aus dem Kühlluftkanal (29) am radial, bezogen auf die Brennerachse (27), äußeren Bereich der Wandung (14) ausgebildet ist, durch welche die Kühlluft als Starterfilm der äußeren (18) oder inneren Brennkammerwand (42) zuführbar ist.
- Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Brennkammer (7) zugewandten Wandungen (14) mittels Trennwänden (19, 20) doppelwandig ausgebildet ist.
- Brennkammerkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trennwänden (19, 20) stegartige Elemente (21) in dem Kühlluftkanal (29) angeordnet sind, welche mit den Ausströmöffnungen (17) versehen sind.
- Brennkammerkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stegartigen Elemente zur Steigerung des Wärmeübergangs von der Kühlluft strukturiert ausgebildet sind.
- Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (17) als Dämpfungsöffnung ausgebildet ist.
- Brennkammerkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (17) mit einem über ihre Länge nicht-konstanten Querschnitt ausgebildet ist.
- Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (17) mit einem im Querschnitt nicht-kreisförmigen Querschnitt versehen ist.
- Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (5) aus einzelnen, um den Umfang aneinander angrenzende Segmenten aufgebaut ist.
- Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennkammerkopf für jeden Brenner mindestens ein Volumen (15) vorhanden ist.
- Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Brennkammerkopf (5) und Brennkammerwand geschraubt, geschweißt, genietet oder gelötet ausgeführt ist.
- Verfahren zur Kühlung und Dämpfung eines Brennkammerkopfes (5) einer Gasturbine, bei welchem Dämpfungsluft durch ein in dem Brennkammerkopf (5) ausgebildetes Brennkammerkopfvolumen (15) durchgeleitet und der Brennkammer (7) zugeführt wird und bei welchem Kühlluft durch zumindest einen Kühlluftkanal (29) in einer der Brennkammer (7) zugewandten Wandung (14) geleitet wird, wobei die Luftströmungen der Dämpfungsluft und der Kühlluft unabhängig voneinander geführt werden.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsluft im Wesentlichen axial zu einer Maschinenachse (12) der Gasturbine geführt wird, während die Kühlluft im Wesentlichen radial ausgehend von einer Mittelachse (27) eines Brenners (6) geleitet wird.
- Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft nach dem Austritt aus dem Kühlluftkanal (29) einer Brennkammerwand (18) als Starterfilm zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Brennkammerkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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