CH702825B1

CH702825B1 - Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung.

Info

Publication number: CH702825B1
Application number: CH00356/11A
Authority: CH
Inventors: Wei Chen; Stephen Fulcher
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2015-09-30
Also published as: US8516822B2; US20110214429A1; JP5802404B2; DE102011000879A1; CH702825A2; CN102192525A; JP2011179812A; CN102192525B

Abstract

Eine Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung enthält: einen Brennkammereinsatz (32) mit brennerseitig und turbinen-seitig befindlichen Enden; einen an dem turbinenseitig befindlichen Ende des Brennkammereinsatzes (32) angebrachten Überströmkanal (40); eine Strömungshülse (38), die den Brennkammereinsatz (32) umgibt und einen ersten ringförmigen Strömungskanal (56) radial zwischen dem Brennkammereinsatz (32) und der Strömungshülse (38) ausbildet; und einen ersten ringförmigen Einlass zu dem ersten ringförmigen Strömungskanal (56) an einem turbinenseitigen Ende der Strömungshülse (38), wobei der erste ringförmige Einlass mit mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) versehen ist, die in Umfangsrichtung in dem ersten ringförmigen Einlass angeordnet und bezüglich der axialen Richtung des Brennkammereinsatzes in Umfangsrichtung abgewinkelt sind, um durch den ersten ringförmigen Einlass in den ersten ringförmigen Strömungskanal (56) eintretender Luft einen Drall um den Brennkammereinsatz (32) herum zu verleihen.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung.

Hintergrund der Erfindung

[0002] In bestimmten Gasturbinenbrennkammern sind mehrere Öffnungen in einer den Brennkammereinsatz umgebenden Strömungshülse vorgesehen, die um den Hülsenumfang herum verteilt sind, um Luft zur Prallkühlung des Einsatzes im Wesentlichen radialen Richtung durch die Öffnungen der Strömungshülse in einem ringförmigen Kanal einzuspritzen, der zwischen der Strömungshülse und dem Brennerkammereinsatz vorgesehen ist. Die Luft wird radial im Wesentlichen rechtwinklig zu einem freien Strom einer innerhalb der Strömungshülse strömenden Kühlungsluft injiziert, die aus einem ähnlichen, axial verbundenen ringförmigen Kanal, welcher radial zwischen einem Überströmkanal (welcher die Verbrennungsgase aus dem Brennkammereinsatz zur ersten Stufe der Turbine transportiert) und einer umgebenden Prallhülse angeordnet ist, stammt. Diese umgelenkte Verdichterauslassluft vermischt sich mit dem Brennstoff an dem hinteren Ende der Brennkammer, und das Brennstoff/Luft-Gemisch wird dann innerhalb des Einsatzes verbrannt.

[0003] Die in der radialen Richtung durch die Öffnungen der Strömungshülsen hindurch und in den freien Strom eingespritzte Prallkühlungsluft hat einen Impulsaustausch mit der axial strömenden Luft und muss durch die axial strömende freie Stromluft beschleunigt werden, bis die Querströmung die Geschwindigkeit des freien Stroms erreicht. Dieser Vorgang bewirkt einen unerwünschten Druckabfall in der Strömung zu der Brennkammer. Um den Druckabfall zu reduzieren, wurde die Luftzuführungskonfiguration geändert, um die Verdichterauslassluft in den Kanal im Wesentlichen in derselben axialen Richtung wie die bereits in dem Kanal strömende Luft einzuführen. Diese Anordnung führt jedoch dazu, dass die eintretende Strömung tendenziell an die Aussenwand des Kanals, d.h., an die Innenwand der Strömungshülse angesaugt wird, eine Manifestation des sogenannten Coanda-Effektes, welcher den Kühlungswirkungsgrad verringert.

[0004] Es wäre daher wünschenswert, Luft anders als radial in den StrömungshüIsenkanal einzuführen, aber in einer solchen Weise, dass der Coanda-Effekt eliminiert oder wenigstens minimiert und die Kühlung des Einsatzes verbessert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung gemäss Anspruch 1 gelöst.

[0006] Gemäss der Erfindung umfasst die Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung einen Brennkammereinsatz mit brennerseitig und turbinenseitig befindlichen Enden, einen an dem turbinenseitig befindlichen Ende des Brennkammereinsatzes angebrachten Überströmkanal, eine Strömungshülse, die den Brennkammereinsatz umgibt und einen ersten ringförmigen Strömungskanal radial zwischen dem Brennkammereinsatz und der Strömungshülse ausbildet, sowie einen ersten ringförmigen Einlass zu dem ersten ringförmigen Strömungskanal an einem turbinenseitigen Ende der Strömungshülse, wobei der erste ringförmige Einlass mit mehreren ersten Strömungsleitschaufeln versehen ist, die in Umfangsrichtung in dem ersten ringförmigen Einlass angeordnet und bezüglich der axialen Richtung in Umfangsrichtung abgewinkelt sind, um durch den ersten ringförmigen Einlass in den ersten ringförmigen Strömungskanal eintretender Luft einen Drall um den Brennkammereinsatz herum zu verleihen.

[0007] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0008] Die Erfindung wird nun im Detail in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0009] <tb>Fig. 1<SEP>ist eine Schnittansicht eines Turbinenbrennkammereinsatzes und einer Überströmkanalanordnung; <tb>Fig. 2<SEP>ist eine perspektivische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Brennkammereinsatzes und die Schnittstelle zwischen der Strömungshülse und der axial benachbarten Übergangsteil-Prallhülse gemäss einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung darstellt; <tb>Fig. 3<SEP>ist ein vergrössertes, aus Fig. 2 entnommenes Detail; <tb>Fig. 4<SEP>ist ein Schnitt in Umfangsrichtung durch die die in Fig. 2 und 3 dargestellte Leitschaufel; und <tb>Fig. 5<SEP>ist ein Detail, ähnlich dem von Fig. 3 , das aber eine alternative, jedoch nicht einschränkende Ausführungsform darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0010] In Fig. 1 ist eine Brennkammer 10 für eine Gasturbine dargestellt. Die Brennkammer 10 enthält Brenner 12 an dem hinteren Ende der Brennkammer, einen Brennkammereinsatz 14 und eine umgebende Strömungshülse 16. Ein Übergangsstück oder Überströmkanal 18 ist mit dem hinteren Ende des Einsatzes verbunden, und eine Prallhülse 20 umgibt das Übergangsstück und ist mit der Strömungshülse 16 verbunden. Man erkennt, dass der die Strömungshülse 16 und die Prallhülse 20 umgebende Bereich mit Verdichterauslassluft versorgt wird, welche wiederum durch (nicht dargestellte) Öffnungen in der Prallhülse 20 und Öffnungen 22 in der Strömungshülse 16 hindurchströmt, wo sie umgelenkt wird und in einer im Wesentlichen axialen Strömungsrichtung zu dem turbinenseitigen Ende der Brennkammer in den axial verbundenen ringförmigen Kanälen 26, 28 strömt. Die zugeführte Luft vermischt sich mit Brennstoff in den Brennern 12, und das Brennstoff/Luft-Gemisch verbrennt innerhalb des Einsatzes 16. Die Verbrennungsgase strömen durch das Übergangsstück 18 zu der ersten Stufe der (nicht dargestellten) Turbine.

[0011] Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die durch die Pfeile 24 gekennzeichnete Verdichterauslassluft durch die Öffnungen 22 in einer im Wesentlichen radial nach innen gerichteten Richtung zugeführt. Es versteht sich, dass die Öffnungen 22 in axial und in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Intervallen um die Strömungshülse herum vorgesehen sind. Die radial eingespritzte Luft kreuzt die axial in dem Kanal 28 verlaufende Strömung. Obwohl die radial eingespritzte Luft eine Prallkühlung an dem Einsatz verrichtet, führt die Querströmung zu einem Nettoenergieverlust.

[0012] In einer weiteren (nicht dargestellten) Anordnung sind Lufteinlassanordnungen vorgesehen, die Luft in den ringförmigen Kanal 28 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der in den ringförmigen Kanal strömenden Luft einführen. Diese Anordnung führt, wie bereits angemerkt, dazu, dass die eintretende Strömung tendenziell an die Aussenwand des Kanals, d.h., an die Innenoberfläche der Strömungshülse angesaugt wird, eine unerwünschte Manifestation des sogenannten Coanda-Effektes, welcher die Prallkühlung des Einsatzes 14 negativ beeinflusst.

[0013] In Fig. 2 enthält eine Brennkammer 30 gemäss einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung einen Brennkammereinsatz 32 mit einer Aussenoberfläche, die optional mit mehreren Verwirbelungselementen versehen ist, welche in der Form von in axialer Richtung in Abstand angeordneten Reihen von flachen Rippen 34 (schematisch dargestellt) vorliegen können, wie deutlicher in Fig. 3 zu sehen. Ein turbinenseitiges Ende des Einsatzes ist mit einer herkömmlichen Ringdichtungsanordnung 36 versehen, mittels welcher der Einsatz dicht mit einem Übergangsstück oder Überströmkanal (in Fig. 2 lediglich stellvertretend durch die Bezugsziffer 40 angedeutet), ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Übergangsstück 18, in Eingriff steht.

[0014] Der Brennkammereinsatz 32 ist von einer Strömungshülse 38 (ohne Kühlungslöcher wie in der Strömungshülse 16) umgeben und das Übergangsstück 40 ist von einer Prallhülse 42 umgeben. Die Strömungshülse 38 und die Prallhülse 42 sind über eine, am besten in Fig. 3 zu sehende, ringförmige Kupplung 44 verbunden. Die Kupplung 44 hat einen Hakenabschnitt 46 an ihrem turbinenseitigen Ende, der für einen Eingriff mit einem radialen Flansch 48 auf der Prallhülse 42 angepasst ist. Das entgegengesetzte, brennerseitige Ende 50 der Kupplung 44 ist mit dem turbinenseitigen Ende 52 der Strömungshülse 38 in der nachstehend im Detail beschriebenen Weise verbunden.

[0015] Das brennerseitige Ende 50 der Kupplung 44 ist an dem turbinenseitigen Ende 52 der Strömungshülse mittels mehrerer in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Streben befestigt, welche in der exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform als Luftströmungsleitschaufeln 54 mit der in Fig. 4 dargestellten Form ausgebildet sind. Die Leitschaufeln 54 sind in einer solchen Weise angeordnet, dass ihre vorderen Endabschnitte 55 zu der Strömung gemäss Darstellung in Fig. 3 zeigen, während die hinteren Endabschnitte 57 stromabwärts in der Strömung liegen. In dieser exemplarischen Ausführungsform erstreckt sich der hintere Abschnitt 57 in einen Winkel zwischen etwa 10° und etwa 80° in Bezug auf eine axiale Mittellinie des Einsatzes. Mit dieser Anordnung kann die Verdichterauslassluft ausserhalb der Strömungshülse 38 und der Prallhülse 42 frei in den Kanal 56 zwischen dem Brennkammereinsatz 32 und der Strömungshülse 38 durch den radialen Zwischenraum zwischen dem turbinenseitigen Ende 52 der Strömungshülse 38 und dem brennerseitigen Ende 50 der Kupplung 44 strömen. Die an dieser Stelle eintretende Luft wird jedoch durch die angewinkelten Leitschaufeln 54 so abgelenkt, dass die Luft um den Brennkammereinsatz 32 herum einen Drall bekommt.

[0016] Gleichzeitig sind (ebenfalls schematisch dargestellte) Leitschaufeln 60 mit ähnlicher Konfiguration zwischen dem brennerseitigen Ende 62 der Prallhülse 42 und dem Brennkammereinsatz 32 in der Nähe der Ringdichtungsanordnung 36 eingefügt. Diese Leitschaufeln haben eine ähnliche Form und somit Dralleffekt auf die axial aus dem Kanal zwischen der Prallhülse 42 und dem Übergangsstück 40 strömende Luft.

[0017] In den Fällen, in welchen alle Stützstreben zwischen der Kupplung 44 und der Strömungshülse 38 tatsächlich Strömungsleitschaufeln 54 sind, sind die Strömungsleitschaufeln ohne individuelle Einstellungsmöglichkeit fixiert (d.h., verschweisst). In den Fällen, in welchen die Strömungsleitschaufeln (beispielsweise abwechselnd) mit festen radialen Streben kombiniert sind, können die Strömungsleitschaufeln 54 einzeln oder kollektiv um sich radial erstreckende Schwenkstifte 64 gemäss gestrichelter Darstellung in Fig. 4 einstellbar sein. Indem man die Strömungsleitschaufeln einstellbar macht, kann der Drallgrad nach Wunsch variiert werden. Diese gleiche Anordnung ist bei den Strömungsleitschaufeln 60 möglich, die sich zwischen der Prallhülse 42 und dem Übergangsstück 40 befinden.

[0018] Es ist auch bekannt, dass die Verbrennungsgase in dem Einsatz einen Drall in einer vorgegebenen Richtung haben, der Hotspots in der Einsatzwand als Funktion dieser Gasströmung erzeugt. Bei dieser Erfindung ermöglichen die einstellbaren Strömungsleitschaufeln 54 ein winkelangepasstes Strömen in einer Drallrichtung entgegen der Drallrichtung der Gase in dem Einsatz, um somit die Wärmeübertragung bei der Kühlung dieser Hotspots zu verbessern.

[0019] Mit weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 kann die Kupplung 44 nach Bedarf modifiziert werden, um beispielsweise die radiale Lage des brennerseitigen Endes 50 der Kupplung 44 in Bezug auf das turbinenseitige Ende 52 der Strömungshülse 38 anzupassen. Wie gestrichelt dargestellt ist, kann das brennerseitige Ende 50 versetzt sein, um die Öffnungsgrösse und somit das Volumen der an den Leitschaufeln 54 vorbei und in den ringförmigen Raum 56 strömenden Luft zu vergrössern oder zu verkleinern.

[0020] Gemäss Darstellung in Fig. 5 ist eine Kupplung 68 so konfiguriert, dass sie Verdichterauslassluft mittels diskreter in Umfangsrichtung in Abstand angeordneter Rohre oder Übertragungselemente 72 zu den Leitschaufeln 54 in den ringförmigen Raum 70 strömen lässt. Diese Anordnung ermöglicht eine bessere Steuerung des Volumens der in den Kanal 70 eintretenden Luft, indem die Grösse (Durchmesser) und die Anzahl von Rohren oder Übertragungselemente 72 um den Umfang des Einsatzes 74 verändert werden. Falls gewünscht, können die Übertragungselemente oder Rohre 72 in axialer Richtung angewinkelt werden, so dass sie im Wesentlichen den hinteren Endabschnitten 57 der Leitschaufeln 54 angepasst sind.

[0021] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen, die in den Ansprüchen enthalten sind, abdeckt.

Claims

1. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung, aufweisend: einen Brennkammereinsatz (32) mit brennerseitig und turbinenseitig befindlichen Enden; einen an dem turbinenseitig befindlichen Ende des Brennkammereinsatzes (32) angebrachten Überströmkanal (40); eine Strömungshülse (38), die den Brennkammereinsatz (32) umgibt und einen ersten ringförmigen Strömungskanal (56) radial zwischen dem Brennkammereinsatz (32) und der Strömungshülse (38) ausbildet; und einen ersten ringförmigen Einlass zu dem ersten ringförmigen Strömungskanal (56) an einem turbinenseitigen Ende der Strömungshülse (38), wobei der erste ringförmige Einlass mit mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) versehen ist, die in Umfangsrichtung in dem ersten ringförmigen Einlass angeordnet und bezüglich der axialen Richtung des Brennkammereinsatzes in Umfangsrichtung abgewinkelt sind, um durch den ersten ringförmigen Einlass in den ersten ringförmigen Strömungskanal (56) eintretender Luft einen Drall um den Brennkammereinsatz (32) herum zu verleihen.

2. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 1, wobei sich die mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) radial zwischen der Strömungshülse (38) und einer ringförmigen Kupplung (44), die die Strömungshülse (38) an einer den Überströmkanal (40) umgebenden Prallhülse (42) befestigt, erstrecken und jeweils mit der Strömungshülse (38) und der ringförmigen Kupplung (44) in Eingriff stehen.

3. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 1, wobei jede von den mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) einen vorderen Endabschnitt (55) und einen hinteren Endabschnitt (57) aufweist, wobei der vordere Endabschnitt (55) stromaufwärts von dem hinteren Endabschnitt (57) in Bezug auf eine Strömungsrichtung in den ersten ringförmigen Strömungskanal (56) angeordnet ist, wobei sich der hintere Abschnitt (57) in einem Winkel zwischen 10° und 80° in Bezug auf eine axiale Mittellinie des Brennkammereinsatzes (32) erstreckt.

4. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige von den mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) um entsprechende radial ausgerichtete Schwenkachsen (64) einstellbar sind.

5. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 1, welche ferner aufweist: eine Prallhülse (42), die den Überströmkanal (40) unter Ausbildung eines zweiten ringförmigen Strömungskanals zwischen dem Überströmkanal (40) und der Prallhülse (42) radial umgibt, und einen zweiten ringförmigen Einlass zu dem ersten ringförmigen Strömungskanal (56) stromaufwärts von dem ersten ringförmigen Einlass in Bezug auf die Strömungsrichtung in dem ersten ringförmigen Strömungskanal (56), über den der zweite ringförmige Strömungskanal mit dem ersten ringförmigen Strömungskanal in Verbindung steht, wobei der zweite ringförmige Einlass mit mehreren in Umfangsrichtung um den Brennkammereinsatz (32) angeordneten zweiten Strömungsleitschaufeln (60) versehen ist, die dafür eingerichtet sind, durch den zweiten ringförmigen Einlass in den ersten Strömungskanal eintretender Luft einen Drall zu verleihen.

6. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 5, wobei sich die mehreren zweiten Strömungsleitschaufeln (60) radial zwischen dem Brennkammereinsatz (32) und der Prallhülse (42) erstrecken.

7. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 6, wobei sich die mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) radial zwischen der Strömungshülse (38) und einer ringförmigen Kupplung (44), die die Strömungshülse (38) an einer den Überströmkanal (40) umgebenden Prallhülse (42) befestigt, erstrecken und jeweils mit der Strömungshülse (38) und der ringförmigen Kupplung (44) in Eingriff stehen.

8. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 6, wobei jede von den mehreren ersten und zweiten Strömungsleitschaufeln (54, 60) einen vorderen Endabschnitt (55) und einen hinteren Endabschnitt (57) aufweist, wobei sich der vordere Endabschnitt (55) stromaufwärts von dem hinteren Endabschnitt (57) in Bezug auf eine Richtung der Strömung in den ersten ringförmigen Strömungskanal (56) befindet, wobei sich der hintere Abschnitt (57) in einem Winkel zwischen 10° und 80° in Bezug auf eine axiale Mittellinie des Brennkammereinsatzes (32) erstreckt.

9. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 6, wobei wenigstens einige von den mehreren ersten Strömungsleitschaufeln (54) um entsprechende radial ausgerichtete Schwenkachsen (64) einstellbar sind.

10. Turbinenbrennkammer-Einsatzanordnung nach Anspruch 7, wobei jede von den mehreren ersten und zweiten Strömungsleitschaufeln (54, 60) einen vorderen Endabschnitt und einen hinteren Endabschnitt aufweist, wobei sich der vordere Endabschnitt stromaufwärts von dem hinteren Endabschnitt in Bezug auf eine Richtung der Strömung in den ersten ringförmigen Strömungskanal (56) befindet, wobei sich der hintere Abschnitt (57) in einem Winkel zwischen 10° und 80° in Bezug auf eine axiale Mittellinie des Brennkammereinsatzes (32) erstreckt.