CH706832B1 - Brennkammerflammrohrkühlanordnung. - Google Patents

Abstract

Eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) enthält ein Brennkammerflammrohr (28), das einen Brennraum (30) definiert. Ferner ist eine Deckhülse (58) enthalten, die von einem hinteren Ende (40) des Brennkammerflammrohrs (28) radial nach aussen beabstandet ist und dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse (58) und das Brennkammerflammrohr (28) einen Kühlringraum (52) definieren. Ferner ist wenigstens eine Eintrittsöffnung (64) enthalten, die sich durch die Deckhülse (58) hindurch erstreckt, um einen Kühlstrom (42) zu dem Kühlringraum (52) zu leiten. Noch weiter ist eine durch mehrere Löcher (70) perforierte Hülse (68) enthalten, die zwischen der Deckhülse (58) und dem Brennkammerflammrohr (28) angeordnet ist, um den Kühlstrom (42) gegen das Brennkammerflammrohr (28) aufprallen zu lassen.

Description

Beschreibung

Hintergrund zu der Erfindung [0001] Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Gasturbinensysteme und insbesondere eine Brennkammer-flammrohrkühlanordnung.

[0002] Ein Brennkammerabschnitt eines Gasturbinensystems enthält gewöhnlich einen Brennraum, der sich relativ benachbart zu einem Übergangsstück befindet, wobei ein Heissgas von dem Brennraum durch das Übergangsstück zu einem Turbinenabschnitt strömt. Da Brenntemperaturen innerhalb des Brennraums steigen und zulässige NOx-Grenzen reduziert werden, wird die Erfüllung von Anforderungen hinsichtlich der Brennkammerflammrohrlebensdauer zu einer zunehmenden Herausforderung bei derzeit verwendeten Kühlschemas.

[0003] Ein Bereich, in dem das Brennkammerflammrohr eine effektive Kühlung erfordert, umfasst ein hinteres Ende des Brennkammerflammrohrs, wobei ein übliches Kühlverfahren eine Kanalkühlung umfasst. Eine Kanalkühlung enthält gewöhnlich ein Zuführen eines Kühlstroms zu einem Kanal und ein nachfolgendes Ausgeben des Kühlstroms zu einem Bereich des Übergangsstücks. Bedauerlicherweise hängt die nutzbare Länge der Kanalkühlung von der Temperatur der Luft in dem Kühlkanal ab, wodurch häufig eine ineffektive Kühlung wesentlicher Abschnitte des Brennkammerflammrohrs wegen der erhöhten Brenntemperaturen und erhöhten Verdichteraustrittslufttemperaturen geleistet wird. Alternativ kann eine Filmkühlung an verschiedenen Stellen in dem Brennraum verwendet werden. Eine Filmkühlung enthält gewöhnlich ein Zuführen von Luft von einer Plenumkammer zwischen einer Strömungshülse und dem Brennkammerflammrohr, um eine Barriere zwischen dem Heissgas und dem Brennkammerflammrohr zu schaffen. Bedauerlicherweise reicht der Nutzen der Barriere nur für eine begrenzte Länge und ist von dem Fluss in dem filmgekühlten Bereich und nicht der Temperatur des Filmgases stark abhängig. Folglich erzielt jedes einzelne Kühlschema häufig nicht die gewünschte Kühlleistung an dem hinteren Ende des Brennkammerflammrohrs.

Kurze Beschreibung der Erfindung [0004] Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung zu schaffen, welche die Kühlung des hinteren, in Heissgasströmungsrichtung stromabwärts liegenden Endes des Brennkammerflammrohrs verbessert.

[0005] Gemäss der Erfindung enthält eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung ein Brennkammerflammrohr, das einen Brennraum definiert. Ferner ist eine Deckhülse enthalten, die von einem hinteren, in Heissgasströmung am stromabwärts liegenden Ende des Brennkammerflammrohrs radial nach aussen beabstandet ist und dieses hintere Ende wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse und das Brennkammerflammrohr einen Kühlringraum definieren. Ferner ist wenigstens eine Eintrittsöffnung enthalten, die sich durch die Deckhülse hindurch erstreckt, um einen Kühlstrom zu dem Kühlringraum zu leiten. Noch weiter ist eine durch mehrere Löcher perforierte Hülse enthalten, die zwischen der Deckhülse und dem Brennkammerflammrohr angeordnet ist, um den Kühlstrom gegen das Brennkammerflammrohr aufprallen zu lassen.

[0006] Es sind vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Brennkammerflammrohrkühlanordnung wie folgt offenbart: [0007] Der Kühlringraum enthält einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich, wobei die wenigstens eine Eintrittsöffnung in der Nähe des vorderen Bereiches angeordnet ist.

[0008] Der hintere Bereich weist eine Austrittsöffnung auf, die ausgerichtet ist, um den Kühlstrom axial aus dem Kühlringraum auszugeben.

[0009] Es sind optional mehrere Strömungsmanipulationskomponenten vorgesehen, die entlang einer Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs angeordnet sind.

[0010] Die mehreren Strömungsmanipulationskomponenten erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs herum und sind axial voneinander beabstandet.

[0011] Die mehreren Strömungsmanipulationskomponenten weisen wenigstens eines von einer Vertiefung, einem Turbulator und einem Chevron (ein Winkelstück in V-Form oder eine Zickzackleiste) auf.

[0012] In einer Ausführungsform weisen die Brennkammerflammrohrkühlanordnung ferner wenigstens einen Kühlströmungspfad auf, der sich zwischen dem Kühlringraum und dem Brennraum durch das Brennkammerflammrohr hindurch erstreckt, um den Kühlstrom in den Brennraum hinein zu einer Stelle in der Nähe einer Innenfläche des Brennkammerflammrohrs zu leiten, um dort entlang zu kühlen.

[0013] Der wenigstens eine Kühlströmungspfad leitet den Kühlstrom vorzugsweise entlang eines Abschnitts der Innenfläche innerhalb des Brennraums, so dass dadurch eine Kühlfilmschicht ausgebildet ist.

[0014] Gemäss einer weiteren Lösung der gestellten Aufgabe ist gemäss Anspruch 8 eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung ein Brennkammerflammrohr, das einen Brennraum definiert, wobei das Brennkammerflammrohr eine Aussenfläche und eine Innenfläche enthält. Ferner ist eine Deckhülse enthalten, die von einem hinteren, in Heissgasströmung am stromabwärts liegenden Ende des Brennkammerflammrohrs radial nach aussen beabstandet angeordnet ist und das hintere Ende wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse und die Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs einen Ringraum definieren, wobei ein Kühlstrom zu dem Ringraum durch eine Eintrittsöffnung geleitet wird, die sich durch die Deckhülse hindurch erstreckt. Ferner ist wenigstens eine vorstehende Erhöhung enthalten, die sich von der Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs aus radial nach aussen erstreckt, um einen Oberflächenbereich der Aussenfläche zu ver-grössern, um eine Wärmeübertragung in der Nähe des hinteren Endes des Brennkammerflammrohrs zu steigern und eine Grenzschicht in der Nähe des hinteren Endes des Brennkammerflammrohrs zu stören.

[0015] Es sind vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkammerflammrohrkühlanordnung gemäss der Erfindung wie folgt offenbart: [0016] Der Ringraum enthält einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich, wobei die Eintrittsöffnung in der Nähe des vorderen Bereiches angeordnet ist, um den Kühlstrom zu dem Ringraum zu leiten.

[0017] Der hintere Bereich weist eine Austrittsöffnung auf, die ausgerichtet, um den Kühlstrom axial aus dem Kühlringraum auszugeben.

[0018] Die Brennkammerflammrohrkühlanordnung weist optional wenigstens einen Kühlströmungspfad auf, der sich zwischen dem Ringraum und dem Brennraum durch das Brennkammerflammrohr hindurch erstreckt, um den Kühlstrom in den Brennraum hinein zu einer Stelle in der Nähe einer Innenfläche des Brennkammerflammrohrs zu leiten, um dort entlang zu kühlen.

[0019] Der wenigstens eine Kühlströmungspfad leitet den Kühlstrom vorzugsweise entlang eines Abschnitts der Innenfläche innerhalb des Brennraums, so dass dadurch eine Kühlfilmschicht ausgebildet ist.

[0020] Gemäss der Erfindung und nach Anspruch 9 enthält ein Gasturbinensystem ein Brennkammerflammrohr, das einen Brennraum definiert, wobei das Brennkammerflammrohr eine Aussenfläche und eine Innenfläche enthält. Ferner ist eine Strömungshülse enthalten, die radial aussen von der Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs angeordnet ist und mehrere erste Kühlöffnungen aufweist, um Verdichteraustrittsluft in einen ersten Strömungsringraum hinein zu leiten, der durch die Strömungshülse und das Brennkammerflammrohr definiert ist. Ferner ist ein Übergangsstück enthalten, das betriebsmässig mit dem Brennkammerflammrohr verbunden und konfiguriert ist, um heisse Verbrennungsgase zu einem Turbinenabschnitt des Gasturbinensystems zu führen. Noch weiter ist eine Prallhülse enthalten, die das Übergangsstück umgibt und mehrere zweite Kühlöffnungen aufweist, um Verdichteraustrittsluft in einen zweiten Ringraum hinein zu leiten, der durch das Übergangsstück und die Prallhülse definiert ist. Das Gasturbinensystem enthält ferner eine elastische Dichtungsstruktur, die radial zwischen einem hinteren, in Heissgasströmung am stromabwärts liegenden Ende des Brennkammerflammrohrs und einem vorderen, in Heissgasströmung am stromaufwärts liegenden Ende des Übergangsstücks angeordnet ist. Ferner ist eine Deckhülse enthalten, die von dem Endbereich des Brennkammerflammrohrs radial nach aussen beabstandet ist und den Endbereich wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse und das Brennkammerflammrohr einen Kühlringraum definieren. Noch weiter ist eine durch mehrere Löcher perforierte Hülse enthalten, die zwischen der Deckhülse und dem Brennkammerflammrohr angeordnet ist, um einen Kühlstrom gegen die Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs aufprallen zu lassen.

[0021] Es sind vorteilhafte Ausführungsformen des Gasturbinensystems gemäss der Erfindung wie folgt offenbart: [0022] Der Kühlringraum enthält einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich, wobei die wenigstens eine Eintrittsöffnung in der Nähe des vorderen Bereiches angeordnet ist, um den Kühlstrom zu dem Kühlringraum zu leiten.

[0023] Der hintere Bereich weist eine Austrittsöffnung auf, die ausgerichtet, um den Kühlstrom axial aus dem Kühlringraum auszugeben.

[0024] Es sind optional mehrere Strömungsmanipulationskomponenten vorgesehen, die entlang der Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs angeordnet sind.

[0025] Die mehreren Strömungsmanipulationskomponenten erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Aussenfläche des Brennkammerflammrohrs herum und sind axial voneinander beabstandet.

[0026] Die mehreren Strömungsmanipulationskomponenten weisen wenigstens eines von einer Vertiefung, einem Turbulator und einer V-Form oder sogenanntem Chevron (ein Winkelstück oder eine Zickzackleiste) auf.

[0027] In einer Ausführungsform weist das Gasturbinensystem ferner wenigstens einen Kühlströmungspfad auf, der sich zwischen dem Kühlringraum und dem Brennraum durch das Brennkammerflammrohr hindurch erstreckt, um den Kühlstrom in den Brennraum hinein zu einer Stelle in der Nähe einer Innenfläche des Brennkammerflammrohrs zu leiten, um dort entlang zu kühlen.

[0028] Der wenigstens eine Kühlströmungspfad leitet den Kühlstrom vorzugsweise entlang eines Abschnitts der Innenfläche innerhalb des Brennraums, so dass dadurch eine Kühlfilmschicht ausgebildet ist.

[0029] Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offenkundiger.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0030] Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschliessen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems;

Fig. 2 eine ausschnittsweise schematisierte Darstellung eines Brennkammerabschnitts des Gasturbi nensystems;

Fig. 3 eine vergrösserte Ansicht des Ausschnitts II aus Fig. 2 unter Veranschaulichung einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung gemäss einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4 eine vergrösserte Ansicht des Ausschnitts II aus Fig. 2 unter Veranschaulichung der Brennkammerflammrohrkühlanordnung gemäss einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 eine vergrösserte Ansicht des Ausschnitts II aus Fig. 2 unter Veranschaulichung der Brennkammerflammrohrkühlanordnung gemäss einer dritten Ausführungsform;

Fig. 6 eine vergrösserte Ansicht des Ausschnitts II aus Fig. 2 unter Veranschaulichung der Brennkammerflammrohrkühlanordnung gemäss einer vierten Ausführungsform; und

Fig. 7 eine vergrösserte Ansicht des Ausschnitts II aus Fig. 2 unter Veranschaulichung der Brennkammerflammrohrkühlanordnung gemäss einer fünften Ausführungsform.

[0031] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0032] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Turbinensystem, wie z.B. ein Gasturbinensystem, bei dem Bezugszeichen 10 schematisch veranschaulicht. Das Gasturbinensystem 10 enthält einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammerabschnitt 14, einen Turbinenabschnitt 16 und eine Welle 18. Es sollte erkannt werden, dass eine Ausführungsform des Gasturbinensystems 10 mehrere Verdichter 12, Brennkammern 14, Turbinen 16 und Wellen 18 enthalten kann. Der Verdichterabschnitt 12 und der Turbinenabschnitt 16 sind über die Welle 18 miteinander gekoppelt. Die Welle 18 kann eine einzelne Welle sein oder durch mehrere Wellensegmente gebildet sein, die miteinander verbunden sind, um die Welle 18 zu bilden.

[0033] Bezugnehmend auf Fig. 2 veranschaulicht eine ausschnittsweise schematische Darstellung einen Teil des Brennkammerabschnitts 14 eines Gasturbinensystems 10 in grösseren Einzelheiten. Der Brennkammerabschnitt 14 enthält ein Übergangsstück 20 mit einem Übergangskanal 22, der von einer Prallhülse 24 wenigstens teilweise umgeben ist, die radial aussen von dem Übergangskanal 22 angeordnet ist. Stromaufwärts hiervon, in der Nähe eines vorderen Abschnitts 26 der Prallhülse 24 befindet sich ein Brennkammerflammrohr 28, das einen Brennraum 30 definiert. Das Brennkammerflammrohr 28 ist wenigstens teilweise von einer Strömungshülse 32 umgeben, die radial aussen von dem Brennkammerflammrohr 28 angeordnet ist. Die Strömungshülse 32 enthält mehrere erste Eintrittsöffnungen 90, um Verdichteraustrittsluft in einen ersten Ringraum 92 hinein zu leiten, der durch die Strömungshülse 32 und das Brennkammerflammrohr 28 definiert ist. Ebenso enthält die Prallhülse 24 mehrere zweite Eintrittsöffnungen 94, um Verdichteraustrittsluft in einen zweiten Ringraum 96 hinein zu leiten, der durch die Prallhülse 24 und den Übergangskanal 22 definiert ist. Eine vordere Hülse 34 ist an der Verbindung zwischen dem vorderen Abschnitt 26 der Prallhülse 24 und einem hinteren Abschnitt 36 der Strömungshülse 32 angeordnet.

[0034] Der Brennkammerabschnitt 14 nutzt einen brennbaren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, um das Gasturbinensystem 10 zu betreiben. Der Brennraum 30 ist konfiguriert, um ein Luft-Brennstoff-Gemisch zu empfangen und/oder bereitzustellen, um dadurch eine Verbrennung herbeizuführen, die ein unter Druck stehendes heisses Abgas erzeugt, das als ein Heissgaspfad 38 strömt. Der Brennraum 30 leitet das unter Druck stehende Heissgas durch das Übergangsstück 20 hindurch in den Turbinenabschnitt 16 (Fig. 1) hinein, wodurch eine Drehung des Turbinenabschnitts 16 hervorgerufen wird. Die Gegenwart des unter Druck stehenden heissen Abgases erhöht die Temperatur des Brennkammerflammrohrs 28, das den Brennraum 30 umgibt, insbesondere in der Nähe eines hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28. Um Probleme zu überwinden, die mit einer übermässigen Wärmebeaufschlagung des Brennkammerflammrohrs 28 verbunden sind, strömt ein Kühlstrom 42 von strom-abwärtigen zu stromaufwärtigen Bereichen entlang des Brennkammerflammrohrs 28 in einer relativ entgegengesetzten Richtung zu derjenigen des Heissgaspfades 38. Insbesondere strömt der Kühlstrom 42 von dem zweiten Ringraum 96, der durch die Prallhülse 24 und den Übergangskanal 22 definiert ist, in Richtung auf den ersten Ringraum 92, der durch die Strömungshülse 32 und das Brennkammerflammrohr 28 definiert ist.

[0035] Indem nun auf Fig. 3 Bezug genommen wird, ist eine vergrösserte Querschnittsansicht des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 in grösseren Einzelheiten veranschaulicht, und sie stellt eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung 50 gemäss einer ersten Ausführungsform dar. Wenigstens ein Teil der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 50 enthält einen Kühlringraum 52, der durch eine Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 und eine Deckhülse 58 definiert ist, die radial aussen von dem Brennkammerflammrohr 28 angeordnet ist. Obwohl die Deckhülse 58 gewöhnlich das Brennkammerflammrohr 28 in der Nähe des hinteren Endes 40 vollständig umgibt, wird in Betracht gezogen, dass die Deckhülse 58 sich nur teilweise rings um das hintere Ende 40 herum in einer Umfangsrichtung erstreckt. Wie durch das Brennkammerflammrohr 28 und die Deckhülse 58 definiert, erstreckt sich der Kühlringraum 52 in Umfangsrichtung rings um die Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 und entlang einer relativ axialen Richtung des Brennkammerflammrohrs 28, wobei er eine Länge L aufweist.

[0036] In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine elastische Dichtung 56 der Kompressionsbauart, wie beispielsweise eine Hula-Dichtung, zwischen der Deckhülse 58 und einem Abschnitt der vorderen Hülse 34 oder alternativ dem vorderen Abschnitt 26 der Prallhülse 24 montiert. Die Deckhülse 58 ist an dem Brennkammerflammrohr 28 montiert, um eine Montagefläche für die elastische Kompressionsdichtung 56 zu bilden.

[0037] Der Kühlringraum 52 enthält ferner einen vorderen Bereich 60 und einen hinteren Bereich 62, die die Länge L definieren. Es sollte erkannt werden, dass der Kühlringraum 52 in Form verschiedener Abmessungen ausgebildet ist und auf zahlreichen Parametern der Anwendung, mit der in Verbindung er eingesetzt wird, basieren wird. Z.B. variieren die Länge L, der dimensionale Abstand in Umfangsrichtung und die Tiefe des Kühlringraums 52. Unabhängig von den genauen Abmessungen ist der Kühlringraum 52 konfiguriert, um den Kühlstrom 42 durch eine Eintrittsöffnung 64 hindurch zu empfangen, die in der Deckhülse 58 angeordnet ist. Die Eintrittsöffnung 64 erstreckt sich durch die Deckhülse 58 hindurch, und es sollte verstanden werden, dass die Eintrittsöffnung 64 relativ senkrecht zu dem Kühlstrom 42 oder unter einem Winkel zu diesem ausgerichtet sein kann.

[0038] Obwohl vorgesehen ist, dass die Eintrittsöffnung 64 an zahlreichen Stellen entlang der Länge L des Kühlringraums 52 angeordnet sein kann, ist die Eintrittsöffnung 64 gewöhnlich in der Nähe des vorderen Bereiches 60 des Kühlringraums 52 angeordnet. Wenigstens ein Teil des Kühlstroms 42 wird in die Eintrittsöffnung 64 hinein geleitet und strömt durchweg durch den Kühlringraum 52 hindurch.

[0039] Eine perforierte Hülse 68 ist innerhalb des Kühlringraums 52 an einer Stelle radial innen von der Deckhülse 58 und radial aussen von dem Brennkammerflammrohr 28 angeordnet. Die perforierte Hülse 68 enthält mehrere axial beabstan-dete Löcher 70, die sich durch diese hindurch erstrecken, um den Kühlstrom 42 in Richtung auf und gegen die Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 zu beaufschlagen bzw. aufprallen zu lassen, um das hintere Ende 40 zu kühlen, wenn der Kühlstrom 42 in dem Kühlringraum 52 aufgenommen wird. In Kombination mit dem Aufprall des Kühlstroms 42 auf die Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 wird der Kühlstrom 42 entlang der Aussenfläche 54 in einer relativ axialen Richtung geleitet, um eine zusätzliche Konvektionskühlung zu erzielen.

[0040] Wenigstens eine Austrittsöffnung 72, die in der Nähe des hinteren Bereichs 62 angeordnet ist, erstreckt sich von dem Kühlringraum 52 aus zu einem Aussenbereich 74 in Bezug auf den Kühlringraum 52. In der veranschaulichten Ausführungsform entspricht der Aussenbereich 74 dem zweiten Ringraum 96, der durch die Prallhülse 24 und das Brennkammerflammrohr 28 oder den Übergangskanal 22 definiert ist. Die Austrittsöffnung 72 stellt einen Ausgang für den Kühlstrom 42 bereit, der innerhalb des Kühlringraums 52 strömt, und eine derartige Strömungsneigung wird basierend darauf erreicht, dass der Aussenbereich 74 unter einem niedrigeren Druck steht als der Kühlringraum 52. Wie in dem Fall der vorstehend beschriebenen Eintrittsöffnung 64 wird es auch in Betracht gezogen, dass die Austrittsöffnung 72 an verschiedenen axialen Stellen entlang der Länge L des Kühlringraums 52 angeordnet werden kann, wobei jedoch gewöhnlich die Austrittsöffnung 72 in der Nähe des hinteren Bereiches 62 des Kühlringraums 52 angeordnet ist, wie dies veranschaulicht und vorstehend beschrieben ist. Ausserdem sollte erkannt werden, dass die Austrittsöffnung 72 unter zahlreichen Winkeln, einschliesslich parallel zu der Strömungsrichtung des Kühlstroms 42, ausgerichtet sein kann. Es sollte ferner erkannt werden, dass die Stelle des Aussenbereichs 74, zu dem der Kühlstrom 42 ausgestossen wird, variieren kann, wie dies nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf alternative Ausführungsformen beschrieben ist.

[0041] In Bezug auf jede der Austrittsöffnungen 72 ist es vorgesehen, dass mehrere runde Löcher unter einem geringen Winkel längs des Umfangs voneinander beabstandet und in einer relativ einzelnen axialen Ebene angeordnet sind. Alternativ sind mehrere Reihen enthalten, um axial versetzte Austrittsöffnungen bereitzustellen. Wie vorstehend erwähnt, sind die Austrittsöffnungen 72 unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf eine Oberflächentangente des Brennkammerflammrohrs 28 ausgerichtet. Z.B. ist die Austrittsöffnung 72 unter einem Winkel von etwa 15 Grad bis etwa 90 Grad ausgerichtet. Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Einzelwinkelkonfiguration ist ein sekundärer oder zusammengesetzter Winkel vorhanden, um einen ersten winkeligen Abschnitt und einen zweiten winkeligen Abschnitt der Austrittsöffnung 72 zu bilden. In einer derartigen Ausführungsform ist der sekundäre oder zusammengesetzte Winkel bei etwa 0 Grad bis etwa 50 Grad in Bezug auf die Axialrichtung des ersten winkeligen Abschnitts ausgerichtet.

[0042] Obwohl der Brennkammerabschnitt 10 veranschaulicht und vorstehend beschrieben ist, wie er eine einzige Eintrittsöffnung und eine einzige Austrittsöffnung aufweist, sind gewöhnlich entweder mehrere Eintrittsöffnungen 64 und/oder mehrere Austrittsöffnungen 72 enthalten, und die Austrittsöffnung 72 ist als ein einzelner umlaufender kreisringförmiger Abschnitt anstatt als eine oder mehrere Öffnungen konfiguriert. Insbesondere sind für Ausführungsformen mit mehreren Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen derartige Merkmale an einer beliebigen Stelle entlang der Länge L des Kühlringraums 52 vorhanden, wobei jedoch, wie in dem Fall der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, die Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen gewöhnlich in der Nähe des vorderen Bereiches 60 bzw. des hinteren Bereiches 62 angeordnet sind. Eine derartige Ausführungsform enthält in Umfangsrichtung beabstandete Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen, wobei der Abstand zwischen derartigen Einrichtungen in einem Bereich liegt, der von der Anwendung im Einsatz abhängig ist.

[0043] Indem nun auf Fig. 4 Bezug genommen wird, ist eine vergrösserte Querschnittsansicht des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 gemäss einer zweiten Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 100 in grösseren Einzelheiten veranschaulicht. Die zweite Ausführungsform der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 100 ist in vielen Hinsichten derjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich, wozu die Anordnung der Austrittsöffnung 72 in der Nähe des hinteren Bereiches 62 des Kühlringraums 52 gehört, um den Kühlstrom 42 aus dem Kühlringraum 52 heraus zu blasen, um dadurch einen effizienten konvektiven Kanalkühleffekt an dem Brennkammerflammrohr 28 zusätzlich zu der Aufprallkühlung zu erzielen. Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Merkmalen enthält die Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 mehrere Strömungsmanipulationskomponenten 102, wie beispielsweise Turbulatoren. Die Strömungsmanipulationskomponenten 102 weisen einen diskreten oder einzelnen Kreisring auf, der durch eine erhabene Umfangsrippe gebildet ist, die sich längs des Umfangs rings um die Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 erstreckt. Die Strömungsmanipulationskomponenten 102 sind gewöhnlich parallel zueinander in einer axial voneinander beabstandeten Anordnung angeordnet, wobei jedoch in Betracht gezogen wird, dass die Strömungsmanipulationskomponenten 102 in einer gewinkelten Anordnung, beispielsweise einem spiralförmigen Muster, angeordnet werden. Die Strömungsmanipulationskomponenten 102 sind an einer beliebigen Stelle innerhalb des Kühlringraums 52 angeordnet, um die Kühlung des Brennkammerflammrohrs 28 zu verbessern. Ausserdem bilden die Strömungsmanipulationskomponenten 102 ein «Zick-Zack»-Muster, das seine Richtung rings um die Aussenflache 54 verändert. Obwohl erwähnt ist, dass die Turbulatoren die Strömungsmanipulationskomponenten 102 bilden, können zahlreiche geeignete alternative Formen, wie beispielsweise Grübchen oder Vertiefungen und Winkel oder V-Form oder Zickzackleisten (sog. Chevrons), verwendet werden, um hinreichend Wirbel zur Verbesserung der Wärmeübertragung und der thermischen Gleichmässigkeit entlang des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 zu erzeugen. Ausserdem sorgen die Strömungsmanipulationskomponenten 102 für eine erhöhte Turbulenz durch Störung einer Grenzschicht, die gewöhnlich in der Nähe des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 erzeugt wird.

[0044] Indem nun auf Fig. 5 Bezug genommen wird, ist eine vergrösserte Querschnittsansicht des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 gemäss einer dritten Ausführungsform der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 200 in grösseren Einzelheiten veranschaulicht. Die dritte Ausführungsform der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 200 ist in vielen Hinsichten derjenigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ähnlich, wobei jedoch die in den Kühlringraum 52 eingeleitete Kühlströmung 42 durch wenigstens einen Kühlströmungspfad 202 ausgestossen wird, auf den abwechselnd mit der Austrittsöffnung 72 Bezug genommen wird, wobei der wenigstens eine Kühlströmungspfad 202 sich durch das Brennkammerflammrohr 28 hindurch von dem Kühlringraum 52 zu einer Innenfläche 204 des Brennkammerflammrohrs erstreckt, wobei die Brennkammerflammrohrinnenfläche 204 dem Heissgaspfad 38 innerhalb des Brennraums 30 ausgesetzt ist. Der wenigstens eine Kühlströmungspfad 202 stellt einen Ausgang für den Kühlstrom 42 bereit, der innerhalb des Kühlringraums 52 strömt, und eine derartige Strömungsneigung wird basierend darauf erreicht, dass der Brennraum 30 unter einem geringeren Druck steht als der Kühlringraum 52 sowie der Bereich, der durch die Deckhülse 58 und die vordere Hülse 34 definiert ist, oder alternativ der vordere Abschnitt 26 der Prallhülse 24. Der wenigstens eine Kühlströmungspfad 202 ist an verschiedenen axialen Stellen entlang der Länge L des Kühlringraums 52 angeordnet, wobei jedoch gewöhnlich der wenigstens eine Kühlströmungspfad 202 in der Nähe des vorderen Bereiches 60 oder des hinteren Bereiches 62 des Kühlringraums 62 oder in der Nähe von beiden angeordnet ist. Ausserdem ist der wenigstens eine Kühlströmungspfad 202 unter vielfältigen Winkeln, einschliesslich senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kühlstroms 42 und des Heissgaspfades 38, ausgerichtet.

[0045] Wie es der Fall bei der Austrittsöffnung 72 ist, wie in Verbindung mit den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, sollte erkannt werden, dass, obwohl die Brennkammerflammrohrkühlanordnung 200 veranschaulicht und vorstehend beschrieben ist, wie sie eine einzelne Eintrittsöffnung und einen einzelnen Kühlströmungspfad aufweist, entweder mehrere Eintrittsöffnungen 64 und/oder mehrere von dem wenigstens einen Kühlströmungspfad 202 enthalten sind. Eine derartige Ausführungsform enthält in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung beabstandete Eintrittsöffnungen und Kühlströmungspfade, wobei der Abstand zwischen derartigen Einrichtungen in einem Bereich liegt, der von der Anwendung im Einsatz abhängig ist.

[0046] Im Betrieb wird nach einer Kühlung des Brennkammerflammrohrs 28 aufgrund der Gegenwart des Kühlstroms 42 innerhalb des Kühlringraums 52 basierend auf einem Aufprall und einem konvektiven Querstrom der Kühlstrom 42 aus dem Kühlringraum 52 durch den wenigstens einen Kühlströmungspfad 202 ausgegeben. Der Kühlstrom 42 wird anschliessend entlang eines Abschnitts der Brennkammerflammrohrinnenfläche 204 geleitet, wodurch eine Filmkühlbarriere 206 zwischen dem Heissgaspfad 38 und der Brennkammerflammrohrinnenfläche 204 geschaffen wird.

[0047] Bezugnehmend auf Fig. 6 ist eine vergrösserte Querschnittsansicht des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 gemäss einer vierten Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 300 in grösseren Einzelheiten veranschaulicht. Die vierte Ausführungsform der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 300 ist in vielen Hinsichten derjenigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere der dritten Ausführungsform, ähnlich. Anstatt eines einzelnen Kühlströmungspfades erstrecken sich mehrere Kühlströmungspfade 302 durch das Brennkammerflammrohr 28 hindurch von dem Kühlringraum 52 aus zu der Brennkammerflammrohrinnenfläche 204. Die mehrere Kühlströmungspfade 302 sind unter vielfältigen Winkeln ausgerichtet und weisen vielfältige und variierende Grössen auf. Nach einer Kühlung des Brennkammerflammrohrs 28 aufgrund der Gegenwart des Kühlstroms 42 innerhalb des Kühlringraums 52 basierend auf einem Aufprall und konvektivem Querstrom wird der Kühlstrom 42 aus dem Kühlringraum 52 durch die mehreren Kühlströmungspfade 302 hindurch ausgestossen, um eine Effusionskühlung eines Bereiches innerhalb des Brennraums 30 in der Nähe der Brennkammerflammrohrinnenfläche 204 zu erzielen.

[0048] Es sollte erkannt werden, dass jede oder beide von der vorstehend beschriebenen dritten und vierten Ausführungsform der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 200 bzw. 300 die Austrittsöffnung 72 enthalten ist/sind, wie sie in Verbindung mit der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben ist, wie dies als ein Beispiel für die dritte Ausführungsform in Fig. 7 veranschaulicht ist.

[0049] Bezugnehmend auf Fig. 7 ist eine vergrösserte Querschnittsansicht des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs 28 gemäss einer fünften Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 400 in grösseren Einzelheiten veranschaulicht. Die fünfte Ausführungsform der Brennkammerflammrohrkühlanordnung 400 ist in vielen Hinsichten derjenigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ähnlich, wobei jedoch die fünfte Ausführungsform die perforierte Hülse 68 innerhalb des Kühlringraums 52, wie dies bei all den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist, oder einen Kühlströmungspfad, wie er in Bezug auf die dritte und die vierte Ausführungsform beschrieben ist, nicht enthält. Die fünfte Ausführungsform enthält die Eintrittsöffnung 64, um den Kühlstrom 42 zu dem Kühlringraum 52 zu leiten, und die Austrittsöffnung 72 in der Nähe des hinteren Bereiches 62 des Kühlringraums 52, um den Kühlstrom 42 aus diesem auszugeben. Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist wenigstens eine, sind jedoch gewöhnlich mehrere vorstehende Erhöhungen 402 entlang der Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 angeordnet, wobei jede der mehreren Erhöhungen 402 sich von der Aussenfläche 54 radial weg in Richtung auf die Deckhülse 58 erstreckt. Die mehreren Erhöhungen 402 sind gewöhnlich axial voneinander beabstandet und sind in jeder beliebigen Weise, beispielsweise in einer «Hintereinander-» bzw. «Reihenbeziehung» oder in einer «versetzten» Beziehung, angeordnet. Die Hintereinander- bzw. Reihenbeziehung bezieht sich auf Reihen, die in Bezug auf eine Umfangsposition an dem Brennkammerflammrohr 28 ausgerichtet sind. Die versetzte Beziehung bezieht sich auf eine Anordnung, in der axial benachbarte Erhöhungen nicht in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtet sind. Die mehreren Erhöhungen 402 vergrössern den Oberflächenbereich der Aussenfläche 54 des Brennkammerflammrohrs 28 innerhalb des Kühlringraums 52, wodurch die Wärmeübertragung in der Nähe des hinteren Endes 40 des Brennkammerflammrohrs gesteigert wird.

[0050] Eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung enthält ein Brennkammerflammrohr, das einen Brennraum definiert. Ferner ist eine Deckhülse enthalten, die von einem hinteren Ende des Brennkammerflammrohrs radial nach aussen beabstandet ist und dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse und das Brennkammerflammrohr einen Kühlringraum definieren. Ferner ist wenigstens eine Eintrittsöffnung enthalten, die sich durch die Deckhülse hindurch erstreckt, um einen Kühlstrom zu dem Kühlringraum zu leiten. Noch weiter ist eine perforierte Hülse enthalten, die zwischen der Deckhülse und dem Brennkammerflammrohr angeordnet ist, wobei die perforierte Hülse mehrere Löcher aufweist, um den Kühlstrom gegen das Brennkammerflammrohr aufprallen zu lassen.

Bezugszeichenliste [0051] 10 Turbinensystem 12 Verdichterabschnitt 14 Brennkammerabschnitt 16 Turbinenabschnitt 18 Welle 20 Übergangsstück 22 Übergangskanal 24 Prallhülse 26 vorderer Abschnitt 28 Brennkammerflammrohr

Claims (9)

1. 30 Brennraum 32 Strömungshülse 34 vordere Hülse 36 hinterer Abschnitt 38 Heissgaspfad 40 hinteres Ende 42 Kühlstrom 50 Brennkammerflammrohrkühlanordnung 52 Kühlringraum 54 Aussenfläche 56 Kompressionsdichtung 58 Deckhülse 60 vorderer Bereich 62 hinterer Bereich 64 Eintrittsöffnung 68 perforierte Hülse 70 axial beabstandete Löcher 72 Austrittsöffnung 74 Aussenbereich 90 mehrere Eintrittsöffnungen 92 erster Ringraum 94 mehrere zweite Eintrittsöffnungen 96 zweiter Ringraum 100 zweite Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 102 Strömungsmanipulationskomponenten 200 dritte Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 202 Kühlströmungspfad 240 Brennkammerflammrohrinnenfläche 300 vierte Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 302 mehrere Kühlströmungspfade 400 fünfte Ausführungsform einer Brennkammerflammrohrkühlanordnung 402 mehrere Erhöhungen Patentansprüche

   1. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50), die aufweist: ein Brennkammerflammrohr(28), das einen Brennraum (30) definiert; eine Deckhülse (58), die radial aussen von einem hinteren, in Heissgasströmung stromabwärts liegenden Ende (40) des Brennkammerflammrohrs (28) beabstandet ist und dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse (58) und das Brennkammerflammrohr (28) einen Kühlringraum (52) definieren; wenigstens eine Eintrittsöffnung (64), die sich durch die Deckhülse (58) hindurch erstreckt, um einen Kühlstrom (42) zu dem Kühlringraum (52) zu leiten; und eine durch mehrere Löcher (70) perforierte Hülse (68), die zwischen der Deckhülse (58) und dem Brennkammerflammrohr (28) angeordnet ist, um den Kühlstrom (42) gegen das Brennkammerflammrohr (28) aufprallen zu lassen.
2. 2. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach Anspruch 1, wobei der Kühlringraum (52) einen vorderen, in Heissgasstromrichtung stromaufwärts liegenden Endbereich (60) und einen hinteren, in Heissgasstromrichtung stromabwärts liegenden Endbereich (62) enthält, wobei die wenigstens eine Eintrittsöffnung (64) neben dem vorderen, in Heissgasstromrichtung stromaufwärts liegenden Endbereichs (60) angeordnet ist.
3. 3. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach Anspruch 2, wobei der hintere Endbereich (62) eine Austrittsöffnung (72) aufweist, die ausgerichtet ist, um den Kühlstrom (42) axial aus dem Kühlringraum (52) auszugeben.
4. 4. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner mehrere Strömungsmanipulationskomponenten (102) aufweist, die entlang einer Aussenfläche (54) des Brennkammerflammrohrs (28) angeordnet sind.
5. 5. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Strömungsmanipulationskomponenten (102) sich in Umfangsrichtung um die Aussenfläche (54) des Brennkammerflammrohrs (28) herum erstrecken und axial voneinander beabstandet sind.
6. 6. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mehreren Strömungsmanipulationskomponenten (102) wenigstens eines von einer Vertiefung, einem Turbulator und einer V-Form aufweisen.
7. 7. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach einem dervorhergehenden Ansprüche, die ferner wenigstens einen Kühlströmungspfad (202) aufweist, der sich zwischen dem Kühlringraum (52) und dem Brennraum (30) durch das Brennkammerflammrohr (28) hindurch erstreckt, um den Kühlstrom (42) in den Brennraum (30) hinein zu einer Stelle in der Nähe einer Innenfläche des Brennkammerflammrohrs (28) zu leiten, um dort entlang zu kühlen.
8. 8. Brennkammerflammrohrkühlanordnung (400), die aufweist: ein Brennkammerflammrohr (28), das einen Brennraum (30) definiert, wobei das Brennkammerflammrohr (28) eine Aussenfläche (54) und eine Innenfläche enthält; eine Deckhülse (58), die von einem hinteren, in Heissgasströmung stromabwärts liegenden Ende (40) des Brennkammerflammrohrs (28) radial nach aussen beabstandet ist und dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei die Deckhülse (58) und die Aussenfläche (54) des Brennkammerflammrohrs (28) einen Kühlringraum (52) definieren, wobei ein Kühlstrom (42) zu dem Kühlringraum (52) durch eine Eintrittsöffnung (64) geleitet wird, die sich durch die Deckhülse (58) hindurch erstreckt; und wenigstens eine Erhöhung (402), die sich von der Aussenfläche (54) des Brennkammerflammrohrs (28) aus radial nach aussen erstreckt, um einen Oberflächenbereich der Aussenfläche (54) zu vergrössern, um die Wärmeübertragung in der Nähe des hinteren Endes (40) des Brennkammerflammrohrs (28) zu steigern und eine Grenzschicht in der Nähe des hinteren Endes (40) des Brennkammerflammrohrs (28) zu stören.
9. 9. Gasturbinensystem, das aufweist: eine Brennkammerflammrohrkühlanordnung (50) nach Anspruch 1, wobei das Brennkammerflammrohr (28) einen Brennraum (30) definiert und eine Aussenfläche (54) und eine Innenfläche enthält; eine Strömungshülse (32), die radial aussen von der Aussenfläche (54) des Brennkammerflammrohrs (28) angeordnet ist und mehrere erste Kühlöffnungen (90) aufweist, um Verdichteraustrittsluft in einen ersten Strömungsringraum (92) hinein zu leiten, der durch die Strömungshülse (32) und das Brennkammerflammrohr (28) definiert ist; ein Übergangsstück (20), das betriebsmässig mit dem Brennkammerflammrohr (28) verbunden und konfiguriert ist, um heisse Verbrennungsgase zu einem Turbinenabschnitt des Gasturbinensystems zu führen; eine Prallhülse (24), die das Übergangsstück (20) umgibt und mehrere zweite Kühlöffnungen aufweist, um Verdichteraustrittsluft in einen zweiten Ringraum (96) hinein zu leiten, der durch das Übergangsstück (20) und die Prallhülse (24) definiert ist; eine elastische Dichtungsstruktur (56), die radial zwischen einem hinteren, in Heissgasströmung stromabwärts liegenden Ende (40) des Brennkammerflammrohrs (28) und einem vorderen, in Heissgasströmung am stromaufwärts liegenden Ende des Übergangsstücks (20) angeordnet ist.