DE10158548A1 - Combustor lining with cooling holes for gas turbine, has cooling hole angle decreasing in air flow direction from lining edge region - Google Patents
Combustor lining with cooling holes for gas turbine, has cooling hole angle decreasing in air flow direction from lining edge regionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammerschindel für eine Gasturbine mit mehreren Kühllöchern. The invention relates to a combustion chamber shingle for a gas turbine with several cooling holes.
Bei Gasturbinen-Brennkammern ist wegen einer hohen Umweltverträglichkeit eine möglichst effiziente Kraftstoffausnutzung anzustreben, um dadurch niedrige Schadstoffemissionen zu erhalten. Ein guter Wirkungsgrad der Gasturbine wird unter anderem dann erzielt, wenn möglichst wenig Prozessluft zu Kühlungszwecken verwendet werden muss. Hierbei spielt die Brennkammerwandkühlung eine große Rolle. In gas turbine combustion chambers is because of a high Environmental compatibility as efficient as possible To strive for fuel efficiency in order to reduce pollutant emissions to obtain. A good efficiency of the gas turbine will among other things achieved when as little process air as possible must be used for cooling purposes. Here the Combustion chamber wall cooling plays a major role.
Es ist bekannt, durch eine Vielzahl von Pralluftlöchern Kühlluft in einen Luftspalt zwischen der Brennkammerschindel und der Brennkammerwandung einzuleiten. Diese Luft wird wiederum durch Kühllöcher oder Effusionsbohrungen durch die aus hochtemperaturfesten Materialien gefertigten Brennkammerschindeln geleitet. Um die zur Verfügung stehende Kühlluft möglichst wirksam einzusetzen, ist die Anzahl der Kühllöcher sehr groß gewählt, die Größe der Kühllöcher bzw. deren Durchmesser allerdings entsprechend klein, da die Querschnittsfläche der insgesamt zur Verfügung stehenden Kühllöcher konstruktiv vorgegeben ist. It is known through a variety of impingement holes Cooling air in an air gap between the combustion chamber shingle and initiate the combustion chamber wall. This air will again through cooling holes or effusion holes through the high temperature resistant materials Headed combustion chamber shingles. To the available cooling air The number of cooling holes is to be used as effectively as possible chosen very large, the size of the cooling holes or their Diameter, however, correspondingly small, since the Cross-sectional area of the total available Cooling holes is specified structurally.
Zur Fertigung der Kühllöcher wird üblicherweise ein Bohrverfahren eingesetzt, welches Laserstrahlen verwendet. Während die Pralluftlöcher in der Regel senkrecht zu der zu bohrenden Wandung der Brennkammer ausgebildet sind, müssen die Kühllöcher oder Effusionslöcher unter einem relativ flachen Winkel in Richtung der allgemeinen Brennkammerströmung angeordnet sein, um eine optimale Ausbildung des Kühlfilms auf der Heißseite der Brennkammerschindeln zu erreichen. Zur Erzielung gleichmäßiger Strömungsvorgänge weisen die Kühllöcher beim Stand der Technik alle denselben Neigungswinkel zur Mittelachse der Brennkammerschindeln auf. Hierdurch ist es theoretisch möglich, eine gleichmäßige Kühlwirkung auf der gesamten Fläche der Brennkammerschindel zu erzielen. Die Ausbildung von sogenannten heißen Stellen, welche eine negative Auswirkung auf die Lebensdauer der Brennkammerschindeln hätte, wird somit vermieden. A is usually used to manufacture the cooling holes Drilling method used, which uses laser beams. While the baffle holes are generally perpendicular to the boring wall of the combustion chamber, the Cooling holes or effusion holes under a relatively flat one Angle in the direction of the general combustion chamber flow be arranged to optimally form the cooling film to reach the hot side of the combustion chamber shingles. to Achieving uniform flow processes show the Cooling holes in the prior art all have the same angle of inclination to the central axis of the combustion chamber shingles. This is it is theoretically possible to have an even cooling effect to achieve the entire surface of the combustion chamber shingle. The Training of so-called hot spots, which one negative impact on the life of the combustion chamber shingles would be avoided.
Problematisch sind jedoch sogenannte Singularitäten im Kühllochfeld. Hierzu beschreibt beispielsweise die EP 972 992 A1 Maßnahmen, um in den Bereichen hinter den Mischluftlöchern, in deren Nachlauf die unter einem flachen Winkel gebohrten Kühllöcher in den Lochrand laufen würden, zur effizienteren Kühlung zu ergreifen. Im negativen Fall würden dort hohe Spannungsspitzen auftreten, die ihrerseits zu einem Anriss des Bauteils und einem nachfolgenden Bauteilversagen führen würden. So-called singularities in the Cooling hole field. EP 972 992 A1, for example, describes this Measures to be taken in the areas behind the mixed air holes, in the wake of those drilled at a flat angle Cooling holes would run into the edge of the hole for more efficient To take cooling. In the negative case there would be high ones Voltage peaks occur, which in turn lead to a crack of the component and a subsequent component failure would.
Der Stand der Technik zeigt, dass die Herstellung der Kühllöcher (Effusionsbohrungen) mittels Laserstrahl die derzeit einzige wirtschaftliche Variante ist, um die benötigte große Anzahl von Kühllöchern in den Brennkammerschindeln zu erzeugen. Man unterscheidet dabei zwischen zwei möglichen Verfahren, einer Schlagbohrvariante (Percussion) und einer Schneidvariante (Trepanning). In beiden Fällen kann die Schneidwirkung des Laserstrahls nicht auf das zu bohrende Kühlloch beschränkt werden. Vielmehr wird sämtliches Material, welches sich im Bereich des Laserstrahls befindet, mehr oder weniger stark aufgeschmolzen und/oder entfernt. Sofern ausreichend Platz zur Verfügung steht, kann die Beschädigung benachbarter Materialbereiche durch geeignete Masken verhindert werden. Dies ist jedoch insbesondere bei den Kühllöchern, die am Randbereich der Schindel gebohrt werden sollen, nicht möglich. Somit ist es mit den bekannten Herstellungsverfahren nicht möglich, eng angrenzend an den Randbereich einer Schindel Kühllöcher einzubringen, da bei deren Herstellung der Randbereich der Brennkammerschindel beschädigt würde. Hieraus resultiert, dass angrenzend an den umlaufenden Schindelrand ein relativ breiter Bereich der Brennkammerschindel nicht mit Kühllöchern versehen sein kann. Dieser Bereich wird somit nicht optimal gekühlt. Um trotzdem eine Kühlwirkung zu erzielen, muss im Vorbereich der Brennkammerschindel ein entsprechender Kühlfilm erzeugt werden, der über den Anfangsbereich der Brennkammerschindel wirksam ist und sich bis zu den ersten Kühllöchern erstreckt. Der hierbei benötigte Kühlluftmassenstrom nimmt überproportional mit der zu überwindenden Lauflänge dieses Anfangskühlluftstroms zu. Dies bedeutet, dass eine erhebliche Kühlluftmenge benötigt wird, um den Anfangsbereich der Brennkammerschindel zu kühlen. The prior art shows that the manufacture of the Cooling holes (effusion holes) using the laser beam currently only economical option is to get the needed large Number of cooling holes in the combustion chamber shingles too produce. One differentiates between two possible Procedure, a percussion and a Cutting variant (trepanning). In both cases, the Cutting effect of the laser beam not on the one to be drilled Cooling hole to be limited. Rather, everything is Material that is in the area of the laser beam, more or less melted and / or removed. Provided sufficient space is available, the damage can neighboring material areas with suitable masks be prevented. However, this is particularly the case with the Cooling holes drilled at the edge of the shingle should not be possible. So it is with the known Manufacturing process not possible, close to the Edge area of a shingle to introduce cooling holes, because at their Production of the edge area of the combustion chamber shingle would be damaged. The result of this is that adjacent to the circumferential shingle edge a relatively wide area of The combustion chamber shingle must not be provided with cooling holes can. This area is therefore not optimally cooled. Around to achieve a cooling effect in the preliminary area the combustion chamber shingle creates a corresponding cooling film over the beginning of the combustion chamber shingle is effective and extends to the first cooling holes extends. The cooling air mass flow required here takes disproportionately with the run length to be overcome this Initial cooling airflow too. This means that one significant amount of cooling air is needed to cover the initial area of the To cool the combustion chamber shingle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkammerschindel der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile eine effiziente Kühlung zu ermöglichen. The invention is based on the object To create a combustion chamber shingle of the type described at the outset with a simple structure and simpler, cheaper Producibility while avoiding the state of the art known disadvantages to enable efficient cooling.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. According to the invention, the object is achieved by Combination of features of the main claim solved, the sub-claims show further advantageous embodiments of the invention.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Kühllöcher, beginnend am Randbereich der Schindel, bezogen auf ihre Mittelachse, einen abnehmenden Winkel zur Mittelebene der Brennkammerschindel aufweisen. According to the invention it is thus provided that the Direction of flow successive cooling holes, starting on Edge area of the shingle, based on its central axis, one decreasing angle to the central plane of the combustion chamber shingle exhibit.
Die erfindungsgemäße Brennkammerschindel zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. The combustion chamber shingle according to the invention is characterized by a number of significant benefits.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die an den Randbereich der Brennkammerschindel angrenzenden Kühllöcher (Effusionsbohrungen) mit einem steileren Winkel zu erzeugen. Hierdurch ist es möglich, dass kein Teil der Brennkammerschindel, auch nicht deren Randbereich, sich in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls befindet. According to the invention it is thus provided that the edge area the cooling holes adjacent to the combustion chamber shingle (Effusion holes) with a steeper angle. hereby it is possible that no part of the combustion chamber shingle, too not their marginal area, in the direction of propagation of the laser beam.
Erfindungsgemäß sind somit die direkt an den Randbereich anschließenden Kühllöcher mit einem relativ großen Winkel, bezogen auf ihre Mittelachse, gebohrt, während die nächstfolgenden Kühllöcher jeweils einen flacheren Winkel einnehmen können, solange bis der für die restliche Kühlung der Brennkammerschindel optimale flache Winkel der Kühllöcher erreicht ist. According to the invention, they are thus directly to the edge area subsequent cooling holes with a relatively large angle, related to their central axis, drilled while the next following cooling holes each take a flatter angle can until the for the remaining cooling of the Combustion chamber shingle optimal flat angles of the cooling holes is reached.
Bedingt durch den steileren Winkel der sich an den Randbereich anschließenden Kühllöcher ist dort zwar die Kühlung nicht ganz optimal, sie ist in jedem Falle jedoch besser, als wenn sich dort, wie beim Stand der Technik bekannt, keinerlei Kühllöcher befinden. Weiterhin ist die zu der Kühlung dieses Bereichs erforderliche Kühlluftmenge geringer, als die für den Starterfilm benötigte Kühlluftmenge. Due to the steeper angle at the Cooling holes adjoining the edge region there is indeed cooling not quite optimal, but in any case it is better, as if, as is known in the prior art, there are no cooling holes. Furthermore, the cooling This area requires less cooling air than the amount of cooling air required for the starter film.
Insgesamt ergibt sich somit eine weitaus bessere Kühlung des Randbereichs der Brennkammerschindel. Dies wiederum führt zu einer Vergleichmäßigung des Temperaturfeldes auf der Brennkammerschindel und damit zu einer erheblichen Reduzierung der durch den thermischen Gradienten induzierten Spannungen. Als Folge hieraus ist eine wesentlich höhere Lebensdauer der Brennkammerschindeln zu erzielen. Overall, this results in a much better cooling of the Edge area of the combustion chamber shingle. This in turn leads to an equalization of the temperature field on the Combustion chamber shingle and thus to a considerable reduction the stresses induced by the thermal gradient. As a result, the life of the To achieve combustion chamber shingles.
Weiterhin führt das im Wesentlichen homogene Temperaturfeld der Brennkammerschindel zu einer gleichmäßigeren thermischen Verformung, sodass es möglich ist, eine bessere Spaltkontrolle zwischen der Brennkammerschindel und der Wandung der Brennkammer zu erhalten. Diese bessere Spaltkontrolle ermöglicht eine weitaus bessere Ausnutzung der eingesetzten Kühlluft. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Gasturbine ganz erheblich. Furthermore, the essentially homogeneous temperature field leads the combustion chamber shingle to a more uniform thermal Deformation so that it is possible to get a better one Gap control between the combustion chamber shingle and the wall of the Get combustion chamber. This better gap control enables a much better use of the used Cooling air. This increases the efficiency of the gas turbine quite considerably.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt: The invention is described below with reference to Exemplary embodiments described in connection with the drawing. there shows:
Fig. 1 eine schematische Teil-Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammer, Fig. 1 is a schematic partial sectional view of an inventive combustion chamber,
Fig. 2 eine vergrößerte Seiten-Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgestalten Brennkammerschindel, wie in Fig. 1 gezeigt, und Fig. 2 is an enlarged side sectional view of a combustion chamber shingle designed according to the invention, as shown in Fig. 1, and
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkammerschindel. Fig. 3 is a plan view of an embodiment of a combustion chamber shingle according to the invention.
Die stark vereinfachte, schematische Teil-Schnittansicht der Fig. 1 zeigt eine Brennkammerwandung 1, in der mehrere senkrechte zu dieser verlaufende Prallkühllöcher 2 ausgebildet sind. The greatly simplified, schematic partial sectional view of FIG. 1 shows a combustion chamber wall 1 in which a plurality of baffle cooling holes 2 running perpendicular to it are formed.
In einem Abstand zu der Brennkammerwand 1 ist eine Brennkammerschindel 3 angeordnet, deren Randbereiche 14, 15 unter Bildung einer Kühlluftkammer 16 gegen die Brennkammerwand 1 anliegen. At a distance from the combustion chamber wall 1 , a combustion chamber shingle 3 is arranged, the edge regions 14 , 15 of which bear against the combustion chamber wall 1 to form a cooling air chamber 16 .
Die Darstellung der Fig. 1 zeigt weiterhin einen Hitzeschild 4 sowie ein Loch 5 für einen Kühlluft-Starterfilm 6. Die Ausgestaltung des Hitzeschildes 4 sowie des Lochs 5 und des Starterfilms 6 zeigen den aus dem Stand der Technik bekannten Zustand, auf weitere Erläuterungen kann deshalb an dieser Stelle verzichtet werden. The illustration of Fig. 1 further shows a heat shield 4, and a hole 5 for a cooling air film 6 starter. The design of the heat shield 4 and of the hole 5 and the starter film 6 show the state known from the prior art, and further explanations can therefore be omitted here.
Die Kühlluft strömt durch die Kühlluftkammer 16 zu einer Vielzahl von Kühllöchern 10 (Effusionslöcher), sodass sich auf der Heißseite der Brennkammerschindel 3 ein Kühlfilm 8 ausbildet. Auch dieser Vorgang ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auf detailliertere Beschreibungen an dieser Stelle verzichtet werden kann. The cooling air flows through the cooling air chamber 16 to a plurality of cooling holes 10 (effusion holes), so that a cooling film 8 is formed on the hot side of the combustion chamber shingle 3 . This process is also fundamentally known from the prior art, so that detailed descriptions can be dispensed with here.
Mit dem Bezugszeichen 7 ist ein Kühlluftstrom durch die Kühllöcher 10 beschrieben. A cooling air flow through the cooling holes 10 is described with the reference number 7 .
Die eigentliche Brennkammerströmung ist durch die Pfeile 11 verdeutlicht. The actual combustion chamber flow is illustrated by the arrows 11 .
In Fig. 2 ist in vergrößerter Darstellung die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühllöcher 10 dargestellt. The configuration of the cooling holes 10 according to the invention is shown in an enlarged view in FIG. 2.
Während es bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise nicht möglich ist, die Kühllöcher näher an den Randbereich 14 anzunähern, als das dargestellte Kühlloch 10c mit der Folge, dass der mit B gekennzeichnete Bereich nicht ausreichend gekühlt ist, ergibt sich erfindungsgemäß bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich ein sehr schmaler, nicht optimal durch die durch die Kühllöcher 10 austretende Kühlluft gekühlter Bereich C. Die erste Anordnung von Kühllöchern 10a weist, wie in Fig. 2 gezeigt, einen relativ großen Winkel α zur Mittelachse oder Oberfläche der Brennkammerschindel 3 auf. Mit dem Bezugszeichen 9 ist jeweils ein Laserstrahl schematisch dargestellt. Es ergibt sich, dass dieser in seiner Verlängerung, bezogen auf das Kühlloch 10a einen Abstand von A zu dem Randbereich 14 einhält, sodass letzterer nicht beschädigt wird. While it is not possible with the procedure known from the prior art to bring the cooling holes closer to the edge area 14 than the cooling hole 10 c shown, with the result that the area marked with B is not sufficiently cooled, this results in The embodiment shown is only a very narrow area C, which is not optimally cooled by the cooling air emerging through the cooling holes 10. The first arrangement of cooling holes 10 a, as shown in FIG. 2, has a relatively large angle α to the central axis or surface of the combustion chamber shingle 3 , A laser beam is shown schematically in each case with the reference number 9 . It follows that the latter maintains a distance of A from the edge region 14 in relation to the cooling hole 10 a, so that the latter is not damaged.
Die nächstfolgende Anordnung von Kühllöchern 10b weist einen kleineren Winkel α auf, als die erste Anordnung von Kühllöchern 10a. Dieser Winkel α ist jedoch größer, als der für die restliche Kühlung der Brennkammerschindel 3 optimale Winkel α, der bei der Kühllochanordnung 10c realisiert ist. The next following arrangement of cooling holes 10 b has a smaller angle α than the first arrangement of cooling holes 10 a. However, this angle α is greater than the angle α which is optimal for the remaining cooling of the combustion chamber shingle 3 and which is realized in the cooling hole arrangement 10 c.
Auf die Darstellung der weiteren Kühllöcher, welche parallel zu der Kühllochanordnung 10c in der Brennkammerschindel 3 ausgebildet sind, wurde aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung in Fig. 2 verzichtet. The illustration of the further cooling holes, which are formed parallel to the cooling hole arrangement 10 c in the combustion chamber shingle 3 , has been omitted for the sake of clarity in FIG. 2.
Die Fig. 3 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammerschindel. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass die Mittelachsen 13 der Kühllöcher 10 nicht zwangsweise parallel oder in der gleichen Ebene wie die Brennkammerströmung 11 zu liegen brauchen. Die Bohrrichtung, d. h. die Richtung der Achsen 11 kann einen Winkel zum Randbereich 14 der Brennkammerschindel 3 haben, welcher von 90° abweicht. Dies ist aus der in Fig. 3 von oben gezeigten Ansicht der Brennkammerschindel 3 ersichtlich. Fig. 3 shows a view of an inventive combustion chamber tile. It can be seen from the illustration that the central axes 13 of the cooling holes 10 do not necessarily have to be parallel or in the same plane as the combustion chamber flow 11 . The direction of drilling, ie the direction of the axes 11, can have an angle to the edge region 14 of the combustion chamber shingle 3 which deviates from 90 °. This can be seen from the top view of the combustion chamber shingle 3 in FIG. 3.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten
Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der
Erfindung vielfältige Abwandlungs- und
Modifikationsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, das erste Kühlloch
10 mit einem noch größeren Winkel α durch die
Brennkammerschindel 3 zu führen.
Bezugszeichenliste
1 Brennkammerwand
2 Prallkühlloch
3 Brennkammerschindel
4 Hitzeschild
5 Loch
6 Kühlluftstarterfilm
7 Kühlluftstrom
8 Kühlfilm
9 Laserstrahl
10 Kühlloch
11 Brennkammerströmung
12 -
13 Mittelachse
14 Randbereich
15 Randbereich
16 Kühlluftkammer
The invention is not limited to the exemplary embodiments shown, but there are many possible modifications and modifications within the scope of the invention. For example, it is possible to guide the first cooling hole 10 through the combustion chamber shingle 3 at an even greater angle α. Reference number list 1 combustion chamber wall
2 baffle cooling hole
3 combustion chamber shingle
4 heat shield
5 holes
6 cooling air starter film
7 Cooling air flow
8 cooling film
9 laser beam
10 cooling hole
11 combustion chamber flow
12 -
13 central axis
14 edge area
15 edge area
16 cooling air chamber
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2001158548 DE10158548A1 (en) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | Combustor lining with cooling holes for gas turbine, has cooling hole angle decreasing in air flow direction from lining edge region |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE2001158548 DE10158548A1 (en) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | Combustor lining with cooling holes for gas turbine, has cooling hole angle decreasing in air flow direction from lining edge region |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE10158548A1 true DE10158548A1 (en) | 2003-06-12 |
Family
ID=7707362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2001158548 Withdrawn DE10158548A1 (en) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | Combustor lining with cooling holes for gas turbine, has cooling hole angle decreasing in air flow direction from lining edge region |
Country Status (1)
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