DE102004016462A1 - Coolable wall structure for especially gas turbine has cooling medium passing through passages formed in core and parallel to one another and parallel to inner and outer shells - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiettechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kühlbare Wandstruktur zur Begrenzung eines Heißgaspfads oder Heißgasraums, insbesondere in einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft außerdem eine Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage, die mit einer derartigen Wandstruktur ausgestattet ist.The The present invention relates to a coolable wall structure for confinement a hot gas path or hot gas room, especially in a gas turbine. The invention also relates to a gas turbine, in particular a power plant, with such a wall structure Is provided.
Stand der TechnikState of technology
Eine Gasturbine, die insbesondere in einer Kraftwerksanlage zur Stromproduktion verwendet wird, enthält Bereiche, die im Betrieb der Gasturbine heißen Gasen ausgesetzt sind. Derartige Heißgaspfade oder Heißgasräume befinden sich beispielsweise in einer Brennkammer der Gasturbine und in deren Turbinenstufen sowie in einer Abgasleitung am Austritt der Gasturbine. Dabei sind diese Heißgaspfade und Heißgasräume von Wandstrukturen begrenzt, die im Betrieb der Gasturbine extrem hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und insbesondere gekühlt sind. Beispielsweise finden sich diese Wandstrukturen an Leit- oder Laufschaufeln oder an Brennkammer- oder Diffusor-Verkleidungen. Bei der Auslegung derartiger Wandstrukturen müssen zumindest zwei miteinander kollidierende Anforderungen erfüllt werden.A Gas turbine, especially in a power plant for electricity production is used contains Areas exposed to hot gases during operation of the gas turbine. Such hot gas paths or hot gas rooms are located For example, in a combustion chamber of the gas turbine and in the Turbine stages and in an exhaust pipe at the outlet of the gas turbine. These are hot gas paths and hot gas rooms of Wall structures limited in the operation of the gas turbine extremely high thermal Exposed to stress and in particular cooled. For example, find these wall structures are attached to guide vanes or rotor blades or combustion chamber or diffuser panels. In the design of such wall structures have to at least two conflicting requirements are met.
Zum einen führt die Kühlung der Wandstruktur zu einem Temperaturgradienten innerhalb der Wandstruktur, der seinerseits thermische Spannungen induziert. Thermische Spannungen führen jedoch zu einer hohen Belastung der Wandstruktur und reduzieren deren Lebensdauer. Um die thermischen Spannungen möglichst klein zu halten, wird daher versucht, die Wandstruktur möglichst dünn zu wählen, um den damit einhergehenden Temperaturgradienten zu verkleinern.To the one leads the cooling the wall structure to a temperature gradient within the wall structure, which in turn induces thermal stresses. Thermal stresses to lead However, to a high load on the wall structure and reduce their life. To the thermal stresses as possible Therefore, trying to keep the wall structure as small as possible thin too choose, to reduce the associated temperature gradient.
Zum anderen erfordert die Kühlung der Wandstruktur mittels eines Kühlfluids in jedem Fall ein Druckgefälle entlang der Wandstruktur, um das jeweilige Kühlmedium anzutreiben. Hieraus resultiert eine Druckdifferenz, die als Grundlast stets auf die Wandstruktur einwirkt und aufgrund der hohen Temperaturen zu einer visko-plastischen Verformung des Werkstoffs und somit zu einer Beschädigung der Wandstruktur führen kann. Um derartige Kriechverformungen bei einer gewünschten Druckbelastung innerhalb akzeptabler Grenzen halten zu können, wird für die Wandstruktur eine möglichst große Wandstärke gefordert.To the others require cooling the wall structure by means of a cooling fluid in any case a pressure gradient along the wall structure to drive the respective cooling medium. From this results in a pressure difference, which as a base load always on the wall structure acts and due to the high temperatures to a visco-plastic Deformation of the material and thus damage to the wall structure to lead can. To creep such deformations at a desired Pressure to keep within acceptable limits, is for the Wall structure one possible large wall thickness required.
Folglich fordert die Druckbelastung der Wandstruktur eine minimale Wanddicke, während die thermische Belastung der Wandstruktur eine maximale Wanddicke erfordert. Hieraus ergibt sich für die Konstruktion gekühlter Wandstrukturen ein relativ enges Fenster für die Auslegung der Wanddicke, das durch den genannten Wandstärke-Minimalwert und den genannten Wandstärken-Maximalwert begrenzt ist. Verständlicherweise besteht hier der Wunsch, dieses relativ enge Auslegungsfenster aufzuweiten.consequently the pressure load of the wall structure requires a minimum wall thickness, while the thermal load of the wall structure a maximum wall thickness requires. It follows for the construction cooled Wall structures a relatively narrow window for the design of the wall thickness, that by the mentioned wall thickness minimum value and the said wall thickness maximum value is limited. Understandably Here is the desire to expand this relatively narrow interpretation window.
Grundsätzlich ist es hierzu möglich, die Steifigkeit einer flachen Wand dadurch zu erhöhen, dass in die Wand Rippen integriert werden, welche die Belastbarkeit der Wandstruktur verbessern. Derartige Rippen, die zweckmäßig an der gekühlten Seite der Wandstruktur angebracht sein sollten, führen jedoch zu einem lokal erhöhten Temperaturgradienten, der lokal relativ hohe thermische Spannungen auslöst, und zwar vorwiegend an den Verbindungsstellen zwischen Rippen und Wand.Basically it possible for this to increase the rigidity of a flat wall by that in The wall ribs are integrated, which the load capacity of the Improve wall structure. Such ribs, the appropriate to the cooled Side of the wall structure should be attached, however, lead to a locally elevated Temperature gradients, the locally relatively high thermal stresses triggers, and although mainly at the joints between ribs and wall.
Alternativ ist es grundsätzlich auch möglich, die den Heißgasen ausgesetzte Wandstruktur an einer gekühlten Tragstruktur zu haltern, die hinreichend steif ist, so dass dort keine Kriechverformungen auftreten. Kritisch ist hierbei die Übertragung der angreifenden Druckkräfte zwischen der heißen Wandstruktur und der kalten Tragstruktur. Hier muss der Kraftpfad mit höchster Sorgfalt und relativ hohem Aufwand konstruiert werden, um hier ein Auftreten extrem hoher punktförmiger Belastungen in einer der beiden Strukturen zu vermeiden.alternative it is basically also possible, the the hot gases to hold exposed wall structure on a cooled support structure, which is sufficiently stiff so that there are no creep deformations occur. Critical here is the transmission of the attacking compressive forces between the hot wall structure and the cold support structure. Here must the power path with the utmost care and relatively high effort to be extremely extreme here high punctiform Avoid stress in one of the two structures.
Darstellung der Erfindungpresentation the invention
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Wandstruktur der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere zum einen eine vergleichsweise große Steifigkeit besitzt und in der zum anderen nur relativ kleine thermische Spannungen auftreten.Here The invention aims to remedy this. The invention, as in the claims is employed dealing with the problem, for a wall structure of the type mentioned an improved embodiment in particular, on the one hand a comparatively high rigidity has and in the other hand, only relatively small thermal stresses occur.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention this Problem with the objects the independent one claims solved. Advantageous embodiments are the subject of the dependent Claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Wandstruktur als Sandwichstruktur auszubilden, die eine Innenschale, eine Außenschale sowie einen dazwischen angeordneten, vom Kühlmedium durchströmbaren Kern umfasst. Der Hauptvorteil der Sandwich-Wandstruktur wird dabei darin gesehen, dass die beiden Schalen, welche die Außenseiten oder Außenhäute der Wandstruktur bilden, jeweils für sich extrem kleine Wandstärken aufweisen können, was nur zu sehr geringen thermischen Spannungen führt. Außerdem kann der Kern der Sandwich-Wandstruktur, der die beiden Schalen voneinander trennt, ebenfalls so ausgestaltet werden, dass sich darin bzw. in der gesamten Wandstruktur keine hohen Spannungen aufbauen können. Die Steifigkeit der Sandwich-Wandstruktur wird dabei wesentlich durch die Dicke der Wandstruktur bestimmt, die sich im wesentlichen (bis auf die Wandstärken der Schalen) aus dem Abstand der beiden Schalen ergibt.The invention is based on the general idea of constructing the wall structure as a sandwich structure, which comprises an inner shell, an outer shell and a core arranged therebetween and permeable by the cooling medium. The main advantage of the sandwich wall structure is seen in the fact that the two shells, which form the outer sides or outer skins of the wall structure, each for themselves can have extremely small wall thicknesses, which leads only to very low thermal stresses. In addition, the core of the sandwich wall structure which separates the two shells from each other can also be configured so that in it or in the entire wall structure can not build high voltages. The stiffness of the sandwich wall structure is determined essentially by the thickness of the wall structure, which results essentially (except for the wall thicknesses of the shells) from the distance between the two shells.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß ausgestalteten Wandstruktur kann auch darin gesehen werden, dass der Kern zur Durchströmung mit dem Kühlmedium ausgestaltet wird, was eine gerichtete Kühlströmung innerhalb der Wandstruktur und insbesondere entlang deren Innenschale, die dem Heißgasraum bzw. dem Heißgaspfad ausgesetzt ist, ermöglicht. Auf diese Weise kann die Innenschale unmittelbar gekühlt werden, was deren thermische Belastung reduziert. Zur Kühlung kann beispielsweise ein gasförmiges Kühlmedium, wie z. B. Luft oder Dampf, oder ein flüssiges Kühlmedium, wie z. B. Wasser, verwendet werden. Der jeweilige Kühlbedarf richtet sich dabei nach dem jeweiligen Anwendungsfall und nach den für die Sandwich-Wandstruktur ausgewählten Materialien.One Another advantage of the inventively designed wall structure can also be seen in the fact that the core to flow through with the cooling medium what is a directed cooling flow within the wall structure and in particular along its inner shell, the hot gas space or the hot gas path is exposed. In this way, the inner shell can be cooled directly, which reduces their thermal load. For cooling, for example, a gaseous Cooling medium, such as As air or steam, or a liquid cooling medium, such as. Water, be used. The respective cooling requirement is aimed according to the particular application and according to the materials selected for the sandwich wall structure.
Grundsätzlich gibt es für den benötigten Massenstrom des Kühlmediums zwei Möglichkeiten zur Kühlung der Sandwich-Wandstruktur. Zum einen kann der gesamte Kühlmedium-Massenstrom durch den Kern geleitet werden, wobei die durchströmbaren Bereiche des Kerns in entsprechender Weise ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine gerichtete Durchströmung des Kerns entlang der Wandstruktur erzielt werden. Zum anderen kann das Kühlmedium auch so geführt werden, dass nur ein Teil des Kühlmedium-Massenstroms durch den Kern geführt wird, während der verbleibende Massenstrom z. B. die Außenschale zu deren Kühlung beaufschlagt. Bei dieser Vorgehensweise kann ein gradueller Temperaturwechsel von der heißen Innenschale zur kalten Außenschale erzielt werden, dessen Temperaturgradient im Hinblick auf die thermische Stabilität der Sandwichstruktur abgestimmt ist.Basically there it for the required mass flow of the cooling medium two ways to cooling the sandwich wall structure. On the one hand, the entire cooling medium mass flow are passed through the core, wherein the flow-through areas are formed of the core in a corresponding manner. For example can be a directed flow of the core can be achieved along the wall structure. On the other hand the cooling medium also so led be that only a part of the cooling medium mass flow is guided through the core, while the remaining mass flow z. B. acts on the outer shell to the cooling. In this procedure, a gradual change in temperature from the hot Inner shell to the cold outer shell be achieved whose temperature gradient in terms of thermal stability the sandwich structure is tuned.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können die Werkstoffe für Innenschale, Außenschale und Kern so ausgewählt sein, dass die Innenschale einen kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist als der Kern und der Kern einen kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist als die Außenschale. Diese Bauweise führt dazu, dass sich bei einer Temperaturzunahme die Innenschale weniger stark ausdehnt als der Kern und dieser weniger stark als die Aussenschale. Da im Betrieb der Wandstruktur von der Innenschale zur Außenschale ein Temperaturgradient vorliegt, kann durch diese Bauweise ein gewisser Ausgleich erzielt werden, der thermische Spannungen reduziert.According to one advantageous embodiment, the Materials for Inner shell, outer shell and Kern selected be that the inner shell has a smaller coefficient of thermal expansion has a smaller coefficient of thermal expansion than the core and the core has as the outer shell. This construction leads In addition, the inner shell is less when the temperature increases strong expands than the core and this less strong than the outer shell. As in the operation of the wall structure of the inner shell to the outer shell a temperature gradient is present, through this design a certain Compensation can be achieved, which reduces thermal stresses.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung können die Temperaturausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe für Innenschale, Außenschale und Kern so auf einen sich bei einem für die Wandstruktur vorbestimmten Anwendungsfall einstellenden Temperaturgradienten abgestimmt sein, dass in diesem Anwendungsfall thermische Spannungen innerhalb der Wandstruktur zumindest teilweise oder im wesentlichen vollständig kompensiert sind. Durch die vorgeschlagene Bauweise lassen sich somit thermische Spannungen innerhalb der Wandstruktur im wesentlichen vermeiden oder zumindest zu einem großen Teil reduzieren. Dies führt zu einer erhöhten Lebensdauer der Wandstruktur.Corresponding In a particularly advantageous development, the temperature expansion coefficients of materials for Inner shell, outer shell and core so as to be at a predetermined location for the wall structure Be adjusted in case of application adjusting temperature gradient that in this application, thermal stresses within the wall structure at least partially or substantially completely compensated. By the proposed construction can thus be thermal stresses essentially avoid or at least within the wall structure to a big one Reduce part. this leads to an elevated one Life of the wall structure.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures the drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,preferred embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explains where like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components. Show, respectively schematically
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Entsprechend
Die
Gasturbine
Typischerweise
bestehen die beiden Schalen
Bei
den Ausführungsformen
der
Anstelle
der hier gezeigten viereckförmigen oder
trapezförmigen
Faltung kann das Bahnenmaterial zur Herstellung des Kerns
Durch
die Ausgestaltung des Kerns
Besonders
günstig
für die
Steifigkeit und für die
thermische Festigkeit der Wandstruktur
Während bei
den Ausführungsformen
der
Mit
Hilfe der Kanäle
Analog
zum Zuführungsabschnitt
Entsprechend
Grundsätzlich kann
für die
Außenschale
Im
Betrieb der Wandstruktur
- 11
- Gasturbinegas turbine
- 22
- Verdichtercompressor
- 33
- Brennkammercombustion chamber
- 44
- Turbineturbine
- 55
- FrischgasleitungFresh gas line
- 66
- erste Verbindungsleitungfirst connecting line
- 77
- Brennstoffzuführungfuel supply
- 88th
- zweite Verbindungsleitungsecond connecting line
- 99
- Abgasleitungexhaust pipe
- 1010
- Antriebswelledrive shaft
- 1111
- Heißgasraum/HeißgaspfadPlenum / hot gas path
- 1212
- Wandstrukturwall structure
- 1313
- Innenschaleinner shell
- 1414
- Außenschaleouter shell
- 1515
- Kerncore
- 1616
-
Kühlmediumströmung in
15 Coolant flow in15 - 1717
-
Gesamtwandstärke von
12 Total wall thickness of12 - 1818
-
Einzelwandstärke von
13 Single wall thickness of13 - 1919
-
Einzelwandstärke von
14 Single wall thickness of14 - 2020
- Kanalchannel
- 2121
-
Einzelwandstärke von
15 Single wall thickness of15 - 2222
- Rohrpipe
- 2323
- Verbindungsöffnungconnecting opening
- 2424
- Zuführungsabschnittfeeding section
- 2525
- Zuführungsöffnungensupply openings
- 2626
- Außenbereichoutdoors
- 2727
- Schweiß- oder LötverbindungWelding or solder
- 2828
- HeißgasbeaufschlagungHeißgasbeaufschlagung
- 2929
- KühlmediumbeaufschlagungKühlmediumbeaufschlagung
Claims (17)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE200410016462 DE102004016462A1 (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Coolable wall structure for especially gas turbine has cooling medium passing through passages formed in core and parallel to one another and parallel to inner and outer shells |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=35219782
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2004
- 2004-03-31 DE DE200410016462 patent/DE102004016462A1/en not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
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