DE102006040760A1

DE102006040760A1 - Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE102006040760A1
Application number: DE102006040760A
Authority: DE
Inventors: Miklós Dr.-Ing. Gerendás
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennkammergehäuse (2, 3) sowie einer mehrschichtigen Brennkammerwand (6), an welcher unter Ausbildung eines Zwischenraums (14) zwischen einer Schindel (10) und der Brennkammer (9) Schindeln (10) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass Zuströmbohrungen (8) senkrecht durch die Brennkammerwand (9) ausgebildet sind, dass Dämpfungsöffnungen (18) senkrecht durch die Schindel (10) ausgebildet sind und dass die Schindel (10) mittels eines Seitenteils (22, 24) von der Brennkammerwand (9) beabstandet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer.
Die GB 9106085 ( WO 92/16798 ) beschreibt den Aufbau einer Gasturbinenbrennkammer durch mit Stehbolzen befestigten, metallischen Schindeln, welche durch die Kombination von Prall- und Effusionskühlung zu einer effektiven Kühlwirkung führt und somit die Reduktion des Kühlluftverbrauchs erlaubt. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die Einführung der Magerverbrennung, allerdings dämpft dieser Wandaufbau nicht die Brennkammerschwingungen, wie man sie gerade bei Magerverbrennung häufiger findet.
Die US 6530 221 ( WO 02/25174 ) beschreibt einzelnen Dämpfergehäuse für eine Rohrbrennkammer einer Gasturbine, welche durch Veränderung der Geometrie auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt wird und dadurch die Verbrennungsschwingung dämpft.
Die aus dem Stand der Technik bekannten, mit Stehbolzen befestigten, metallischen prall-effusionsgekühlten Schindeln haben keine akustische Wirkung, das heißt sie dämpfen eine Druckschwingung in der Brennkammer nicht. Zur Einführung von Magerbrennern in Gasturbinenbrennkammern bedarf es akustischer Dämpfer, allerdings werden in Fluggasturbinen keine Rohrbrennkammern eingesetzt, sondern Vollringbrennkammern. Durch die Strömung aus einem Magerbrenner über die Wand einer Vollringbrennkammer entsteht ein statisches Druckfeld auf der Brennkammerwand, welches Druckunterschiede in Umfangsrichtung enthält, die in der gleichen Größenordnung sind wie das Druckgefälle über die Dämpfergehäusewand. Dadurch ist die Einstellung der für die Dämpfung sehr wichtigen Strömungsgeschwindigkeit in den Dämpfungsbohrungen sehr erschwert. Außerdem ergeben sich durch die unterschiedlichen Temperaturen der heißen und kalten Dämpfergehäuseteile verschiedene Wärmedehnungen und somit hohe Spannungen, die die Lebensdauer des Bauteils stark verkürzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammerwand der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit sowohl eine gute Kühlung als auch eine gute Dämpfung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäßen prall-effusionsgekühlten Schindeln werden mit einem vergrößerten Abstand zwischen Schindel und Brennkammerwand und vorzugsweise senkrechten Dämpfungsöffnungen ausgestattet, wobei sich gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlschindeln wesentlich mehr Strömungsfläche in der Schindel befindet und somit der Druckverlust über die Schindel deutlich abnimmt, so dass sich durch das vergrößerte Volumen hinter der erfindungsgemäßen Schindel eine akustisch dämpfende Wirkung auf die Druckschwingungen in der Brennkammer ergibt.
Zur Erleichterung der Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Dämpferbohrungen wird in den Raum zwischen Schindel und Außenwand eine Parzellierung, zum Beispiel aus einem entsprechend gebogenen Blechstreifen oder Honigwaben aus hochwarmfesten Metall eingebracht, so dass jede Parzellen nur von sehr wenigen oder gar nur einer Zuströmbohrung gespeist wird und die volle Druckdifferenz zwischen Annulus mit Verdichteraustrittsluft und Innenraum der Brennkammer erfährt.
Der gegenüber der bekannten Schindel erhöhte Rand kann mit Entlastungsschlitzen versehen werden. Die Schlitze sind zuerst entlang der Ecken angebracht. Falls dies nicht ausreichen sollte, können sie auch in den Seitenwänden eingebracht werden. Die Parzellierung wird so eingebracht, dass die Entlastungsschlitze bestmöglich wieder abgedeckt werden, um die Leckagen zu vermindern.
Die Seitenwand kann auch getrennt von der Schindel ausgeführt werden, wobei die Schindel die Seitenwand mit einem Rand umfasst. Zweckmäßigerweise wird die Parzellierung hierbei an der separaten Seitenwand befestigt.
Die Parzellierungswände können senkrecht zur Schindel oder leicht geneigt in das Dämpfervolumen eingebracht werden.
Auch die getrennt ausgeführte Seitenwand kann zur Spannungsreduktion einen Schlitz erhalten.
Erfindungsgemäß könnten die Seitenwände ganz entfallen und die Schindel nur auf den dann hinreichend stark zu dimensionierenden und vorzugsweise senkrecht auf der Schindel stehenden Parzellierungswänden aufliegen. Dies ist vor allen Dingen bei großen Schindeln bzw. vergleichsweise kleiner Zellengröße der Parzellen sinnvoll.
Die Parzellierung kann durch den Schindelrand oder die Stehbolzen positioniert werden. Die metallische Schindel kann mit einer keramischen Wärmedämmschicht ausgestattet werden.
Erfindungsgemäß können die Dämpfungsöffnungen rund sein, sie können aber auch oval, rechteckig, stern-, kleeblatt- oder blütenförmig sein.
Die Parzellen können alle oder teilweise mit einem luftdurchlässigen Material gefüllt sein. Das Material kann zum Beispiel ein Filz bzw. ein Gewebe aus Fasern von einem hitzfesten Material wie Metall, Glas oder Keramik oder ein offenporiger Schwamm aus Metall, Keramik oder einem anderen hitzefesten Material sein. Die Art und die Eigenschaften des Füllmaterials können überall gleich sein oder von Schindel zu Schindel bzw. innerhalb der Parzellen einer Schindel variieren.
Einzeln können Parzellen mit zusätzlichen Effusionsbohrungen im geringen Winkel zur Schindeloberfläche ausgestattet werden.
Durch die senkrechten Bohrungen und den großen Abstand zwischen Schindel und Wand also die Höhe des Dämpfervolumens wird erfindungsgemäß die Dämpfungswirkung ermöglicht.
Durch die Parzellierung werden starke Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit oder gar Strömungsumkehr in den Dämpfungsbohrungen verhindert und somit eine leichtere Auslegung unabhängig vom Druckfeld des jeweiligen Brenners erreicht.
Die Schlitze in der seitlichen Schindelwand dienen der Spannungsreduktion und die Luft wird durch die Honigwaben geführt und kann daher nicht durch die Schlitze entweichen.
Die getrennt von der Schindel ausgeführte Seitenwand behindert die Wärmedehnung der Schindel am wenigsten und bietet der Schindel doch eine Auflagefläche, was durch die deutlich reduzierten Spannungen zu einer deutlich verlängerten Lebensdauer der Schindel führt.
Der Schindelrand dient der besseren Positionierung der Seitenwand beim Zusammenbau und behindert die höhere Wärmedehnung der heißeren Schindel nicht. Um den Parzellierungswänden eine gewisse Flexibilität zu geben, werden sie nicht senkrecht auf der Schindel ausgerichtet, sondern in einem leichten Winkel.
Bei der Ausführung ohne getrennt Seitenwand wird deren Gewicht eingespart und immer eine sichere Anpressung der Schindel an die Parzellierungswände erreicht, was zu einer sicheren Abdichtung der Parzellen untereinander führt. Bei dieser Variante ist eine Flexibilität der Parzellierungswände nicht erwünscht. Die Luftführung zwischen Schindel und Brennkammerwand wird hierbei vollständig von den Parzellierungswänden übernommen.
Die Wärmedämmschicht dient zur Reduzierung der Temperatur der metallischen Schindel und somit der Lebensdauererhöhung.
Die akustische Wirkung wird am Rand der Dämpfungsöffnung erzeugt. Wird nun die Randlänge bei gleichen Strömungsfläche erhöht, vergrößert sich auch die Dämpfungswirkung.
Die Einbringung von luftdurchlässigem Material in das Dämpfungsvolumen kann die Dämpfung erhöhen.
Falls neben der Dämpfungsluft noch weitere Luft zur Verfügung steht, kann diese durch Effusionsbohrungen zur Verbesserung der Kühlung und somit Senkung der Schindeltemperatur ausgebracht werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Querschnitt einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Detail-Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerwand,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hohen Schindel,
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schindel mit Entlastungsschlitzen,
5 ein Detail der Entlastungsschlitze in Ansicht aus Richtung der Auflagefläche auf die Brennkammerwand in das Dämpfervolumen,
6 ein Ausführungsbeispiel einer Schindel mit separatem Seitenteil,
7 ein Detail der Entlastungsschlitze gemäß 6 in Ansicht aus Richtung der Auflagefläche auf die Brennkammerwand in das Dämpfervolumen,
8 ein Ausführungsbeispiel einer Schindel mit Parzellierungswänden,
9 eine Detailansicht gemäß 8 der Schindel auf die Parzellierung in Ansicht aus Richtung der Auflagefläche auf die Brennkammerwand in das Dämpfervolumen, und
10 Ansichten unterschiedlicher nicht-zylindrischer Querschnitte von Dämpfungsöffnungen.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind schematisch Kompressorauslassschaufeln 1 zur Zuführung von verdichteter Luft in eine Brennkammer dargestellt. Diese umfasst ein Brennkammeraußengehäuse 2 sowie ein Brennkammerinnengehäuse 3. Weiterhin ist ein Brenner 4 mit Arm und Kopf vorgesehen, das Bezugszeichen 5 zeigt den Brennkammerkopf. Erfindungsgemäß ist eine mehrschichtige Brennkammerwand 6 vorgesehen, das Bezugszeichen 7 bezeichnet Turbineneinlassschaufeln. Insofern entspricht die Gasturbinenbrennkammer hinsichtlich ihres generellen Aufbaus dem Stand der Technik.
Die 2 zeigt einen schematischen Aufbau gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind in einer Brennkammerwand 9 bzw. einem Schindelträger Zuströmbohrungen/Prallkühlbohrungen 8 vorgesehen, um Kühlluft zuzuführen. Eine Schindel 10 ist mit Effusionskühlungslöchern 11 versehen. Zwischen der Schindel 10 und der Brennkammerwand 9 ist ein Zwischenraum 14 ausgebildet. Durch diesen greifen Stehbolzen 15, welche mittels Befestigungsmuttern 16 an der Brennkammerwand 9 gelagert sind, um die Schindel 10 zu lagern. Der Pfeil 12 bezeichnet die Kompressoraustrittsluft, während der Pfeil 13 die Flamme mit dem Rauchgas bezeichnet und zugleich den Innenraum der Brennkammer angibt.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Brennkammerwand 9 mit einer hohen Schindel 10 versehen ist, welche ein großes Dämpfervolumen 17 realisiert. Hierbei sind Dämpfungsöffnungen 18 mit sehr geringem Druckabfall vorgesehen. In den 4 und 5 ist hierzu eine Parzellierung 19 gezeigt, welche beispielsweise in Form von gebogenen Blechstreifen oder metallischen, honigwabenartigen Ausgestaltungen realisiert werden kann. Die 4 zeigt zur Verdeutlichung die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schindel 10 mit Entlastungsschlitzen, nämlich Entlastungsschlitzen 20 in den jeweiligen Ecken und Entlastungsschlitzen 21 der Wand der Schindel 10. Die 5 zeigt ein Detail gemäß 4, wobei nochmals die Entlastungsschlitze 20 und 21 dargestellt sind. Weiterhin ist die Parzellierung 19 gezeigt. Die Ansicht der 5 ist aus Richtung der Auflagefläche auf die Brennkammerwand 9 in das Dämpfervolumen 17 gezeigt.
Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schindel mit einem separaten Seitenteil 22, welches auf einen Schindelrand 23 aufgesetzt ist. In 7 ist eine Detailansicht der Ausgestaltung der 6 dargestellt, aus welcher sich die Entlüftungsschlitze 21 sowie die Partitionierung 19 ergeben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigen die 8 und 9. Hierbei ist eine Parzellierung 24 vorgesehen, ohne dass eine separate, getrennte Seitenwand ausgebildet ist. Die Parzellierung 24 ist auf dem Schindelrand 23 gelagert. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet eine Wärmedämmschicht. Die 9 zeigt eine Detailansicht aus Richtung der Auflagefläche auf die Brennkammer 9 in das Dämpfervolumen 17.
Die 10 zeigt unterschiedliche Querschnittsformen nicht-zylindrischer Dämpfungsöffnungen, beispielsweise oval, rechteckig, sternförmig, kleeblattförmig oder blütenförmig.

1: Kompressorauslassschaufeln
2: Brennkammeraußengehäuse
3: Brennkammerinnengehäuse
4: Brenner mit Arm und Kopf
5: Brennkammerkopf
6: Mehrschichtige Brennkammerwand
7: Turbineneinlassschaufeln
8: Zuströmbohrung/Prallkühlbohrung
9: Brennkammerwand/Schindelträger
10: Schindel
11: Effusionskühlungslöcher
12: Kompressoraustrittsluft/Verdichteraustrittsluft
13: Flamme und Rauchgas (Innenraum der Brennkammerwand)
14: Zwischenraum zwischen Schindel und Brennkammerwand
15: Stehbolzen
16: Befestigungsmutter
17: Dämpfervolumen
18: Dämpfungsöffnungen mit sehr geringem Druckabfall
19: Parzellierung, z.B. durch gebogene Blechstreifen oder
: metallische Honigwaben
20: Entlastungsschlitz in der Ecke
21: Entlastungsschlitz in der Seitenwand
22: Separates Seitenteil
23: Schindelrand
24: Parzellierung ohne getrennte Seitenwand
25: Wärmedämmschicht
26: Nicht-zylindrische Dämpfungsöffnungen

Claims

Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennkammergehäuse (2, 3) sowie einer mehrschichtigen Brennkammerwand (6), an welcher unter Ausbildung eines Zwischenraums (14) zwischen einer Schindel (10) und der Brennkammer (9) Schindeln (10) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass Zuströmbohrungen (8) senkrecht durch die Brennkammerwand (9) ausgebildet sind, dass Dämpfungsöffnungen (18) im wesentlichen senkrecht durch die Schindel (10) ausgebildet sind und dass die Schindel (10) mittels eines Seitenteils (22, 24) von der Brennkammerwand (9) beabstandet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Seitenteil einstöckig mit der Schindel (10) ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Seitenteil (22) als separates Bauteil ausgebildet ist und mittels eines Schindelrands (23) an der Schindel (10) fixiert ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Seitenteil als Teil einer Parzellierung (24), welche in dem Zwischenraum (14) zwischen Schindel (10) und Brennkammerwand (9) angeordnet ist, ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung des Seitenteils Entlastungsschlitze (20, 21) ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsschlitz (20) in eine Ecke des Seitenteils (22) ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsschlitz (21) in einer Seitenwand des Seitenteils (22) ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parzellierung senkrecht zur Schindel (10) angeordnet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parzellierung (19) geneigt zur Schindel (10) angeordnet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (10) mit einer Wärmedämmschicht (25) versehen ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (25) aus einem keramischen Material gefertigt ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsöffnungen (18) mit einem nicht-kreisrunden Querschnitt versehen sind.