-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft die Innenkühlung
in einer Gasturbine und insbesondere eine Anordnung und ein Verfahren
zum Verhindern des Entstehens großer Wärmegradienten in dem Übergangsstück oder
der Einsatzwand.
-
Herkömmliche
Gasturbinenbrennkammern nutzen eine Diffusionsverbrennungs (d. h.,
nicht vorvermischte Verbrennung), in welcher Brennstoff und Luft
getrennt in den Brennraum eintreten. Der Vorgang der Vermischung
und Verbrennung erzeugt Flammentemperaturen, die 2150°C (3900°F) überschreiten.
Da herkömmliche
Brennkammern und/oder Übergangsstücke mit
Verkleinerungen bzw. Einsätzen
im Allgemeinen in der Lage sind, einer maximalen Temperatur in der
Größenordnung
von nur etwa 816°C
(1500°F)
für etwa
10000 Stunden zu widerstehen, müssen
Schritte zum Schutz der Brennkammer und/oder des Übergangsstückes unternommen
werden. Dies erfolgte typischerweise durch Filmkühlung, welche das Einführen relativ
kühler
Verdichterluft in einen durch den Brennkammereinsatz gebildeten,
die Außenseite
der Brennkammer umgebenden Sammelraum beinhaltet. In dieser herkömmlichen
Anordnung passiert die Luft aus dem Sammelraum Lüftungsschlitze in dem Brennkammereinsatz und
streicht dann als Film über
die Innenoberfläche des
Einsatzes und erhält
dadurch die Unversehrtheit des Brennkammereinsatzes aufrecht.
-
Da
zweiatomiger Stickstoff bei Temperaturen oberhalb von etwa 1650°C (3000°F) rasch
dissoziiert, führen
die hohen Temperaturen der Diffusionsverbrennung zu relativ großen NOx- Emissionen.
Ein Lösungsansatz
zur Verringerung der NOx-Emissionen ist die Vorvermischung der
maximal möglichen Menge
von Verdichterluft mit Brennstoff. Die sich ergebende magere Verbrennung
mit Vorvermischung ruft kühlere
Flammentemperaturen und somit niedrigere NOx-Emissionen
hervor. Obwohl eine magere Verbrennung mit Vorvermischung kühler als
eine Diffusionsverbrennung ist, ist die Flammentemperatur immer
noch zu heiß,
als dass ihr herkömmlichen Brennkammerkomponenten
widerstehen könnten.
-
Ferner
steht, da die modernen Brennkammern die maximal mögliche Menge
von Luft mit dem Brennstoff zur NOx-Reduzierung
vorvermischen, wenig oder keine Kühlluft zur Verfügung, was
die Filmkühlung
des Brennkammereinsatzes und des Übergangsstückes bestenfalls am Anfang
ermöglicht.
Unabhängig
davon benötigen
Brennkammereinsätze eine
aktive Kühlung,
um die Materialtemperaturen unter Grenzwerten zu halten. In trockenen
NOx-armen
(DLN, Dry Low NOx) Emissionssystemen kann diese Kühlung nur
als Kaltseitenkonvektion bereitgestellt werden. Eine derartige Kühlung muss
innerhalb der Anforderungen der Wärmegradienten und des Druckverlustes
durchgeführt
werden. Somit wurden Mittel, wie z. B. Wärmebarrierenbeschichtungen
in Verbindung mit einer ”Rückseiten”-Kühlung in
Betracht gezogen, um den Brennkammereinsatz und das Übergangsstück vor Zerstörung durch
eine derart hohe Hitze zu schützen.
Eine Rückseitenkühlung beinhaltete
die Führung
der Verdichterauslassluft über
die Außenoberfläche des Übergangsstückes und
den Brennkammereinsatz vor der Vorvermischung der Luft mit dem Brennstoff.
-
Das
herkömmliche
Verfahren zum Zuführen von
Kühl- oder
Verdünnungsluft
in eine Brennkammer besteht einfach in dem Bohren eines Loches durch
die Wand. Wenn ein Verbrennungs- oder
Verdünnungsloch
in einem Brennkammereinsatz oder Übergangsstück ausgebildet wird, strömt relativ
kalte Luft rasch durch das Loch und kühlt die Innenoberfläche des
Loches. Bei einer Bewegung zu Bereichen weg von dem Loch nimmt die
Temperatur des Einsatzmaterials auf einen erheblich höheren Wert
zu. Aufgrund der sich ergebenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen
entstehen Spannungen und Belastungen in dem Einsatzmaterial, und
diese können
hoch genug sein, um eine niederzyklische Ermüdungsrissbildung in den Einsätzen und
den Übergangsstücken herbeizuführen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung stellt eine in ein Brennkammerkühl- oder Verdünnungsloch
eines Brennkammereinsatzes (einer Brennkammerverkleidung) oder Übergangsstückes eingesetzte
Buchse bereit, damit diese als ein Isolator wirkt, der die Entstehung
großer Wärmegradienten
in dem Übergangsstück oder
der Einsatzwand verhindert.
-
Somit
kann die Erfindung in einer Brennkammer für eine Turbine verkörpert sein,
welche aufweist: einen Brennkammereinsatz; eine den Brennkammereinsatz
umgebende erste Strömungshülse mit
einem ersten Strömungsringraum
dazwischen, wobei die erste Strömungshülse mehrere
um ihren Umfang herum ausgebildete Kühllöcher zur Einleitung von Verdichterauslassluft
als Kühlluft
in den ersten Strömungsringraum
hat; einen mit dem Brennkammereinsatz verbundenen Übergangsstückkörper, wobei
der Übergangsstückkörper dafür angepasst
ist, heiße
Verbrennungsgase zu der Turbine zu befördern; eine den Übergangsstückkörper umgebende
zweite Strömungshülse, wobei
die zweite Strömungshülse mehrere
zweite Kühllöcher zur
Einleitung von Verdichterauslassluft als Kühlluft in einen zweiten Strömungsringraum
zwischen der zweiten Strömungshülse und
dem Übergangsstückkörper hat,
wobei der erste Strömungsringraum
mit dem zweiten Strömungsringraum
in Verbindung steht; wenigstens ein Verdünnungsloch in dem Brennkammereinsatz,
um Verdichterluft in einen durch den Brennkammereinsatz definierten
Brennraum strömen
zu lassen; und eine in wenigstens einem von den Kühl- oder
Verdünnungslöchern sitzende
und in Bezug darauf derart befestigte Buchse, dass sie sich durch
das Loch hindurch von einer radial inneren Seite zu dessen radialer
Außenseite
erstreckt, um einen Strömungskanal
für Verdichterauslassluft
durch das Loch zu definieren.
-
Die
Erfindung kann auch in einer Turbine verkörpert sein, die aufweist: einen
Verbrennungsbereich; einen Luftauslassbereich stromabwärts von dem
Verbrennungsbereich; eine Übergangszone zwischen
dem Verbrennungs- und dem Luftauslassbereich; einen Brennkammereinsatz,
der einen Abschnitt des Verbrennungsbereiches und der Übergangszone
definiert; eine erste Strömungshülse, die den
Brennkammereinsatz mit einem ersten Strömungsringraum dazwischen umgibt,
wobei die erste Strömungshülse mehrere
Reihen rings um einen Umfang der ersten Strömungshülse ausgebildeter Kühllöcher zur
Einleitung von Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsringraum
aufweist; einen Übergangsstückkörper, der
mit wenigstens einem/einer von dem Brennkammereinsatz und der ersten
Strömungshülse verbunden
ist, wobei der Übergangsstückkörper dafür angepasst
ist, heiße Verbrennungsgase
einer Stufe der Turbine zuzuführen,
die dem Luftauslassbereich entspricht; eine zweite Strömungshülse, die
den Übergangsstückkörper umgibt,
wobei die zweite Strömungshülse mehrere
zweite Reihen von Kühllöchern zur
Einleitung von Verdichterauslassluft als Kühlluft in einen zweiten Strömungsringraum
zwischen der zweiten Strömungshülse und
dem Übergangsstückkörper aufweist,
wobei der erste Strömungsringraum
mit dem zweiten Strömungsringraum
verbunden ist; wenigstens ein Verdünnungsloch in dem Brennkammereinsatz,
um Verdichterluft in eine durch den Brennkammereinsatz definierte
Verbrennungskammer strömen zu
lassen; und eine in wenigstens einem von den Kühl- oder Verdünnungslöchern sitzende
und in Bezug dazu so befestigte Buchse, dass sie sich durch das
Loch hindurch von einer radial inneren Seite zu einer radial äußeren Seite
davon erstreckt, um einen durch das Loch hindurch führenden
Strömungskanal für Verdichterauslassluft
zu definieren.
-
Die
Erfindung kann auch verkörpert
sein in einem Verfahren zum Kühlen
einer Übergangszone zwischen
einem Verbrennungsbereich mit einem Brennkammereinsatz und einer
den Brennkammereinsatz mit einem ersten Strömungsringraum dazwischen umgebenden
ersten Strömungshülse, wobei die
erste Strömungshülse mehrere
in einem Umfang davon ausgebildete Kühllöcher zum Einleiten von Verdichterauslassluft
als Kühlluft
in den ersten Strömungsringraum
aufweist, und einer Übergangszone mit
einem mit dem Brennkammereinsatz verbundenen Übergangsstückkörper, wobei der Übergangsstückkörper dafür angepasst
ist, heiße
Verbrennungsgase zu einer Turbine zu führen, einer den Übergangsstückkörper umgebenden
zweiten Strömungshülse, wobei
die zweite Strömungshülse mehrere
zweite Kühllöcher zur
Einleitung von Verdichterauslassluft als Kühlluft in einen zweiten Strömungsringraum
zwischen der zweiten Strömungshülse und dem Übergangsstückkörper aufweist,
wobei der erste Strömungsringraum
mit dem zweiten Strömungsringraum
verbunden ist, und wenigstens einem Verdünnungsloch in dem Brennkammereinsatz,
um Verdichterluft in eine durch den Brennkammereinsatz definierte
Verbrennungskammer strömen
zu lassen; wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Einsetzen einer
Buchse in wenigstens eines von den Kühl- oder Verdünnungslöchern; Befestigen
der Buchse in Bezug auf das Loch, so dass sie sich durch das Loch hindurch
von einer radial inneren Seite zu einer radial äußeren Seite davon erstreckt,
um einen Strömungskanal
für Verdichterauslassluft
durch das Loch hindurch zu definieren; und Durchleiten von Verdichterauslassluft
durch das Loch.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch
ein sorgfältiges
Studium der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung der vorliegenden
bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich und ersichtlich,
in denen zeigen:
-
1 eine
schematische Ausschnittsdarstellung eines Gasturbinenbrennkammerbereiches; und
-
2 eine
Nahansicht eines Querschnittes durch einen Brennkammereinsatz oder
ein Übergangsstück, die
eine isolierende Buchse veranschaulicht, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
1 stellt
schematisch das hintere Ende einer Brennkammer im Querschnitt dar.
Wie zu ersehen ist, enthält
in diesem Beispiel das Übergangsstück 12 einen
radial inneren Übergangsstückkörper 14 und
eine radial äußere Übergangsstückaufprallhülse 16,
die in Abstand von dem Übergangsstückkörper 14 angeordnet
ist. Stromaufwärts
davon befindet sich der Brennkammereinsatz bzw. die Brennkammerverkleidung 18 und
die in umgebender Beziehung dazu definierte Brennkammerströmungshülse 20.
Der eingekreiste Bereich ist die vordere Hülsenanordnung 22 des Übergangsstücks.
-
Eine
(nicht dargestellte) Strömung
aus dem Gasturbinenverdichter tritt in ein Gehäuse 24 ein. Etwa 50
Prozent der Verdichterauslassluft passiert (nicht im Detail dargestellte) Öffnungen,
die entlang der und um die Übergangsstückaufprallhülse 16 herum
ausgebildet sind, um in eine ringförmige Zone oder einen Ringraum 26 zwischen
dem Übergangsstückkörper 14 und
der radial äußeren Übergangsstück-Aufprallhülse 14 zu
strömen.
Der restliche Anteil von etwa 50 Prozent der Verdichterauslassströmung tritt
in Strömungshülsenlöcher 28 der
stromaufwärts
befindlichen Brennkammereinsatzkühlhülse 20 und
in einen Ringraum 30 zwischen der Kühlhülse 20 und dem Einsatz 18 ein
und vermischt sich schließlich
mit der Luft aus dem stromabwärts
befindlichen Ringraum 26. Ein Teil der kombinierten Luft
tritt schließlich
durch Verdünnungslöcher des
Brennkammereinsatzes oder des Übergangsstücks hindurch und
vermischt sich mit den brennenden Gasen in dem Brennraum.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Bereitstellung von Buchsen, die
in Brennkammerkühl-
oder Verdünnungslöcher eines
Brennkammereinsatzes oder Übergangsstücks eingesetzt
sind. Eine gemäß der Erfindung
vorgesehene Buchse wirkt als ein Isola tor, welcher die Entstehung
hoher Wärmegradienten
in dem Übergangsstück oder
der Einsatzwand verhindert.
-
Wie
vorstehend angemerkt, schießt,
wenn ein Loch in dem Brennkammereinsatz ausgebildet wird, relativ
kühle Luft
durch dieses Loch. Dieses führt
zu einem relativ kühlen
Innenumfang des Loches aufgrund der durch das Loch schnell strömenden Luft.
Diese Kühlluft
kühlt das
Metall, was wiederum zu einem thermischen Ungleichgewicht oder Unterschied
zu dem restlichen, das Loch umgebenden heißen Metall führt. Der
thermische Unterschied führt zu
einer thermischen Ermüdung
und einer niederzyklischen Ermüdungsrissbildung
in den Einsätzen
und Übergangsstücken. Die
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung bereitgestellte Buchse schirmt die Innenwand des Loches
in dem Einsatzmaterial von der Kühlluft
ab und verhindert somit die hohen Wärmegradienten und sich daraus
ergebenden Rissbildungsprobleme der herkömmlichen Struktur.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung wird die Buchse in dem Einsatz unter Verwendung einer
Klemmmethode festgehalten. Diesbezüglich besteht, wenn die Buchse
mittels Schweißung
befestigt wird, das Risiko einer Rissbildung oder eines Ausfalls
in einer kurzen Zeit aufgrund der hohen Wärmegradienten in diesem Bereich.
-
Bezugnehmend
auf 2 zeigt diese eine Nahansicht eines Querschnittes
durch einen Brennkammereinsatz 18 oder ein Übergangsstück 14,
der bzw. das eine die Erfindung verkörpernde Isolierbuchse enthält. Wie
veranschaulicht, sind die Längsenden
der Buchse aufgeweitet, um eng anliegend den Spalt zwischen dem
Metallmaterial an einem Kontaktpunkt mit der Buchse auszufüllen. In
dem dargestellten Beispiel sind Abschrägungsmerkmale 42 in
den Rändern
der Löcher
in dem Einsatz ausgebildet. Demzufolge ist ein isolierender Luftspalt 44 zwischen
den aufgeweiteten Enden, welche jeweils eine Halterungslippe 46 von
der Kaltseite des Einsatzes und eine Halterungslippe 48 auf
der Heißseite des
Einsatzes definieren, ausgebildet. Der Luftspalt 44 stellt
einen sehr hohen Wärmewiderstand
für die Wärmeübertragung
zwischen dem kalten Buchsenströmungspfad
und dem heißen
Durchmesser des Einsatzloches dar. Wie man erkennen wird, verhindert
die äußere Halterungslippe 46 der
Buchse, dass die Buchse in die Brennkammer hineinfällt, und
sie stellt eine Oberfläche
des isolierenden Hohlraums 44 bereit. Die innere Halterungslippe 48 der
Buchse stellt die radiale innere Begrenzung für den Isolationshohlraum 44 sowie
die Oberfläche
bereit, welche die Buchse in Bezug auf das Loch zentriert. Wie vorstehend
angemerkt, ist die Buchse in einer solchen Weise gequetscht oder
aufgeweitet, dass die Lippe 48 gegen die radial innere
Abschrägung 42 des
Loches in dem Einsatz gedrückt
ist. Dies zentriert die Buchse, verhindert eine Leckage zwischen
der Buchse und dem Einsatz und verhindert eine Bewegung, welche
einen Verschleiß bewirken
könnte.
Es sollte auch angemerkt werden, dass in einer beispielhaften Ausführungsform
die Buchse nach der Quetschung oder Aufweitung in Bezug auf das
Loch aufgrund der Krümmung
des Einsatzes sattelförmig
ist. Aufgrund dieser Sattelform, insbesondere der Sattelform der Halterungslippen
der Buchse, ist die Buchse nicht in der Lage, sich in dem Loch in
Bezug auf den Einsatz zu drehen, da sich die lateralen Seiten der
Halterungslippen in Bezug auf die Abschnitte der Halterungslippen,
die in Bezug auf die Längsachse
des Einsatzes ausgerichtet sind, senken. Jedoch können eine
Schweißnaht,
eine Verstemmung oder ein Stift auf einer Seite der äußeren Halterungslippe 46 verwendet
werden, um zusätzlich
sicherzustellen, dass keine Bewegung zwischen der Buchse 40 und
dem Einsatz stattfindet. Die Abschrägung könnte auf der gegenüberliegenden
Seite gegenüber
der dargestellten enthalten sein. Dies könnte weniger haltbar sein, aber
einen besseren Strömungskoeffizienten
ergeben.
-
Das
Material der Buchse könnte
so sein, dass es eine hohe Wärmeausdehnung
in Bezug auf das Einsatzmaterial hat, was es dazu zwingen würde, sich
dichter in einer radialen Richtung anzulegen, sobald sich das System
erwärmt.
Dieses ist jedoch kein Erfordernis, da die Ausdehnung in der Dickenrichtung
zu einer günstigen
thermischen Anpassung führt
und das System dazu zwingt, dichter zu werden. Die Buchsen können mittels
maschineller Bearbeitung, durch Formen oder Gießen hergestellt werden. Als
eine weitere Option können
die Buchsen, falls erforderlich, gekühlt werden, z. B. wenn sie
eine Oxidation usw. erfahren. Dieses könnte erreicht werden, indem
Spüllöcher oder
-schlitze in dem Einsatz oder Löcher
oder Schlitze in der Buchse hinzugefügt werden. Dieses würde den
Isolationshohlraum entlüften und
trotzdem den Wärmeübertragungs-
oder Kühlungseffekt
zu dem Einsatz sehr niedrig halten, so dass keine hohen Wärmegradienten
entstehen.
-
Obwohl
eine Aufweitung für
die Befestigung der Buchse in Bezug auf das Loch dargestellt wurde, können andere
Halterungsverfahren verwendet werden, wie z. B. die Verwendung eines
Gewindebefestigungselementes auf der kalten, radial äußeren Seite
der Hülse.
Ein derartiges Befestigungselement wäre jedoch teuerer als die Aufweitung
gemäß der dargestellten
Ausführungsform.
Einem Gewindebefestigungselement würde auch ein Zentrierungsverfahren
fehlen, um einen passenden Luftspalt sicherzustellen, wie er durch
das vorstehend beschriebene Aufweitungsverfahren bereitgestellt
wird.
-
Die
Erfindung kann in jeder Brennkammereinsatzanordnung verwendet werden,
in welcher Löcher
benötigt
und hohe Gradienten angenommen werden. Zusätzlich zu ihrer Isolationsfähigkeit
kann die Buchse gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
verschiedene weitere Probleme lösen.
Beispielsweise kann sie dazu verwendet werden, die Größe eines
Verbrennungsverdünnungsloches
in einer beständigeren
Weise festzulegen als die herkömmlicherweise
bereitgestellten eingeschweißten Verdünnungslochscheiben
oder -stopfen. Zusätzlich zur
Bereitstellung eines Verfahrens für die Dimensionierung eines
Verdünnungsloches
mit höherer
Beständigkeit
wäre die
Buchsenanordnung der Erfindung auch ein schneller und preisgünstiger
zu implementierendes Dimensionierungsverfahren. Die Buchse kann
auch zur Nachrüstung
und Neudimensionierung existierender Löcher verwendet werden. Insbesondere
können
bestehende Löcher,
die eine Beschädigung,
wie z. B. Rissbildung, Oxidation und dergleichen, erfahren haben,
maschinell ausgearbeitet werden, und eine geeignete Buchse kann
eingesetzt und durch Aufweiten des/der entsprechenden Längsendes/-en
befestigt werden, um somit das Loch des Einsatzes oder Übergangsstücks auf
seinen ursprünglichen
Strömungsdurchtrittsdurchmesser
zurück
zu bringen.
-
Ferner
beinhalten alternative Ausführungsformen
zu der offenbarten Konstruktion die Bereitstellung einer Buchse,
die beschichtet ist (TBC oder Hartbeschichtung), und/oder eine andere
Formgebung der Buchse als eine runde, um die in die Brennkammer
eintretende Luft speziell anzupassen. Beispielsweise können die
durch die Buchsen erzeugten Löcher
eine andere Form als eine runde haben, wie z. B. eine Laufbahnform
oder eine elliptische Form. Dies könnte genutzt werden, um, falls
erforderlich, einen besseren Durchtritt der Luft in die Brennkammer zu
erzielen. Als eine weitere Alternative kann die Buchse für die Injektion
der Luft in die Brennkammer in einem anderen Winkel als senkrecht
oder 90 Grad zu der Wand, beispielsweise in einer stromabwärts gerichteten
Richtung, konfiguriert werden.
-
Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit
als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird,
dürfte
es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt ist,
sondern sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen, die in dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der
beigefügten
Ansprüche
enthalten sind, abdecken soll.
-
Eine
Brennkammer für
eine Turbine enthält: einen
Brennkammereinsatz 18, eine den Brennkammereinsatz umgebende
erste Strömungshülse 20, um
einen ersten Strömungsringraum 30 zu
definieren, wobei die erste Strömungshülse Kühllöcher 28 zur
Einleitung von Verdichterauslassluft als Kühlluft in den ersten Strömungsringraum
aufweist, einen mit dem Brennkammereinsatz verbundenen Übergangsstückkörper 14,
um heiße
Verbrennungsgase zu der Turbine zu führen; eine den Übergangsstückkörper umgebende
zweite Strömungshülse 16,
wobei die zweite Strömungshülse Kühllöcher zur
Einleitung von Verdichterauslassluft als Kühlluft in einen zweiten Strömungsringraum 26 zwischen
der zweiten Strömungshülse und
dem Übergangsstückkörper aufweist;
wenigstens ein Verdünnungsloch
in dem Brennkammereinsatz, um Verdichterluft in einen durch den
Brennkammereinsatz definierten Brennraum strömen zu lassen; und eine in
wenigstens einem von den Kühl-
oder Verdünnungslöchern sitzende
und in Bezug dazu so befestigte Buchse 40, um einen Strömungskanal
für Verdichterauslassluft durch
das Loch hindurch zu definieren.
-
- 12
- Übergangsstück
- 14
- Radial
innerer Übergangsstückkörper
- 16
- Radial äußere Übergangsstück-Aufprallhülse
- 18
- Brennkammereinsatz,
Brennkammerverkleidung
- 20
- Brennkammerströmungshülse
- 22
- Übergangsstück vor der
Hülsenanordnung
- 24
- Gehäuse
- 26
- Ringraum
- 28
- Strömungshülsenlöcher
- 30
- Ringraum
- 40
- Buchse
- 42
- Abschrägungsmerkmale
- 44
- Isolierender
Luftspalt
- 46
- Halterungslippe
- 48
- Halterungslippe