DE102009026328A1

DE102009026328A1 - Konturierte Aufprallhülsenlöcher

Info

Publication number: DE102009026328A1
Application number: DE102009026328A
Authority: DE
Inventors: John Simo; Wei Chen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2010-02-25
Also published as: CN101655238A; US20100037622A1; JP2010043851A

Abstract

Geschaffen ist eine Brennkammer (120) für den Einsatz in einer Gasturbine (100). Die Brennkammer (120) kann eine Wand (160) und eine Aufprallhülse (200) enthalten, wobei die Wand (160) und die Aufprallhülse (200) einen Luftstromkanal (180) definieren. Die Aufprallhülse (200) kann mehrere hindurchführende konturierte Löcher (210) aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und speziell eine Aufprallhülse für eine Brennkammer, die mit hindurch führenden konturierten Löchern ausgebildet ist.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Allgemein enthält ein Gasturbinentriebwerk einen Verdichter zum Komprimieren eines ankommenden Luftstroms, eine Brennkammer, die dazu dient, die verdichtete Luft mit einem Brennstoffstrom zu mischen und das Gemisch zu zünden, und eine Turbine, um den Verdichter und eine externe Last, beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen, anzutreiben. Zur Kühlung der Brennkammer kann eine Aufprallhülse genutzt werden, um darauf vorhandenen heißen Bereichen Kühlluft zuzuführen. Die Aufprallhülse nutzt im Allgemeinen scharfkantige Löcher, um die Kühlluft an Orte zu lenken, wo sie benötigt wird.
Die scharfkantigen Löcher der Aufprallhülse können allerdings ein Hindernis für den Luftstrom bilden und daher den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks verringern. Insbesondere kann dieses Hindernis zu einem Druckabfall entlang der Aufprallhülse führen. Ein derartiger Druckabfall kann normalerweise durch Änderung der Abmessung der Aufprallhülsenlöcher ausgeglichen werden. Mittels dieses Ansatzes ist es zwar möglich, den Druckabfall zu reduzieren, jedoch kann die größere Bemessung auch zu einer Verringerung der Wärmeübertragung der Kühlung führen.
Darüber hinaus ist die Verbrennung in der Brennkammer möglicherweise instabil, so dass geringfügige Veränderungen in der Verbrennungsflamme übermäßige Druckschwankungen hervorrufen können. Diese Schwankungen bzw. die ”Dynamik” des Drucks überträgt gegebenenfalls Energie auf die Brennkammer, so dass darin strukturelle Schwingungen verursacht werden. Mit den im Laufe der Zeit akkumulierten Schwingungszyklen kommt es möglicherweise aufgrund von Ermüdung zu einem Ausfall. Diese Brennkammerdruckschwankungen wurden in der Vergangenheit durch Einsatz einer Resonatoreinrichtung kontrolliert. Diese Resonatoreinrichtungen zielen allerdings im Allgemeinen auf diskrete oder schmalbandige Frequenzen ab, und nicht auf einen breiten Bereich von dynamischen Druckschwankungen.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer verbesserten Steuerung des Druckabfalls, der Dynamik und der Wärmeverteilung mit Blick auf die Kühlung einer Brennkammer. Vorzugsweise kann eine Verbesserung der Brennkammerkühlung bei einer Reduzierung des Druckabfalls und der Dynamik entlang der Aufprallhülse den Gesamtwirkungsgrad und die Lebensdauer einer Gasturbine steigern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Brennkammer für den Einsatz in einer Gasturbine. Die Brennkammer kann eine Wand und eine Aufprallhülse enthalten, wobei die Wand und die Aufprallhülse einen Luftstromkanal definieren. Die Aufprallhülse kann mit mehreren hindurch führenden konturierten Löchern ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ausrüsten der Brennkammer mit einer Aufprallhülse, in der mehrere konturierte Löcher ausgebildet sind, Lenken ei nes Luftstroms gegen die Brennkammer, und Lenken zumindest eines Teils des Luftstrom durch die konturierten Löcher, um die Brennkammer zu kühlen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Gegenstrombrennkammer. Die Gegenstrombrennkammer kann eine Brennkammer, eine die Brennkammer umgebende Wand und eine Aufprallhülse enthalten, wobei die Wand und die Aufprallhülse einen Kühlluftstromkanal definieren. Die Aufprallhülse kann mit mehreren hindurch führenden konturierten Löchern ausgebildet sein.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung erschließen sich dem Fachmann nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Gasturbine.
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Brennkammer mit einer bekannten Aufprallhülse.
3 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer bekannten scharfkantigen Aufprallöffnung.
4 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer konturierten Aufprallöffnung, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugsziffern sich über die unterschiedlichen Ansichten hinweg auf ähnliche Elemente beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 100. Wie oben beschrieben, kann das Gasturbinentriebwerk 100 einen Verdichter 110 enthalten, der dazu dient, einen ankommenden Luftstrom zu verdichten. Der Verdichter 110 liefert den verdichteten Luftstrom zu einer Brennkammer 120. Die Brennkammer 120 mischt den verdichteten Luftstrom mit einem Brennstoffstrom und entzündet das Gemisch. Die heißen Verbrennungsgase werden wiederum einer Turbine 130 zugeführt, um den Verdichter 110 und eine externe Last 140, beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen, anzutreiben. Das Gasturbinentriebwerk 100 kann im Vorliegenden auch andere Konfigurationen und Komponenten verwenden.
2 zeigt eine weitere Ansicht der Brennkammer 120. In diesem Beispiel kann die Brennkammer 120 eine Gegenstrombrennkammer sein. Es können im Vorliegenden allerdings beliebige unterschiedliche Brennkammerkonstruktionen 120 verwendet werden. Beispielsweise kann die Brennkammer 120 vorne angebrachte Brennstoffinjektoren, mehrere Rohre verwendende hinten gespeiste Injektoren, ein einziges Rohr aufweisende hinten gespeiste Injektoren, von der Wand her gespeiste Injektoren, abgestufte Wände aufweisende Injektoren und sonstige im Vorliegenden verwendbare Konstruktionen aufweisen.
Wie oben beschrieben, kann hochverdichtete Luft den Verdichter 110 verlassen, die Richtung entlang der Außenseite einer Brennkammer 150 umkehren und die Strömungsrichtung beim Eintritt der Luft in die Brennkammer 150, wo das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet wird, nochmals umkehren. Es können im Vorliegenden auch andere Strömungskonfigurationen genutzt werden. Die verbrannten heißen Gase erzeugen eine hohe Strah lungs- und Konvektionswärmebelastung längs der Brennkammer 150, bevor sie weiter zu der Turbine 130 strömen. Unter den Bedingungen des Hochtemperaturgasstroms ist daher eine Kühlung der Brennkammer 150 erforderlich.
Die Brennkammer 150 kann daher eine Wand 160 enthalten, um einen Kühlstrom bereitzustellen. Die Wand 160 kann in einer Aufprallhülse 170 angeordnet sein, um dazwischen einen Luftstromkanal 180 zu bilden. Zumindest ein Teil des Luftstroms aus dem Verdichter 110 kann durch die Aufprallhülse 170 und in den Luftstromkanal 180 strömen. Um die Wand 160 zu kühlen, kann die Luft vor Eintritt in die Brennkammer 140 über die Wand 160 oder in sonstiger Weise gelenkt werden.
Die Aufprallhülse 170 unterteilt den ankommenden Strom in mehrere einzelne Strahlen, um längs der Wand 160 eine örtlich scharf begrenzte Kühlung der Rückseite vorzusehen. Die Umwandlung des ankommenden Verdichterstroms zu Hochgeschwindigkeitsdüsenstrahlen ist allerdings mit einem statischen Druckabfall verbunden. Insbesondere kann der Druckabfall über die Aufprallhülse 170 hinweg proportional zu dem Maß der Wärmeübertragung der Kühlung sein. Es kann durch höhere Strahlgeschwindigkeiten zwar ein höheres Maß an Kühlung erzielt werden, jedoch ist dies mit dem Nachteil zunehmend höherer Druckabfälle verbunden.
3 zeigt eine bekannte Aufprallhülse 170 mit einem darin angeordneten scharfkantigen Loch 190. Wie oben beschrieben, bedingte bisher eine Verringerung des über die Aufprallhülse 170 vorhandenen Druckabfalls gewöhnlich den Einsatz größerer scharfkantiger Löcher. Desgleichen können Druckschwankungen in der Aufprallhülse 170 außerdem mechanische Schwingungen darin hervorrufen, die möglicherweise zu einem Ausfall durch Ermüdung führen. Zu beachten ist, dass der ankommende Luftstrahl lediglich an dem Einlass des scharfkantigen Lochs 190 angesetzt ist.
4 zeigt eine mit konturierten Löchern 210 ausgebildete Aufprallhülse 200, wie sie im Vorliegenden beschrieben ist. Die konturierten Löcher 210 können dieselben Durchmesser wie die oben beschriebenen scharfkantigen Löcher 190 aufweisen, jedoch ermöglicht die Nutzung der Kontur einen stärkeren und/oder rascheren Kühlluftstrom und folglich eine Steigerung der gesamten Kühlung. Wie gezeigt, können die konturierten Löcher 210 anstelle der oben beschriebenen, mit geraden Wänden ausgebildeten Löcher 190 an ihrem äußeren Rand mit einem Krümmungsradius 220 ausgebildet (konturiert) sein. Es können im Vorliegenden auch andere Arten, Formen und Größen von Konturen genutzt werden. Die Löcher 210 können im Vorliegenden ferner unterschiedlich bemessen sein. Die konturierten Löcher 210 können durch herkömmliche spanabhebende Bearbeitungstechniken oder durch andere Herstellungstechniken ausgebildet sein.
Im Gegensatz zu dem scharfkantigen Loch 190 schmiegt sich der ankommende Luftstrahl an den gesamten Krümmungsradius 220 der konturierten Löcher 210 an. Die konturierten Löcher 210 ermöglichen somit eine Reduzierung des durch die Löcher 210 hervorgerufenen Luftwiderstands, mit der Folge einer Verringerung des über die Aufprallhülse 200 vorhandenen Druckabfalls, einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrads des Triebwerks und einer Erhöhung der Gesamtleistungsabgabe. Die konturierten Löcher 210 können außerdem die dynamischen Druckschwankungen der Brennkammer reduzieren. Insbesondere können die konturierten Löcher 210 durch Bereitstellung eines größeren Impedanzverhältnisses die Dynamik kontrollieren. Das Impedanzverhältnis isoliert insgesamt die Wechselwirkung zwischen nach vorne verlaufenden Druckwellen und den nach hinten verlaufenden Druckwellen in der Gasturbine 100. Mittels einer solchen Trennung, tritt vorwiegend viskose Dämpfung als Dämpfungsmechanismus auf, so dass jede Druckschwankung gedämpft wird. Das Impedanzverhältnis kann auch eine Funktion der Gesamtbetriebsbedingungen sein. Mit einer Steigerung der Druckschwankungen kann auch das Impedanzverhältnis ansteigen. Diese hohe Dämpfung in Verbindung mit einem weiten Bereich von Frequenzen kann ein robustes Gesamtsystem ergeben.
Die Verwendung der konturierten Löcher 210 verringert somit den Gesamtdruckabfall und die Dynamik, während die Auswirkung auf die Wärmeübertragung auf ein Minimum reduziert ist. Darüber hinaus sollte die reduzierte Temperatur von Komponenten die Langlebigkeit steigern. Es kann auch eine Kombination von scharfkantigen Löchern 190 und konturierten Löchern 210 verwendet werden. Weiter können vorhandene scharfkantige Löcher 190 nachträglich zu konturierten Löchern 210 ausgebildet werden.
Es sollte klar sein, dass sich das Vorausgehende lediglich auf spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung bezieht, und dass durch den Fachmann im Vorliegenden zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem allgemeinen Gegenstand und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
Geschaffen ist eine Brennkammer 120 für den Einsatz in einer Gasturbine 100. Die Brennkammer 120 kann eine Wand 160 und eine Aufprallhülse 200 enthalten, wobei die Wand 160 und die Aufprallhülse 200 einen Luftstromkanal 180 definieren. Die Aufprallhülse 200 kann mehrere hindurch führende konturierte Löcher 210 aufweisen.

100: Gasturbinentriebwerk
110: Verdichter
120: Brennkammer
130: Turbine
140: externe Last
150: Brennkammer
160: Wand
170: Aufprallhülse
180: Luftstromkanal
190: scharfkantiges Loch
200: Aufprallhülse
210: konturierte Löcher
220: Radius

Claims

Brennkammer (120), zu der gehören: eine Wand (160); eine Aufprallhülse (200); wobei die Wand (160) und die Aufprallhülse (200) einen Luftstromkanal (180) definieren; und die Aufprallhülse (200) mit mehreren hindurch führenden konturierten Löchern (210) ausgebildet ist.
Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (120) auf einer Gegenstrombrennkammer (120) basiert.
Brennkammer (120) nach Anspruch 1, die ferner eine Brennkammer (150) aufweist, die durch die Wand (160) definiert ist.
Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die mehreren konturierten Löcher (210) mit einem Krümmungsradius (220) ausgebildet sind.
Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die Aufprallhülse (200) mit mehreren scharfkantigen Löchern (190) ausgebildet ist.
Brennkammer (120) nach Anspruch 1, wobei die mehreren konturierten Löcher (210) mit mehreren unterschiedlichen Größen bemessen sind.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer (120), mit den Schritten: Ausrüsten der Brennkammer (120) mit einer Aufprallhülse (200), die mit mehreren konturierten Löchern (210) darin ausgebildet ist; Lenken eines Luftstroms gegen die Brennkammer (120); und Lenken zumindest eines Teils des Luftstroms durch die mehreren konturierten Löcher (210), um die Brennkammer (120) zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt, eine bestehende Aufprallhülse (170) nachträglich mit den mehreren konturierten Löchern (210) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verwendung der mehreren konturierten Löcher (210) den über die Aufprallhülse (200) vorhandenen Druckabfall im Vergleich zu einer mehrere scharfkantige Löcher (190) aufweisenden Aufprallhülse (170) verringert.