DE102009026379A1

DE102009026379A1 - Durch Prallkühlung und Effusionskühlung gekühlte Brennkammerkomponente

Info

Publication number: DE102009026379A1
Application number: DE102009026379A
Authority: DE
Inventors: Ronald James Chila
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2010-02-18
Also published as: JP2010043643A; CN101650033A; US20100037620A1

Abstract

Eine Kühlanordnung zur Kühlung einer ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42) wird umschlossen von einer zweiten Komponente (38) und umfasst eine erste Anzahl von Prallkühlöffnungen (36) in der zweiten Komponente, wobei die Prallkühlöffnungen Kühlluft auf dafür bestimmte Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42) leiten, und umfasst außerdem eine zweite Anzahl von Effusionskühlöffnungen (44) in der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42), die so angeordnet sind, dass sie andere Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42) durch Effusion kühlen.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Turbomaschinen und insbesondere auf die Kühlung von Brennkammer- und Übergangsteilen in Gasturbinenbrennkammern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In konventionellen Gasturbinen-Verbrennungssystemen werden mehrere Brennkammerbaugruppen eingesetzt, um einen verlässlichen und wirkungsvollen Turbinenbetrieb zu erreichen. Jede Brennkammerbaugruppe umfasst ein zylinderförmiges Flammrohr, ein Brennstoffeinspritzsystem und ein Übergangsteil, das den Strom der heißen Gase von der Brennkammer zum Einlass der Turbine leitet. Im Allgemeinen wird ein Teil der Verdichterabluft zur Kühlung des Brennkammer-Flammrohrs genutzt und dann in die Brennkammerreaktionszone eingeleitet, um mit dem Brennstoff gemischt und verbrannt zu werden.
In Systemen mit prallgekühlten Übergangsteilen umschließt eine hohle Strömungshülse das Übergangsteil; die Wand der Strömungshülse ist perforiert, so dass Verdichterabluft durch die Kühlöffnungen in der Hülsenwand strömt, auf das Übergangsteil prallt und dieses so kühlt. Diese Kühlluft strömt dann durch einen Ringraum zwischen der Strömungshülse und dem Übergangsteil und danach in einen weiteren Ringraum zwischen dem Flammrohr und einer zweiten Strömungshülse, die das Flammrohr umschließt. Die zweite Strömungshülse ist ebenfalls um ihren Umfang herum mit mehreren Reihen von Kühllöchern versehen, wobei die erste Reihe einem Montageflansch benachbart ist, wo die erste und die zweite Strömungshülse verbunden sind,
Bei Brennkammer-Konfigurationen, bei denen Prallkühlung für das Flammrohr und/oder Übergangsteil (oder die andere Brennkammerkomponente) eingesetzt wird, kommt es öfter vor, dass der Abstand zwischen benachbarten Prallstrahlen tendenziell zu groß für eine wirkungsvolle Kühlung der Komponente ist. Genauer gesagt, führt der große Abstand sowohl dazu, dass Bereiche ungekühlt bleiben (die manchmal als „hot spots” bezeichnet werden), als auch zu übermäßigen thermischen Gradienten. Von daher existiert ein Bedarf an einer Verbesserung der Kühlwirkung für prallgekühlte Brennkammerkomponenten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsformen wird bei dieser Erfindung Effusionskühlung in Bereichen eingesetzt, wo die Prallkühlung unzureichend ist. Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bezieht sich daher auf eine Kühlanordnung für eine erste Turbinen-Brennkammer-Komponente, die von einer zweiten Turbinen-Brennkammer-Komponente umschlossen ist, wobei die Kühlanordnung umfasst: eine erste Anzahl von Prallkühlöffnungen in der zweiten Turbinen-Brennkammer-Komponente, wobei die Prallkühlöffnungen Kühlluft auf dafür vorgesehene Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente leiten; eine zweite Anzahl von Effusionskühlöffnungen in der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente, wobei diese Öffnungen so angeordnet sind, dass sie andere Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente durch Effusion kühlen.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinen-Brennkammer-Komponente, das umfasst: (a) das Umschließen der Turbinen-Brennkammer-Komponente mit einer Strömungshülse – mit einem ringförmigen Strömungsweg zwischen der Turbinen-Komponente und der Strömungshülse; (b) die Bereitstellung einer Anzahl von Prallkühlöffnungen in der Strömungshülse, wobei diese Öffnungen dafür eingerichtet sind, dafür vorgesehenen Bereichen der Turbinen-Komponente Kühlluft zuzuführen, und (c) die Bereitstellung einer Anzahl von Effusionskühlöffnungen in der Turbinen-Brennkammer-Komponente, wobei diese Öffnungen dafür eingerichtet sind, dafür vorgesehenen Bereichen der Turbinen-Brennkammer-Komponente Kühlluft zuzuführen,
Die Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den unten bezeichneten Zeichnungen detailliert beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer bekannten Gasturbinen-Brennkammer und
2 ist ein schematischer Teilschnitt eines Brennkammer-Flammrohrs und einer Prall-Strömungshülse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und
3 ist eine Teilperspektive einer Strömungshülse und eines Brennkammer-Flammrohrs gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine konventionelle Rohrring-Umkehrbrennkammer 10. In der Brennkammer 10 werden die zum Antrieb der Rotationsbewegung einer Turbine erforderlichen Gase erzeugt, indem in einem geschlossenen Raum Luft und Brennstoff verbrannt werden und die entstehenden Verbrennungsgase durch eine stationäre Schaufelreihe abgelassen werden. Beim Betrieb wird die Strömungsrichtung der Abluft (gezeigt durch die Pfeile 11) eines Verdichters (verdichtet auf einen Druck in der Größenordnung von circa 250–400 engl. Pfund pro Quadratzoll (ca. 17–28 Bar)) umgekehrt, während sie über die Außenseite der Brennkammern (eine wird unter 14 gezeigt) strömt, und wird nochmals umgekehrt, wenn die Abluft auf dem Weg zu der Turbine (siehe Leitapparat der ersten Stufe unter 16) in die Brennkammer eintritt. Verdichtete Luft und Brennstoff werden in der Brennkammer 18 verbrannt, wobei Gase mit Temperaturen von circa 1500°C bzw. circa 2730°F erzeugt werden. Diese Verbrennungsgase strömen mit hoher Geschwindigkeit durch das Übergangsteil 20 in den Leitapparat 16 der ersten Turbinenstufe. Das Übergangsteil 20 ist an der Anschlussstelle 22 mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Brennkammer-Flammrohr 24 verbunden, aber bei einigen Anwendungen kann ein separates Anschlussteilsegment zwischen dem Übergangsteil 20 und dem Brennkammer-Flammrohr angeordnet sein. Das Brennkammer-Flammrohr 24 und das Übergangsteil 20 verfügen jeweils über Außenoberflächen 26, 28, über die die kühlere Verdichterabluft 11 strömt.
Genauer gesagt, strömt in einer beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform die Verdichterabluft durch einen ringförmigen Spalt 30, der durch eine erste Strömungshülse 32, die das Übergangsteil 20 umschließt und eine zweite Strömungshülse 34, die das Flammrohr 24 umschließt, gebildet wird. Jede Strömungshülse 32, 34 ist mit einer Reihe von Löchern, Schlitzen oder anderen Öffnungen versehen (nicht gezeigt, aber ähnliche Öffnungen sind in den 2 und 3 zu sehen), die ermöglichen, dass die Verdichterabluft 11 radial durch die Öffnungen strömt, um auf das Übergangsteil 20 und das Flammrohr 24 zu prallen und diese zu kühlen. Es ist zu beachten, dass zum Zweck dieser Erfindung die erste und zweite Strömungshülse als eine einzige Hülse ausgebildet sein könnten; die Erfindung ist aber auch auf jede Hülse, für sich allein verwendet, anwendbar.
In der beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform, die in den 2–3 gezeigt wird, ist eine Anzahl Prallkühlöffnungen 36 in einer Flammrohr-Strömungshülse (oder zweiten Turbinen-Brennkammer-Komponente) 38 ausgebildet, wodurch die Verdichterabluft radial in einen Ringraum oder Strömungsweg 40 strömen kann, um direkt auf das Flammrohr (oder die erste Turbinen-Brennkammer-Komponente) 42 zu prallen. Die Prallkühlöffnungen 36 können in verschiedenen Mustern angeordnet sein, beispielsweise in axial beabstandeten ringförmigen Reihen usw., wie es am besten in 3 zu sehen ist.
Aufgrund der typischen großen Abstände zwischen benachbarten Prallkühlöffnungs-Kühlstrahlen, ist die Flammrohrkühlung jedoch nicht optimal. Zur Ergänzung und Verbesserung der Prallkühlung wird das Flammrohr 46 auch mit Effusionskühlöffnungen 44 versehen. Genauer gesagt, sind eine oder mehrere Anordnungen 48 von Effusionskühlöffnungen 44 in dem Flammrohr 46 an ausgewählten Stellen ausgebildet, wo die Prallkühlung unzureichend ist.
Wie zum Beispiel in den 2 und 3 gezeigt, befindet sich eine Anordnung 48 von Effusionskühlöffnungen 44 zwischen benachbarten, axial beabstandeten Reihen von Prallkühlöffnungen 36. Die Anordnung 48 kann die Form von fortlaufenden oder unterbrochenen Mustern von Öffnungen um den Umfang des Flammrohrs 46 aufweisen, und es können sich gleichartige oder andere Anordnungen jeweils axial zwischen benachbarten Reihen von Prallkühlöffnungen oder an jeder anderen Stelle befinden, die nicht von Luftstrahlen gekühlt wird, die durch die Prallkühlöffnungen strömen. Das Muster der Anordnung, d. h. rechteckig, quadratisch, unregelmäßig usw. kann durch Kühlanforderungen bestimmt sein. Auf diese Weise können hohe Temperaturen (d. h. „hot spots”) in den Bereichen mit unzureichender Prallkühlung bei gleichzeitiger Minimierung thermischer Gradienten reduziert werden. Kühlluft, die den ringförmigen Strömungsweg 40 entlang und durch diesen hindurch strömt (wie durch die Pfeile in 2 gezeigt), und zwar im Wesentlichen senkrecht zu den Prallstrahlen, die in den Strömungsweg 40 durch die Prallkühlöffnungen 36 eintreten, strömt durch die Effusionsöffnungen 44 und bildet einen Kühlluftfilm auf der Innenoberfläche des Flammrohrs 42; dadurch wird die Kühlung des Flammrohrs verbessert, besonders in Bereichen mit unzureichender Prallkühlung. Die Effusionskühlöffnungen können schräg verlaufen, um die Effusionskühlluft in Richtung des Verbrennungsgasstroms in dem Flammrohr zu leiten.
In einer beispielhaften, aber nicht einschränkenden Implementierung können die Prallkühlöffnungen Durchmesser im Bereich von circa 0,10 bis circa 1,0 Zoll (circa 2,54 bis circa 25,4 mm) aufweisen (oder bei nicht-kreisförmigem Durchschnitt im Wesentlichen gleich große Querschnittsflächen). Die kleineren Effusionsöffnungen können Durchmesser im Bereich von circa 0,02 bis circa 0,04 Zoll (circa 0,50 bis circa 1,02 mm) aufweisen (oder bei nicht-kreisförmigem Durchschnitt im Wesentlichen gleich große Querschnittsflächen).
Die Kombination aus Prall- und Effusionskühlung kann auf jede Komponente angewendet werden, bei der die Abstände der Prallstrahlen zu ungünstigen thermischen Bedingungen führen. Derartige Komponenten umfassen unter anderem Brennkammer-Flammrohre und Übergangskanäle (oder -teile), die dem Leitapparat der ersten Stufe die heißen Verbrennungsgase zuführen. Die Anzahl, Größe, Form und das/die Muster der Prallkühlöff nungen und der Effusionskühlöffnungen sollen in keiner Weise eingeschränkt sein.
Während die Erfindung in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die gegenwärtig als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, wie sie in dem Geist und Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche enthalten sind.
Eine Kühlanordnung zur Kühlung einer ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente 42 wird umschlossen von einer zweiten Komponente 38 und umfasst eine erste Anzahl von Prallkühlöffnungen 36 in der zweiten Komponente, wobei die Prallkühlöffnungen Kühlluft auf dafür bestimmte Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente 42 leiten, und umfasst außerdem eine zweite Anzahl von Effusionskühlöffnungen 44 in der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente 42, die so angeordnet sind, dass sie andere Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente 42 durch Effusion kühlen.

Claims

Kühlanordnung zur Kühlung einer ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42), die von einer zweiten Turbinen-Brennkammer-Komponente (38) umschlossen ist, wobei die Kühlanordnung umfasst: eine erste Anzahl von Prallkühlöffnungen (36) in der zweiten Turbinen-Brennkammer-Komponente (38), wobei die Prallkühlöffnungen Kühlluft auf dafür vorgesehene Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42) leiten und eine zweite Anzahl von Effusionskühlöffnungen (44) in der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42), wobei diese Öffnungen so angeordnet sind, dass sie andere Bereiche der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42) durch Effusion kühlen.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Anzahl der Prallkühlöffnungen (36) in geordneten Anordnungen in der zweiten Turbinen-Brennkammer-Komponente (38) angeordnet ist und die Effusionskühlöffnungen (44) in der ersten Turbinen-Brennkammer-Komponente (42) in einem Bereich angeordnet sind, der gegenüber der ersten Anzahl der Prallkühlöffnungen (36) versetzt ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 2, wobei die Öffnungen der zweiten Anzahl von Effusionskühlöffnungen (44) schräg verlaufen, um Effusionskühlluft in Richtung des Stroms der Verbrennungsgase in der ersten Komponente zu leiten.
Kühlanordnung nach Anspruch 2, wobei die Öffnungen der ersten Anzahl von Prallkühlöffnungen (36) rund sind, wobei jedes von ihnen durch eine festgelegte Querschnittsfläche definiert ist, und wobei die Öffnungen der zweiten Effusionsküh löffnungen (44) rund sind und Querschnittsflächen aufweisen, die im Verhältnis kleiner als die der ersten Prallkühlöffnungen (36) sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 4, wobei die erste Anzahl von Prallkühlöffnungen (36) Querschnitte in einem Bereich von circa 0,10 bis circa 1,0 Zoll (circa 2,54 bis circa 25,4 mm) aufweist und die zweite Anzahl von Effusionsöffnungen (44) Querschnitte in einem Bereich von circa 0,02 bis circa 0,04 Zoll (circa 0,50 bis circa 1,02 mm) aufweist.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Turbinen-Brennkammer-Komponente aus einem im Wesentlichen zylinderförmigem Brennkammer-Flammrohr (42) und die zweite Turbinen-Brennkammer-Komponente aus einer Strömungshülse (38) besteht.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Turbinen-Brennkammer-Komponente aus einem Übergangskanal (20) und die zweite Turbinen-Brennkammer-Komponente aus einer Strömungshülse (32) besteht.
Verfahren zur Kühlung einer Turbinen-Brennkammer-Komponente (20) oder (42), umfassend: (a) das Umschließen der Turbinen-Brennkammer-Komponente mit einer Strömungshülse (32) oder (38), und zwar mit einem ringförmigen Strömungsweg 30 zwischen der Turbinen-Brennkammer-Komponente und der Strömungshülse; (b) die Bereitstellung einer Anzahl von Prallkühlöffnungen (36) in der Strömungshülse, wobei diese Öffnungen dafür eingerichtet sind, dafür vorgesehenen Bereichen der Turbinen-Brennkammer-Komponente Kühlluft zuzuführen, und (c) die Bereitstellung einer Anzahl von Effusionskühlöffnungen (44) in der Turbinen-Brennkammer-Komponente, wobei diese Öffnungen dafür eingerichtet sind, dafür vorgesehenen Bereichen der Turbinen-Brennkammer-Komponente Kühlluft zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 8, das das Anordnen der Prallkühlöffnungen (36) in geordneten Anordnungen in der Strömungshülse (32) oder (38) sowie das Anordnen der Effusionskühlöffnungen (44) in der Turbinen-Brennkammer-Komponente (20) oder (42) in einem Bereich umfasst, der gegenüber den Prallkühlöffnungen versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das den schrägen Verlauf der Effusionskühlöffnungen (44) umfasst, um Effusionskühlluft in der Richtung des Stroms der Verbrennungsgase in der Turbinen-Brennkammer-Komponente zu leiten.