DE102009035550A1

DE102009035550A1 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE102009035550A1
Application number: DE102009035550A
Authority: DE
Inventors: Emil Aschenbruck; Reiner Brinkmann; Jaman Ei Masalme
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-03
Also published as: JP2013501203A; WO2011012126A2; WO2011012126A3; US9377197B2; US20120144834A1; EP2459934A2; CA2769233A1; EP2459934B1; CA2769233C; JP5443604B2

Abstract

Eine Gasturbinenbrennkammer weist ein Gehäuse (1), ein darin aufgenommenes Flammrohr (2) und ein dieses wenigstens teilweise umgebendes Lochblech (3) auf, das an seinen beiden stirnseitigen Enden (3.1, 3.2) an dem Gehäuse befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Gehäuse, einem darin aufgenommenen Flammrohr und einem dieses umgebenden Lochblech, das an einem stirnseitigen Ende an dem Gehäuse befestigt ist, sowie eine Gasturbine, insbesondere eine stationäre Gasturbine, mit einer solchen Gasturbinenbrennkammer.
In einer Gasturbine wird ein Fluid, in der Regel Luft und daher nachfolgend verallgemeinernd als Verbrennungsluft bezeichnet, zunächst auf ein höheres Druckniveau verdichtet und als Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in einer Brennkammer verbrannt, bevor in einer Turbine Enthalpie des Abgases in mechanische Energie umgewandelt wird und als Nutzleistung zur Verfügung steht.
Die Brennkammer erfährt dabei durch das Druckniveau und die Verbrennung sowohl hohe Druck- als auch Temperaturbelastungen. Daher ist es im Stand der Technik bisher üblich, das Gehäuse der Brennkammer durch innere und/oder äußere Versteifungsrippen zu verstärken, hochwarmfeste Materialien zu verwenden und ein sogenanntes Flammrohr im Gehäuse vorzusehen, welches die Verbrennungszone begrenzt und so das Gehäuse wenigstens teilweise gegen die Verbrennungswärme abschirmt.
Neben keramischen Temperaturschutzschichten und einer Filmkühlung ist, beispielsweise aus der WO 2008/028621 A1 , eine Prallkühlung des Flammrohres bekannt. Hierzu ist ein das Flammrohr umgebendes Lochblech vorgesehen. Verdichtete Verbrennungsluft trifft durch Öffnungen im Lochblech von außen auf das Flammrohr und kühlt dieses, bevor sie durch einen radialen Drallerzeuger dem Flammrohrinnen- bzw. Brennraum zugeführt und dort verbrannt wird.
Die US 6,134,877 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Gehäuse, einem darin aufgenommenen Flammrohr und einem dieses umgebenden kegelförmigen Zylinder, der in einem stromabwärtigen Bereich Öffnungen zur Prallkühlung eines Bereichs abnehmenden Durchmessers des Flammrohres aufweist und an einem stirnseitigen Ende an dem Gehäuse befestigt ist. Durch einen gefalteten Bereich wird eine axiale Nachgiebigkeit des Zylinders eingebracht, um thermische Ausdehnungen zu ermöglichen. Der Zylinder mündet mit seinem anderen stirnseitigen Ende in dem Turbinenauslaß.
Insbesondere bei stationären Gasturbinen mit radial außenliegenden, freistehenden Bremmkammern, wie sie 1 zeigt, stellt das zusätzliche Gewicht der in 1 dargestellten Versteifungsrippen 110 ein Problem dar, da es das Handling der separaten Brennkammern erschwert und ihre Anbindung an das Gehäuse der Turbine durch abzustützende Drehmomente belastet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gasturbine bzw. deren Brennkammer zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gasturbinenbrennkammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 14 stellt eine Gasturbine mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer unter Schutz, die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bisher erforderliche Versteifungsrippen des Gehäuses zu reduzieren oder zu ersetzen, indem das Lochblech als Stützstruktur beidseitig in die Gehäusestruktur eingebunden bzw. integriert und so die strukturelle Steifigkeit und/oder Festigkeit des Gehäuses erhöht wird.
Hierzu weist eine erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer ein Gehäuse, ein darin aufgenommenes Flammrohr und ein dieses wenigstens teilweise umgebendes Lochblech auf, das an seinen beiden stirnseitigen Enden jeweils an dem Gehäuse befestigt ist. Dadurch kann das Lochblech insbesondere Axiallasten zwischen seinen beiden stirnseitigen Enden übertragen und in das Gehäuse einleiten, das damit entlastet wird.
Indem das Lochblech zusätzlich zur Strömungsführung und Kühlung erfindungsgemäß auch zur Übertragung von Lasten des Gehäuses eingesetzt und hierzu beidseitig an dem Gehäuse angebunden wird, kann die Festigkeit und/oder Steifigkeit des Gehäuses erhöht werden, ohne dessen Gewicht durch übermäßige Innen- oder Außenrippen zu erhöhen.
Dies ist, wie vorstehend ausgeführt, insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gasturbinenbrennkammer als separate, radial außenliegende Brennkammer ausgebildet ist, deren Gehäuse somit ein ein- oder mehrteiliges Außengehäuse gegen die Gasturbinenumgebung bildet.
In einer bevorzugten Ausführung weist das Lochblech wenigstens in einem primären Verbrennungsbereich des Flammrohres Kühlöffnungen, insbesondere Bohrungen und/oder Schlitzöffnungen, zur Prallkühlung des Flammrohres auf. Vorzugsweise durch geeignete Anordnung und/oder Dimensionierung der Kühlöffnungen, beispielsweise einen Winkelversatz von axial benachbarten Kühlöffnungen, so dass das Lochblech Netzstruktur aufweist, oder axial fluchtende Kühlöffnungen, so dass das Lochblech axial durchgehende Stege aufweist, durch Schlitzungen in axialer und/oder Umfangsrichtung des Lochblechs und/oder eine Begrenzung der Anzahl und/oder Durchmesser der Kühlöffnungen kann die, insbesondere axiale, Steifigkeit und Festigkeit des Lochblechs eingestellt werden.
Insbesondere in einem solchen primären Verbrennungsbereich kann das Gehäuse eine Ringkammer zur Beaufschlagung des Lochblechs mit Verbrennungsluft aufweisen, um so vorzugsweise diesen thermisch hoch beanspruchten axialen Abschnitt des Flammrohres zu kühlen. Eine Ringkammer ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die gesamte zugeführte Verbrennungsluft dem Flammrohr durch Kühlöffnungen des Lochblechs zugeführt wird und kann sich hierzu in axialer Richtung vorzugsweise im Wesentlichen in dem primären Verbrennungsbereich erstrecken. Das Lochblech kann die Ringkammer radial von innen begrenzen bzw. definieren und sich hierzu axial ein- oder beidseitig über die von außen an es angrenzende Ringkammer hinaus erstrecken. Bilden die sich axial über die Ringkammer hinaus erstreckenden Bereiche des Lochblechs einen Teil eines Außengehäuses, kann die Ringkammer von außen auf dem Lochblech aufsetzen, das somit konstruktiv besonders vorteilhaft als Teil des Außengehäuses in dieses integriert ist.
Das Lochblech ist in einer bevorzugten Ausführung an einem oder beiden stirnseitigen Enden unlösbar an dem Gehäuse befestigt, insbesondere mit diesem verschweißt, verklebt, verstemmt und/oder vernietet. Hierdurch können Strukturlasten besonders günstig zwischen Gehäuse und Lochblech übertragen werden. Gleichermaßen ist es auch möglich, das Lochblech an wenigstens einem seiner beiden stirnseitigen Enden lösbar an dem Gehäuse zu befestigen, um die (De)Montierbarkeit der Gasturbinenbrennkammer zu verbessern.
Das Lochblech kann einen Teil des Gehäuses bilden. Insbesondere kann das Lochblech einen oder mehrere Abschnitte aufweisen, die eine Verbrennungsluftzuführung gegen die Außenumgebung abgrenzen. Solche Abschnitte können mit einem Abschnitt mit Kühlöffnungen ein- oder mehrteilig ausgebildet, insbesondere miteinander ur- oder umgeformt oder verschweißt sein.
In einer vorteilhaften Ausführung kann das Gehäuse, wenigstens im Bereich des Lochblechs, weitgehend rippenfrei ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die Gasturbinenbrennkammer einen radialen Drallerzeuger mit einer, vorzugsweise ringförmigen, Platte auf, die einen Teil eines Gehäuses, insbesondere eines Außengehäuses, bilden oder an diesem befestigt sein kann. An der Platte kann ein stirnseitiges Ende des Lochblechs befestigt sein.
Durch die erfindungsgemäße Aufteilung von Strukturlasten auf Gehäuse und integriertes Lochblech kann das Gehäuse vorteilhafterweise dünnwandiger ausgebildet werden. Vorzugsweise weisen ein oder mehrere korrespondierende Bereiche des Gehäuses und des Lochblechs im Wesentlichen dieselbe Wandstärke auf. Als korrespondierende Bereiche werden insbesondere Bereiche auf derselben axialen Höhe der Brennkammer bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Flammrohr an seinem stromaufwärtigen stirnseitigen Ende an dem Gehäuse axial festgelegt. Durch die beidseitge Anbindung des Lochblechs kann in einem stromaufwärtigen Kopfbereich der Brennkammer das größere Spiel bzw. können die größeren thermischen Ausdehnungen auftreten, so dass es vorteilhaft sein kann, die Festlagerung eines fest-losgelagerten Flammrohres nun dort vorzusehen.
Vorzugsweise ist das Lochblech im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet, um so eine höhere Struktursteifigkeit bzw. -festigkeit zur Verfügung zu stellen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: eine Gasturbine nach dem Stand der Technik mit zwei außenliegenden Brennkammern; und
2: eine Gasturbinenbrennkammer nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Axial- bzw. Längsschnitt.
In 1 ist, wie einleitend ausgeführt, eine Gasturbine nach dem Stand der Technik mit zwei außenliegenden Brennkammern gezeigt, deren Gehäuse 100 mit Versteifungsrippen 110 verstärkt sind und so durch ihr höheres Gewicht die Handhabung erschweren und das darunterliegende Turbinengehäuse, an dem sie befestigt sind, belasten.
2 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Axial- bzw. Längsschnitt zum Ersatz der in 1 gezeigten Brennkammern.
In ihrem Inneren definiert ein Flammrohr 2 einen Brennraum. Diesem wird durch einen radialen Drallerzeuger 5 ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch B zugeführt, im Wesentlichen in einer zylinderförmigen primären Verbrennungszone des Brenn- bzw. Flammrohrinnenraums verbrannt und das Abgas A von dort einer Turbine (nicht dargestellt) zugeführt.
Um das Flammrohr, insbesondere im Bereich der primären Verbrennungszone, zu kühlen, ist es von einem zylinderförmigen Lochblech 3 umgeben, das Kühlöffnungen 4 aufweist. Durch diese trifft komprimierte Verbrennungsluft L von außen auf das Flammrohr 2, bevor es an diesem entlang zum Drallerzeuger 5 strömt, durch diesen verwirbelt und mit Brennstoff vermischt wird.
Um dem zylinderförmigen Lochblech im Bereich der primären Verbrennungszone die gesamte Verbrennungsluft zuzuführen, bildet das Außengehäuse 1 der Brennkammer eine Ringkammer 1, die mehrteilig aus miteinander verschweißten Blechteilen gebildet ist.
Das einteilige Lochblech 3 ist über Schweißnähte 8 einerseits an beiden Stirnseiten mit einer ringförmigen Platte 6 des Drallerzeugers 5 bzw. einem Flansch zur Befestigung der außenliegenden Brennkammer an einem Turbinengehäuse (nicht dargestellt) und andererseits an der Ringkammer 1 befestigt, so dass seine beiden stirnseitigen Endbereiche 3.1, 3.2 integrale Teile des Außengehäuses bilden. In einer nicht dargestellten Abwandlung ist das Lochblech axial mehrteilig mit einem Mittelteil ausgebildet, der die Kühlöffnungen 4 aufweist und stirnseitig jeweils an der Ringkammer 1 bzw. Randstreifen 3.1, 3.2 des Lochblechs angeschweißt ist.
Die Platte 6 des Drallerzeuges 5 bzw. der Flansch, an dem das hier einen Teil des Außengehäuses bildende Lochblech 3 angeschweißt ist, sind über Schraubverbindungen 7.1, 7.2 mit einem Deckel bzw. Turbinengehäuse (nicht dargestellt) verbunden.
Insbesondere Axialkräfte, die die auf ein hohes Druckniveau komprimierte Verbrennungsluft V in der Ringkammer 1 auf das Außengehäuse ausübt, werden aufgrund der erfindungsgemäßen Einbindung des Lochblechs 3 als Stütz- in die Gehäusestruktur teilweise von dem Lochblech aufgenommen und übertragen. Durch die ringförmige beidseitige Anbindung des zylinderförmigen Lochblechs 3 in der es umgebenden Ringkammer 1 wird diese auch in radialer Richtung verstärkt und versteift.
Indem dass das Lochblech 3 zur Übertragung von Lasten des Gehäuses 1 ausgebildet und hierzu an seinen stirnseitigen Enden 3.1, 3.2 an dem Gehäuse befestigt wird, kann es zusätzlich zu seiner Funktion, Verbrennungsluft V zur Kühlung auf das Flammrohr 2 zu richten und zu dem Drallerzeuger 5 zu führen, das Gehäuse verstärken. Dieses kann daher, jedenfalls in dem durch das angebundene Lochblech verstärkten Bereich, weitgehend rippenfrei und somit leichter ausgebildet werden.
Durch die im Wesentlichen gleichen Wandstärken von Lochblech 3 und Gehäuse 1 kann das Lochblech auch vorteilhaft, insbesondere in geringer belasteten Bereichen 3.1, 3.2, direkt das Außengehäuse bilden, was den Aufbau der Brennkammer vorteilhaft kompakter und fertigungstechnisch günstiger macht. Indem das Lochblech die Ringkammer radial von innen begrenzt und daran anschließend in den Breichen 3.1, 3.2 als Außengehäuse die Verbrennungsluftzuführung zum Drallerzeuger definiert, dient in konstruktiv vorteilhafter Weise die gesamte Verbrennungsluft zur Kühlung des Flammrohres. Zugleich wird durch das Aufsetzen der Ringkammer 1 außen an dem axial über sie hinausragenden Lochblech 3dieses Lochblech, dessen stirnseitige Randbereiche 3.1, 3.2 als Teil des Außengehäuses fungieren, in konstruktiv vorteilhafter Weise integriert.
Bezugszeichenliste

1: (Ringkammer des) (Außen)Gehäuse(s)
2: Flammrohr
3: Lochblech
3.1, 3.2: Stirnseiten
4: Kühlöffnungen
5: Drallerzeuger
6: Platte
7.1, 7.2: Schraubverbindung
8: Schweißnaht
A: Abgas
B: Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch
L: Verbrennungsluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2008/028621 A1 [0004]
- US 6134877 [0005]

Claims

Gasturbinenbrennkammer mit einem Gehäuse (1), einem darin aufgenommenen Flammrohr (2) und einem dieses wenigstens teilweise umgebenden Lochblech (3), das an einem stirnseitigen Ende (3.1) an dem Gehäuse befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech an seinem anderen stirnseitigen Ende (3.2) ebenfalls an dem Gehäuse befestigt ist.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech (3) zur Übertragung von Lasten des Gehäuses (1) ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein ein- oder mehrteiliges Außengehäuse (1) ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech wenigstens in einem primären Verbrennungsbereich des Flammrohres Kühlöffnungen (4) zur Prallkühlung des Flammrohres (2) aufweist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech an wenigstens einem stirnseitigen Ende (3.1, 3.2) unlösbar an dem Gehäuse befestigt, insbesondere mit diesem verschweißt ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech (3) ein- oder mehrteilig ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech (3) einen Teil des Gehäuses (1) bildet.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse wenigstens im Bereich des Lochblechs rippenfrei ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen radialen Drallerzeuger (5) mit einer Platte (6), an der ein stirnseitiges Ende (3.1) des Lochblechs befestigt ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein korrespondierender Bereich des Gehäuses und des Lochblechs im Wesentlichen dieselbe Wandstärke aufweist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (2) an seinem stromaufwärtigen stirnseitigen Ende an dem Gehäuse axialfestgelegt ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech (3) im Wesentlichen kreiszylinderförmig ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine, insbesondere von dem Lochblech (3) begrenzte, Ringkammer (1) zur Beaufschlagung des Lochblechs mit Verbrennungsluft (L) aufweist.
Gasturbine, insbesondere stationäre Gasturbine, mit wenigstens einer Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gasturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegende Gasturbinenbrennkammer über Schraubverbindungen (7.1, 7.2) mit einem Deckel und/oder einem Grundgehäuse verbunden ist.