DE102009043894A1

DE102009043894A1 - Unterteilter Brennkammerdeckel

Info

Publication number: DE102009043894A1
Application number: DE102009043894A
Authority: DE
Inventors: Kevin Weston Mcmahan; John Charles Intile; Shiva Srinivasan; Sergey Alexandrovich Stryapunin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US8087228B2; CN101672477B; JP2010065996A; CN101672477A; JP5523773B2; US20100058766A1

Abstract

Ein Brennkammerdeckel (18) kann mit einer Prallplatte (12) in einer Turbinen-Brennstoffdüse zusammenwirken und umfasst eine Vielzahl von Deckelsegmenten (22), die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt werden können. Die Deckelsegmente sind im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf mit Gas- und Flüssigbrennstoff betriebene Turbinen und insbesondere auf Brennkammern in industriellen Gasturbinen, die in Kraftwerken eingesetzt werden.
Gasturbinen umfassen im Allgemeinen einen Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern, ein Brennstoffeinspritzsystem und eine Turbine. Der Verdichter setzt üblicherweise Ansaugluft unter Druck, die dann in umgekehrter Richtung zu den Brennkammern geleitet wird, wo sie zur Kühlung der Brennkammern und als Luftzufuhr für den Verbrennungsprozess genutzt wird. Bei einer Turbine mit mehreren Brennkammern sind die Brennkammern um die Peripherie der Gasturbine herum angeordnet, und ein Übergangskanal verbindet das Auslassende jeder Brennkammer mit dem Einlassende der Turbine, um der Turbine die heißen Verbrennungsprodukte zuzuführen
Brennkammerdeckel-Baugruppen haben sich über die Jahre von einer Konfiguration mit nur einer Brennstoffdüse zu einer Dry-low-Nox-Konfiguration mit mehreren Düsen und unabhängiger Brennstoffregelung der einzelnen Düsen oder Düsengruppen entwickelt. Diese unabhängige Brennstoffregelung trägt dazu bei, eine stabile Verbrennung über den gesamten Betriebsbereich sicherzustellen. Der Deckel dient dabei als physischer Puffer zwischen der stromab liegenden Verbrennungszone und dem stromauf liegenden Bereich, in dem Brennstoff und Luft noch nicht vermischt sind. Luft und Brennstoff passieren jede Brennstoffdüse in axialer Richtung. Luft strömt außerdem durch mehrere Öffnungen in der Deckel-Effusionsplatte und kühlt so die Platte.
Bei den aktuellen Deckelkonstruktionen treten thermische Ermüdung und anschließende Rissbildung auf, was manchmal dazu führt, dass sich Teile des Deckels lösen und der Heißgasweg beschädigt wird. Diese Rissbildung hat Reparaturkosten zur Folge. Es wäre wünschenswert, die Bildung von Rissen in der Effusionsplatte zu unterbinden und so die Reparaturkosten zu reduzieren oder zu eliminieren, und die Gefahr der Beschädigung stromab liegender Heißgasweg-Komponenten zu eliminieren oder zu reduzieren. Außerdem wäre eine Verwendung des Deckels als Resonator wünschenswert, um die Amplitude der Verbrennungsdynamik zu reduzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Brennkammerdeckel-Baugruppe eine Prallplatte mit einer Vielzahl primärer Brennstoffdüsenöffnungen, die kreisförmig um eine Zentralöffnung angeordnet sind, und einen an der Prallplatte befestigten Brennkammerdeckel. Der Brennkammerdeckel umfasst mehrere Deckelsegmente, die unabhängig voneinander an der Prallplatte befestigt sind. Diese Brennkammersegmente sind derart befestigt, dass die Kanten der Deckelsegmente im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich sind.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Brennkammerdeckel mit einer Prallplatte in einer Turbinen-Brennstoffdüse zusammenwirken und umfasst eine Vielzahl von Deckelsegmenten, die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt werden können. Die Deckelsegmente sind im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich.
In einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Brennkammerdeckel-Baugruppe eine Prallplatte mit einer Vielzahl primärer Brennstoffdüsenöffnungen, die kreisförmig um eine Zentralöffnung angeordnet sind, und einen an der Prallplatte befestigten Brennkammerdeckel. Der Brennkammerdeckel weist Düsenöffnungen auf, die mit der Vielzahl von primären Brennstoffdüsenöffnungen in der Prallplatte fluchten. Die Düsenöffnungen des Deckels weisen einen Kragen auf, der sich jeweils durch die primäre Brennstoffdüsenöffnung in der Prallplatte erstreckt, wobei der Brennkammerdeckel mehrere Deckelsegmente umfasst, die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt sind, und wobei die Deckelsegmente derart befestigt sind, dass ihre Kanten im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich sind. Die Baugruppe umfasst außerdem ein Verbindungsmittel, das am Kragen der Düsenöffnungen des Deckels befestigt ist und mit dessen Hilfe die Deckelsegmente an der Prallplatte befestigt werden. Das Verbindungsmittel, mit dem die Deckelsegmente an der Prallplatte befestigt werden, ist die einzige starre Befestigung der Deckelsegmente an der Prallplatte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf den unterteilten Brennkammerdeckel;
2 ist eine Perspektive eines einzelnen Deckelsegments;
3 ist ein Querschnitt eines Deckelsegments;
4 ist eine Perspektive einer Prallplatte und
5 ist ein Querschnitt eines an die Prallplatte montierten Deckelsegments.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in den Zeichnungen dargestellt, umfasst eine Brennkammerdeckel-Baugruppe 10 eine Prallplatte 12 mit einer Vielzahl primärer Brennstoffdüsenöffnungen 14, die wie gezeigt in einer kreisförmigen Anordnung um eine Zentralöffnung 16 angeordnet sind.
Ein Brennkammerdeckel 18, der an der Prallplatte 12 befestigt werden kann, umfasst Düsenöffnungen 20, die mit den primären Brennstoffdüsenöffnungen 14 in der Prallplatte 12 fluchten. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Brennkammerdeckel 18 aus einer Vielzahl von Deckelsegmenten 22, die bevorzugt als Bogensegmente ausgebildet und kreisförmig angeordnet sind, wenn sie an der Prallplatte 12 befestigt sind. Die Deckelsegmente 22 sind durch den Kragen 26 voneinander unabhängig an der Prallplatte 12 befestigt. Dadurch bleiben die Deckelsegmente 22 zeitweilig in Kontakt mit der Prallplatte 12, ohne dass die Kanten der Deckelsegmente 22 in ihrer Fähigkeit beschränkt werden, sich in radialer und tangentialer Richtung in der Ebene der Prallplatte 12 zu bewegen.
Wie in den 3 und 5 gezeigt, weisen die Düsenöffnungen 20 jedes Deckelsegments 22 einen Kragen 24 auf, der sich durch die primäre Brennstoffdüsenöffnung 14 in der Prallplatte 12 erstrecken kann. Ein integrierter Teil oder eine Verlängerung des Kragens 24 ist mit einem Gewinde versehen, und zumindest der Gewindeabschnitt des Kragens 24 erstreckt sich durch die Prallplatte 12, wie in 5 gezeigt. Ein Verbindungsmittel 26 – beispielsweise eine Mutter oder etwas Ähnliches – wird auf den Kragen 24 geschraubt, um das Deckelsegment 22 an der Prallplatte 12 zu befestigen. Dieses Verbindungsmittel 26, das die Deckelsegmente 22 an der Prallplatte 12 befestigt, dient als die einzige starre Befestigung zwischen den Deckelsegmenten 22 und der Prallplatte 12. Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform das distale Ende des Kragens 24 mit einem Gewinde versehen ist, um eine Mutter 26 aufzunehmen, können auch andere Verbindungsmittel geeignet sein, und die Erfindung soll nicht auf die dargestellte Gewindeverbindung beschränkt sein.
Eine Tiefe D (3) jedes Deckelsegments 22 kann mit Aussparungen oder aufragenden Vorsprüngen 28 in der Prallplatte 12 zusammenwirken, um ein Volumen 30 zwischen der Prallplatte 12 und jedem der Deckelsegmente 22 zu definieren. Das Volumen 30 kann zusammen mit den Durchmessern der Öffnungen in der Prallplatte 12 und den Deckelsegmenten 18 dazu dienen, einen akustischen Resonator auszubilden, um die Amplitude einer einzelnen oder mehrerer Brennkammerfrequenzen zu reduzieren. Akustische Verbrennungsinstabilitäten werden durch ein additives oder verstärkendes Zusammenspiel zwischen Schwankungen der Wärmefreisetzung und des Brennstoffdurchsatzes bewirkt. Die Fluktuation der Wärmefreisetzung verursacht Druckwellen in der Brennkammer, und ändert das Druckverhältnis über die Brennstoffdüsenöffnungen in der Brennstoffdüse, was Fluktuationen des Brennstoffdurchsatzes zur Folge hat und weitere Fluktuationen der Wärmefreisetzung bewirkt. Resonatoren fungieren als akustische Dämpfer, indem sie die Energie der Druckwellen absorbieren und so die Amplitude der Druckwellen reduzieren und die Fluktuationen des Brennstoffdurchsatzes und der Wärmefreisetzung reduzieren oder eliminieren. Der Resona tor kann dadurch die Fluktuationen des Brennstoffstroms und die Fluktuationen der Wärmefreisetzung entkoppeln und so die Instabilität unterdrücken.
Durch Unterteilen des Hochtemperaturabschnitts der Deckelbaugruppe und Anbringen dieser Strömungswegteile an einer Stützstruktur, die auch die Prallplatte bildet, können thermische Beanspruchungen in der Brennkammerdeckel-Baugruppe wesentlich reduziert werden. Das heißt, durch thermische Gradienten im Deckel verursachte Beanspruchungen werden verringert, indem die Effusionsplatte wie gezeigt unterteilt und die Einengung der Kanten vermieden wird. Durch die Reduzierung der thermischen Beanspruchung wird die Rissbildung in der Effusionsplatte reduziert oder eliminiert, was die Reparaturkosten für den Deckel und die Gefahr einer Beschädigung der stromab liegenden Heißgasweg-Komponenten verringert.
Während die Erfindung in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wurde, die gegenwärtig als eine der praktikabelsten und bevorzugten Ausführungsformen angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern vielmehr verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, wie sie in dem Geist und Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche enthalten sind.
Ein Brennkammerdeckel 18 kann mit einer Prallplatte 12 in einer Turbinen-Brennstoffdüse zusammenwirken und umfasst eine Vielzahl von Deckelsegmenten 22, die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt werden können. Die Deckelsegmente sind im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich.

10: Brennkammerdeckel-Baugruppe
12: Prallplatte
14: primäre Brennstoffdüsenöffnungen
16: Zentralöffnung
18: Brennkammerdeckel
20: Düsenöffnungen
22: Deckelsegmente
24: Kragen
26: Verbindungsmittel
28: Aussparungen oder Abstandshalter
30: Volumen

Claims

Brennkammerdeckel-Baugruppe, umfassend: eine Prallplatte (12) mit einer Vielzahl primärer Brennstoffdüsenöffnungen (14), die in einer kreisförmigen Anordnung um eine Zentralöffnung (16) angeordnet sind, und einen Brennkammerdeckel (18), der an der Prallplatte befestigt ist, wobei der Brennkammerdeckel eine Vielzahl Deckelsegmente (22) aufweist, die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt sind, wobei die Deckelsegmente derart befestigt sind, dass die Kanten der Deckelsegmente im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich sind.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei jedes Deckelsegment (22) eine Brennstoffdüsenöffnung (20) aufweist, die mit den primären Brennstoffdüsenöffnungen (14) in der Prallplatte (12) fluchtet.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffdüsenöffnungen (20) jeweils einen Kragen (24) umfassen, der sich durch die primären Brennstoffdüsenöffnungen (14) in die Prallplatte (12) erstrecken kann, und wobei die Brennkammerdeckel-Baugruppe ferner ein Verbindungsmittel (26) umfasst, das an dem Kragen jedes Deckelsegment-Verbindungsteils befestigt werden kann.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 3, wobei ein distales Ende jedes Kragens (24) mit einem Ge winde versehen ist, und wobei das Verbindungsmittel (26) eine Mutter umfasst.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 3, wobei das Verbindungsmittel (26), das an dem Kragen (24) jedes Deckelsegments (22) befestigt werden kann, die einzige starre Befestigung zwischen der Vielzahl der Deckelsegmente und der Prallplatte (12) ist.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Deckelsegmente (22) Bogensegmente umfassen, die kreisförmig angeordnet werden können, wenn sie an der Prallplatte (12) befestigt sind.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 1, ferner ein Volumen (30) umfassend, das zwischen der Prallplatte (12) und jedem Deckelsegment (22) ausgebildet ist, wobei das Volumen durch die relativen Formen der Prallplatte und der Deckelsegmente gebildet wird, und wobei das Volumen einen akustischen Resonator definiert, um die Amplitude der Verbrennungsdynamik zu reduzieren.
Brennkammerdeckel (18) der mit einer Prallplatte (12) in einer Turbinen-Brennstoffdüse zusammenwirken kann, wobei der Brennkammerdeckel aus einer Vielzahl von Deckelsegmenten (22) besteht, die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt werden können, und wobei die Vielzahl von Deckelsegmenten im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich ist.
Brennkammerdeckel-Baugruppe nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Deckelsegmenten (22) Bogensegmente umfasst, die in eine Anordnung gebracht werden können, wenn sie an der Prallplatte (12) befestigt sind.
Brennkammerdeckel-Baugruppe umfassend: eine Prallplatte (12) mit einer Vielzahl primärer Brennstoffdüsenöffnungen (14), die in einer kreisförmigen Anordnung um eine Zentralöffnung (16) angeordnet sind; einen Brennkammerdeckel (18), der an der Prallplatte befestigt ist und Düsenöffnungen (20) aufweist, die mit der Vielzahl von primären Brennstoffdüsenöffnungen in der Prallplatte fluchten, wobei die Deckel-Düsenöffnungen einen Kragen (24) aufweisen, der sich durch die primären Brennstoffdüsenöffnungen in der Prallplatte erstreckt, und wobei der Brennkammerdeckel aus einer Vielzahl von Deckelsegmenten (22) besteht, die voneinander unabhängig an der Prallplatte befestigt ist, wobei die Deckelsegmente derart befestigt sind, dass die Kanten der Deckelsegmente im Verhältnis zur Prallplatte in radialer und tangentialer Richtung beweglich sind, und ein Verbindungsmittel (26), das am Kragen der Deckel-Düsenöffnungen befestigt ist und die Vielzahl von Deckelsegmenten an der Prallplatte befestigt, wobei das Verbindungsmittel, mit dessen Hilfe die Deckelsegmente an der Prallplatte befestigt sind, die einzige starre Befestigung zwischen den Deckelsegmenten und der Prallplatte ist.