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Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer, insbesondere für den Bypassbetrieb einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbine.
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Im Teillastbetrieb einer Gasturbine sinkt die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer. Gleichzeitig sinkt ebenfalls die für die Kohlenmonoxid-Emissionen relevante Primär-Zonen Temperatur. Unterschreitet diese einen Minimalwert, wird verstärkt Kohlenmonoxid erzeugt und die Grenze des nutzbaren Kohlenmonoxid-emissionskonformen Teillastbereichs der Gasturbine ist erreicht.
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Dadurch kann der Betreiber der Gasturbine gezwungen sein (sofern ein gesetzliches Kohlenmonoxid-Emissionslimit vorliegt), seine Gasturbine abzuschalten, wenn es für ihn nicht möglich ist, die Leistung seiner Gasturbine weiter zu reduzieren, ohne gleichzeitig das Kohlenmonoxid-Emissionslimit zu überschreiten.
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Die
EP 2 784 393 A1 zeigt beispielsweise ein Verbrennungssystem, insbesondere eine Ringbrennkammer mit in der Außenschale der Ringbrennkammer vorgesehenen Klappen, durch die im Teillastbetrieb Verdichterluft an den Brennern vorbei in die Brennkammer geleitet werden. Hierfür werden aber Stellantriebe benötigt, die auch bei den im Betrieb vorliegenden Temperaturen noch die geforderten Genauigkeiten bieten, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannte Vorrichtung weiterzuentwickeln, mit der eine beträchtliche Verbesserung hinsichtlich der Kohlenmonoxid-Emissionen in Teillast ermöglicht wird und die zugleich möglichst einfach und kostengünstig herzustellen und zu montieren ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Ringbrennkammer, umfassend eine Außenschale, eine Anzahl von Hitzeschildelementen, welche an der Innenseite der Außenschale lösbar befestigt sind und einen als Bypassplenum bezeichneten, sich über den Umfang der Außenschale erstreckenden Ringkanal, durch den im Bypassbetrieb ein Luft-Bypassstrom geleitet wird, mit einer Plenumwand, wobei die Außenschale so ausgestaltet ist, dass sie einen Teil der Plenumwand darstellt und ein weiterer Teil der Plenumwand durch einen auf der Innenseite der Außenschale angeordneten und Segmente umfassenden Segmentring gebildet wird, die Segmente jeweils in einem zentralen Bereich eine Befestigungsvorrichtung aufweisen, mittels derer sie mit der Außenwand verbunden sind und eine Teilung der Segmente mit einer Teilung der auf ihnen angeordneten Hitzeschildelemente übereinstimmt.
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Üblicherweise besteht die Brennkammeraußenschale aus zwei 180°-Komponenten, so dass man auch den Spaltleistenring hätte halbieren und ihn so in dem Ober- und Unterteil der Brennkammeraußenschale montieren können. Dies wäre jedoch aus fertigungstechnischer Sicht und mit Hinblick auf Montage- und Demontagearbeiten nicht praktikabel, weshalb Segmentringe mit mehreren Segmenten vorgesehen sind. Insbesondere ist die Fertigung kleinerer Segmente weitaus leichter umzusetzen, als die eines Bogensegments in der Größe einer (halben) Brennkammeraußenschale. Sollten im Betrieb, bei Revisionen oder unter anderen Umständen Schäden an der Spaltleiste auftreten, so muss bei dem segmentierten Spaltleistenring lediglich das betroffene Segment ausgetauscht werden. Ansonsten wäre der Tausch des gesamten Bogensegments notwendig, welcher sich nicht ohne Trennung der Außenschalensegmente durchführen ließe. Die Übereinstimmung der Teilung der Segmente mit einer Teilung benachbarter Hitzeschildelemente macht die Montage besonders einfach.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Segmente jeweils eine Verdrehsicherung auf. Infolge der Verdrehsicherung verändern die lediglich in einem zentralen Bereich befestigten Segmente auch bei Krafteinwirkung ihre Ausrichtung nicht. Als Verdrehsicherung kann beispielsweise eine kreuzförmige Geometrie dienen, die dafür sorgt, dass die Komponenten ineinandergreifen. Alternativen zu einer kreuzförmigen Geometrie sind beispielsweise Ovale, Dreiecke oder auch ein Zusatzpin.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Bypassplenum einen Ringspalt zu einem Brennkammerinnenraum auf, wodurch sichergestellt ist, dass die um die Verbrennung herum geführte Bypassluft möglichst gleichmäßig dem Verbrennungsluftstrom in der Brennkammer zugemischt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Ringspalt durch voneinander beabstandete Segmentringe gebildet. Die Außenschale ist dabei vergleichsweise einfach zu gießen und Kühlluftkanäle bzw. -bohrungen sind einfacher zu implementieren.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird der Ringspalt durch einen Segmentring und einen vom Segmentring beabstandeten und an der Außenschale angegossenen Ring gebildet.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Segmentring in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase stromab des angegossenen Rings angeordnet ist.
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Um eine gleichmäßige Einströmung der Bypassluft am Ende der meist ringförmigen Brennkammer zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zum Spalt in Richtung Brennkammerinnenraum Öffnungen für die Zufuhr von Bypassluft zum Bypassplenum gleichmäßig verteilt über den Umfang der Außenschale angeordnet sind.
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Im Hinblick auf gute Montage- und Demontage-Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn die Segmente mit der Außenschale lösbar verbunden sind.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Segmente mit der Außenschale verschraubt sind.
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Zweckmäßiger Weise erfolgt eine Verschraubung von außen, d.h. von der Brennkammeraußenschale in Richtung Brennkammerinneres. Dies hat den Vorteil, dass die Verschraubung selbst nicht oder nur wenig gekühlt werden muss, insbesondere, wenn die Schraube das Segment nicht vollständig bis zum Brennkammerinneren durchdringt, sondern lediglich in die Befestigungsvorrichtung des Segments münden, welche in diesem Fall ein entsprechendes Gewinde aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist eine der Außenschale zugewandte Seite des Segments eine zur Außenschale hin offene Kammer auf. Diese Kammer dient als Reservoir bzw. Verteiler für Kühlluft.
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Zweckmäßiger Weise sind die Kammern in den Segmenten zu den Seiten hin abgeschlossen, um ein Entweichen der Kühlluft durch die Spalte zwischen den Segmenten zu verhindern. Insbesondere ist je Segment eine um die Kammer laufende Dichtung zwischen dem Segment und der Außenschale vorgesehen.
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Um zum Schutz der Außenschale weiterhin Hitzeschildelemente, insbesondere keramische Hitzeschildelemente, verwenden zu können, weisen die Segmente auf ihrer dem Brennkammerinnenraum zugewandten Seite Befestigungsnuten für vollständige Befestigung eines Hitzeschildelements auf, wobei die Befestigungsnuten einen gegenüber dem Rest der Nut verbreiterten Nutgrund aufweisen. Bei Hitzeschildelementen, die in zwei Nuten gehaltert werden, kann ein Bruch aufgrund einer ungleichmäßigen Haltestrukturoberfläche, wie das bei einem vergleichsweise kleineren Segment mit nur einer Steinhalternut der Fall wäre, dadurch vermieden werden, dass das keramische Hitzeschild vollständig, d.h. in zwei Nuten auf dem entsprechenden Segment befestigt wird.
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Im Hinblick auf die Kühlung der Hitzeschildelemente sind zweckmäßigerweise Kühlluftbohrungen vorgesehen, die sich durch die Segmente von der jeweiligen Kammer bis in die Nutgründe erstrecken.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf der dem Ringspalt zugewandten Seite des Segments eine Lippe vorgesehen, welche sich zum Schutz eines benachbarten keramischen Hitzeschildelements in Richtung eines Brennkammerinnenraums erstreckt. Im Bypassbetrieb ist nämlich eine Seite eines keramischen Hitzeschildelements dem mit vergleichsweise geringer Temperatur (ca. 400–450°C) aus dem Bypass austretenden Luftstrom ausgesetzt und wird ohne Schutz stark herabgekühlt, während der der Brennkammer zugewandte Bereich des keramischen Hitzeschildelements weiterhin durch heißes Verbrennungsgas (ca. 1500 °C) erhitzt wird. Aufgrund des hohen Temperaturgradienten wird erwartet, dass sich Spannungen im keramischen Hitzeschildelement aufbauen. In Kombination mit den hohen Strömungsgeschwindigkeiten würde der Effekt der ohnehin auftretenden Erosion noch deutlich verstärkt werden. Der Temperaturgradient wird nun durch die Lippe gemindert, welche die zum Bypass-Spalt gewandte Seite des keramischen Hitzeschildes vollständig abdeckt.
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Um die Lippen, insbesondere Metalllippen, gegen die hohen Verbrennungstemperaturen zu schützen, ist es vorteilhaft, wenn diese eine zusätzliche (keramische) Beschichtung und/oder zumindest eine Innenkühlung aufweisen. Eine Versorgung mit Kühlluft kann über die Kammer erfolgen.
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Vorteilhafterweise umfasst eine Gasturbine eine Ringbrennkammer nach der Erfindung.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasturbine in einem Längsschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine Hälfte der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ringbrennkammer in einer Draufsicht,
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3 eine Schnittdarstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Ringbrennkammer,
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4 eine Draufsicht auf ein Segment der erfindungsgemäßen Ringbrennkammer und
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5 eine im Vergleich zur 4 gedrehte Draufsicht auf ein Segment der erfindungsgemäßen Ringbrennkammer.
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Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine erfindungsgemäße Gasturbine 24 in einem Längsschnitt. Diese umfasst einen Verdichterabschnitt 25, einen Brennkammerabschnitt 26 und einen Turbinenabschnitt 27. Eine Welle 28 erstreckt sich durch alle Abschnitte der Gasturbine 24. Im Verdichterabschnitt 25 ist die Welle 28 mit Kränzen von Verdichterlaufschaufeln 29 und im Turbinenabschnitt 27 mit Kränzen von Turbinenlaufschaufeln 30 ausgestattet. Zwischen den Laufschaufelkränzen befinden sich im Verdichterabschnitt 25 Kränze von Verdichterleitschaufeln 31 und im Turbinenabschnitt 27 Kränze von Turbinenleitschaufeln 32. Die Leitschaufeln erstrecken sich vom Gehäuse 33 der Gasturbine 24 im Wesentlichen in Radialrichtung zur Welle 28.
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Im Betrieb der Gasturbine 24 wird Luft 34 durch einen Lufteinlass 35 des Verdichterabschnittes 25 eingesaugt und von den Verdichterlaufschaufeln 29 komprimiert. Die komprimierte Luft wird einer im Brennkammerabschnitt 26 angeordneten Brennkammer zugeleitet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Ringbrennkammer 1 ausgestaltet ist. Eine Anzahl von Hitzeschildelementen 3, welche an der Innenseite 4 der Außenschale 2 lösbar befestigt sind, bildet einen Hitzeschild 36. In die Ringbrennkammer 1 wird auch ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff über wenigstens einen Brenner 37 eingedüst. Das dadurch entstehende Luft-Brennstoff-Gemisch wird gezündet und in der Brennkammer 1 verbrannt. Entlang des Strömungspfades 38 strömen die heißen Verbrennungsabgase von der Brennkammer 1 in den Turbinenabschnitt 27, wo sie expandieren und abkühlen und dabei Impuls auf die Turbinenlaufschaufeln 30 übertragen. Die Turbinenleitschaufeln 32 dienen dabei als Düsen zum Optimieren des Impulsübertrages auf die Laufschaufeln 30. Die durch den Impulsübertrag herbeigeführte Rotation der Welle 28 wird dazu genutzt, einen Verbraucher, beispielsweise einen elektrischen Generator, anzutreiben. Die entspannten und abgekühlten Verbrennungsgase werden schließlich durch einen Auslass 39 aus der Gasturbine 24 abgeleitet.
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2 zeigt im Wesentlichen die Innenseite 4 einer 180°-Komponente der Brennkammeraußenschale 2 einer Ringbrennkammer 1. Ein als Bypassplenum 5 bezeichneter Ringkanal erstreckt sich über den Umfang der Außenschale 2. Durch ihn wird im Bypassbetrieb ein Luft-Bypassstrom geleitet. 2 zeigt ferner einen Segmente 7 umfassenden Segmentring 8, welcher einen Teil der Plenumwand 6 darstellt. Die Teilung der Segmente 7 stimmt mit einer Teilung der auf ihnen angeordneten Hitzeschildelemente 3 (in der 2 nicht gezeigt) überein.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine Ringbrennkammer 1 mit einer Außenschale 2 und einem Bypassplenum 5. Die Plenumwand 6 wird zum Teil durch die entsprechend ausgestaltete Außenschale 2 gebildet. Ein weiterer Teil der Plenumwand 6 wird durch einen auf der Innenseite 4 der Außenschale 2 angeordneten und Segmente 7 umfassenden Segmentring 8 gebildet. Zur Bildung eines zum Brennkammerinnenraum 13 hin offenen Ringspalts 12 kann dem in der 3 gezeigten Segmentring 8 ein weiterer Segmentring benachbart angeordnet sein, der von dem gezeigten Segmentring 8 entsprechend beabstandet ist (diese Variante ist nicht gezeigt). Gezeigt ist die Variante, bei der ein vom Segmentring 8 beabstandeter und an der Außenschale 2 angegossenen Ring 14 gebildet ist. Im Beispiel der 3 ist der Segmentring 8 in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase stromab des angegossenen Rings 14 angeordnet.
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Im Schnitt der 3 ist auch die Befestigungsvorrichtung 10 in einem zentralen Bereich 9 des Segments 7 zu sehen, mittels derer das Segment 7 mit der Außenwand 2 verschraubt ist. Die Verschraubung 16 erfolgt von außen.
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Ferner sind in 3 Öffnungen 15 im Bypassplenum 5 zu sehen, welche für die Zufuhr von Bypassluft zum Bypassplenum 5 gleichmäßig verteilt über den Umfang der Außenschale 2 angeordnet sind.
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Die 4 zeigt ein Segment 7 mit einer im eingebauten Zustand der Außenschale 2 zugewandten Kammer 17 zur Kühlluftversorgung, die im demontierten Zustand an einer Seite offen ist. In einem zentralen Bereich 9 ist eine Befestigungsvorrichtung 10 mit einer Verdrehsicherung 11 vorgesehen. Ferner weist das Segment 7 eine um die Kammer 17 laufende Dichtung 18 auf, die im montierten Zustand an der Innenseite 4 der Außenschale 2 anliegt.
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Auf der dem Brennkammerinnenraum 13 zugewandten Seite weist das Segment 7 der 4 Befestigungsnuten 19 für eine vollständige Befestigung eines Hitzeschildelements 3 auf, wobei die Befestigungsnuten 19 einen gegenüber dem Rest der Nut 19 verbreiterten Nutgrund 20 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass Hitzeschildelemente 3 zum Einsatz kommen, die an zwei gegenüberliegenden Umfangsseiten von jeweils zwei Haltelementen in zwei Nuten gehalten werden.
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Kühlluftbohrungen 21 erstrecken sich durch die Segmente 7 von der jeweiligen Kammer 17 bis in die Nutgründe 20.
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Auf der dem Ringspalt 12 zugewandten Seite des Segments 7 ist eine Lippe 22 vorgesehen, welche sich zum Schutz eines keramischen Hitzeschildelements 3 (hier nicht gezeigt) in Richtung eines Brennkammerinnenraums 13 erstreckt.
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In der 5 ist zu sehen, dass die Lippe 22 eine Innenkühlung 23 aufweist, welche ebenfalls durch die Kammer 17 mit Kühlluft versorgt wird. Ferner ist die Lippe 22 mit einer keramischen Beschichtung 40 versehen. Die Beschichtung 40 in 5 erstreckt sich lediglich über die Rundung der Lippe 22. Bei Bedarf könnte auch die Beschichtung erweitert und die in Richtung der Nuten 19 anschließende gerade Seitenwand beschichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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