-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine. Die Brennkammer weist eine Brennkammerwand auf, welche den Heißgaspfad der Brennkammer umgibt, und mindestens eine Brenneranordnung zum Entladen eines brennbaren Fluids in die Brennkammer. Zum Dämpfen von im Betrieb in der Brennkammer auftretenden Verbrennungsschwingung ist mindestens radial außen an der Brennkammerwand ein Resonator angeordnet, wobei der Resonator in seinem Inneren mindestens ein Resonator-Volumen umfasst, welches auf einer Seite von der Brennkammerwand begrenzt wird. Das Resonator-Volumen ist zum Einkoppeln der Verbrennungsschwingungen mittels Resonator-Bohrungen in der Brennkammerwand fluidisch mit dem Inneren der Brennkammer verbunden. Derartige Resonatoren können auch mit Helmholtz-Resonatoren bezeichnet werden. Die durch die Brennkammerwand verlaufenden Resonator-Bohrungen sind Kanäle, die auch als Resonatorhals bezeichnet werden. Der Begriff Bohrung sei im Rahmen dieser Erfindung nicht einschränkend zu verstehen. Die Resonator-Bohrungen können in beliebiger Art und Weise in die Brennkammerwand eingebracht werden und müssen nicht zwangsläufig gebohrte Kanäle sein.
-
Bei der Brennkammer kann es sich um eine sogenannte Rohrbrennkammer handeln, die aus einem stromauf angeordneten Flammrohr und einem sich stromab anschließenden Übergangsstück zusammengesetzt sein kann. Gasturbinen können eine Anzahl derartiger Rohrbrennkammern umfassen, welche mittels des von ihnen bereitgestellten heißen Arbeitsgases eine gemeinsame Turbine antreiben.
-
Durch unterschiedliche Betriebszustände der Gasturbine sind die Bauteile wechselnden Temperaturbedingungen ausgesetzt, welche zu einer Reduzierung der Bauteillebensdauer führen können. Aus diesem Grund können die Brennkammerwände zumindest abschnittsweise gekühlt ausgeführt sein oder innen mit einem thermischen Schutz ausgekleidet sein. Im Fall der Rohrbrennkammern ist es üblich, diese zur thermischen Isolierung zumindest im Bereich des Flammrohres radial innen mit einer Beschichtung zu versehen (TBC-Schicht).
-
Thermisch induzierte Spannungen in den Bauteilen können zu Verformungen führen, wobei es insbesondere im Bereich der Resonator-Bohrungen aufgrund der hohen Temperaturen und der hohen wechselnden zyklischen Beanspruchung des Materials zu sich kristallförmig um die Bereiche der Resonator-Bohrungen ausbildenden Rissen kommen kann. Die Rissbildung entsteht dann, wenn die elastische Wechselfestigkeit überschritten wird und das Bauteil in einen plastischen Zustand übergeht. Die Risse bzw. Verformungen können beispielsweise zu einem Abplatzen der TBC-Schicht führen und die Lebensdauer des Bauteils reduzieren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten Art und eine Gasturbine mit mindestens einer derartigen Brennkammer anzugeben, deren Brennkammerwand eine längere Lebensdauer aufweist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Brennkammerwand radial außen im Bereich mindestens einer Resonator-Bohrung eine in das Resonator-Volumen hineinragende Erhebung aufweist, so dass die Brennkammerwand im Bereich der Resonator-Bohrung verdickt ist, wobei die Resonator-Bohrung durch die Brennkammerwand und durch die Erhebung hindurch verläuft.
-
Die Erfindung geht somit zur Lösung des Problems nicht von einer Verbesserung des thermischen Schutzes oder einer Änderung der Materialwahl aus. Erfindungsgemäß wird ein Design vorgeschlagen, welches die auftretenden thermischen Spannungen besser aufnehmen kann. Dieses sieht im Bereich mindestens einer Resonator-Bohrung, bevorzugt im Wesentlichen bei jeder der Resonator-Bohrungen des mindestens einen Resonators, eine Erhebung der Brennkammerwand vor, welche radial außen angeordnet ist und somit in das Resonator-Volumen hineinragt. Es kann somit innerhalb des Resonators entsprechend des Anordnungsmusters der Resonator-Bohrungen ein entsprechendes Anordnungsmuster der Erhebungen der Brennkammerwand vorgesehen sein.
-
Da die Erhebungen in das Resonator-Volumen hineinragen, können die Erhebungen zusätzlich eine Kühlung der Brennkammerwand bewirken. Die Erhebungen für jede einzelne Resonator-Bohrung können auch mit Stand-Offs bezeichnet werden.
-
Die Stand-Offs führen dazu, dass lokale Spannungsspitzen durch die erhöhte Materialstärke aufgenommen werden können, so dass das Design robuster wird. Die Erhebungen sind somit aus Vollmaterial. Rissbildungen an den mit einer derartigen Erhebung ausgestatteten Resonator-Bohrungen werden erfindungsgemäß weitestgehend verhindert. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Lebensdauer der Brennkammer. Die Erhebungen können einstückig mit dem umgebenden Bereich der Brennkammerwand ausgebildet sein oder beispielsweise stoffschlüssig an den umgebenden Bereich der Brennkammerwand angeordnet werden. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Design eine TBC-Schicht Abplatzung und deren kostenintensive Reparatur vermieden werden. Zudem verbleibt durch die ausschließlich lokale Wandstärkenerhöhung die eigentliche Konstruktion der Brennkammerwand weitestgehend unverändert. Die Durchmesser der Resonator-Bohrungen sind aufgrund der durch die Materialverdickung verlängerten Resonatorhalslängen entsprechend an die Dämpfungs-Charakteristik des Resonators anzupassen. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Design den Resonator auf unterschiedliche Dämpfungsfrequenzen abzustimmen, indem die Erhebungen beispielsweise mit unterschiedlichen Erhebungs-Höhen ausgeführt sind. Beispielsweise bei ansonsten konstanten Durchmessern der Resonator-Bohrungen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Resonator-Bohrung im Wesentlichen zentral durch die Erhebung hindurch verläuft.
-
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Erhebung einen größeren Durchmesser an ihrer Basis aufweist als an ihrer Spitze.
-
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine lokale Reduzierung von thermisch induzierten Spannungsspitzen bei gleichzeitig geringem Materialbedarf für die Erhebung.
-
Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Erhebung mit einer abgeflachten Spitze ausgebildet ist.
-
Es kann auch als vorteilhaft angesehen sein, dass die Erhebung im Wesentlichen Pin-förmig oder kegelstumpfförmig oder halbkugelförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist.
-
Diese Form der Erhebung ist einfach herstellbar und weist einen geringen Materialverbrauch auf.
-
Es kann auch als vorteilhaft angesehen sein, dass die Erhebung im Wesentlichen stabförmig mit rundem oder viereckigem Querschnitt ausgebildet ist.
-
Diese Form der Erhebung ist besonders einfach herstellbar.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Brennkammerwand im Wesentlichen im Bereich aller Resonator-Bohrungen des Resonators derartige Erhebungen aufweist, so dass die Resonator-Bohrungen jeweils durch eine derartige Erhebung hindurch das Resonator-Volumen mit dem Inneren der Brennkammer fluidisch verbinden.
-
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass radial außen an der Brennkammerwand mindestens eine umlaufend angeordnete Reihe von Resonatoren angeordnet ist, wobei die Brennkammerwand im Wesentlichen im Bereich aller durch die Brennkammerwand verlaufenden Resonator-Bohrungen der umlaufenden Reihe mittels derartiger Erhebungen verdickt ist.
-
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
-
Dabei zeigt die
-
1 schematisch eine Gasturbine nach dem Stand der Technik in einem Längsschnitt,
-
2 schematisch eine Rohrbrennkammer nach dem Stand der Technik mit radial außen an der Brennkammerwand angeordneten Resonatoren,
-
3 schematisch einen Ausschnitt einer Brennkammerwand im Bereich eines Resonators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht eines Längsschnitts, und
-
4 schematisch einen Ausschnitt einer Brennkammerwand im Bereich einer Resonator-Bohrung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt.
-
Die 1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik in schematisch vereinfachter Darstellung. Die Gasturbine 1 weist in ihrem Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung 11 mit mindestens einem Brenner, ein Brennstoffversorgungssystem für die Brenner (nicht dargestellt) und eine Brennkammerwand 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Die Brennkammern 10 können beispielsweise ringförmig an dem Turbineneintritt angeordnet sind.
-
Das Verbrennungssystem 9 mündet am Turbineneintritt in einen ringförmigen Heißgaskanal, durch den das heiße Arbeitsgas des Verbrennungssystems auf die hintereinander geschalteten Turbinenstufen der Turbine 14 strömt. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung des Arbeitsgases gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
-
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte Verdichterluft L“ wird entlang eines Brennerplenums 7 zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung in die Brenneranordnung 11 geleitet und in den Brennern der Brenneranordnung mit Brennstoff vermischt und/oder im Austrittsbereich der Brenner mit Brennstoff angereichert. Brennstoffzuführsysteme versorgen die Brenner hierbei mit Brennstoff. Das Gemisch bzw. die Verdichterluft L“ und der Brennstoff werden von den Brennern in die Brennkammer 10 eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone innerhalb der Brennkammerwand 12 der Brennkammer. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
-
Die 2 zeigt Teile der Gasturbine 1 des Standes der Technik in einer weniger stark schematisch vereinfachten Darstellung. Die Gasturbine 1 umfasst eine Rohrbrennkammer 22, die an ihrem stromauf gelegenen Kopfende eine Brenneranordnung 11 aufweist und deren Heißgaspfad von einer Brennkammerwand 24 umgeben ist. Die Brenneranordnung 11 ragt in ein Flammrohr 20 der Rohrbrennkammer 22 hinein. Stromab des Flammrohres 20 schließt sich ein Übergangsstück 21 an, welches sich bis zu einem Turbineneintritt 23 erstreckt. Das Flammrohr 20 und das Übergangsstück 21 sind von der Brennkammerwand 24 umfasst. Zur Dämpfung von Verbrennungsschwingungen sind radial außen an der Brennkammerwand 24 zwei umlaufende Reihen von Resonatoren 26 angeordnet. Die Resonatoren weisen in ihrem Inneren jeweils ein Resonator-Volumen auf, welches auf einer Seite von der Brennkammerwand 24 begrenzt ist, wobei das Resonator-Volumen mittels Resonator-Bohrungen 27 in der Brennkammerwand 24 fluidisch mit dem Inneren der Brennkammer 22 verbunden ist.
-
Zur Erhöhung der Lebensdauer der Rohrbrennkammer 22 kann die Brennkammerwand 24 zumindest bereichsweise oder abschnittsweise gekühlt sein. Hierzu können Kühlkanäle (nicht dargestellt) in der Brennkammerwand (beispielsweise im Flammrohr 20 und/oder im Übergangsstück 21) angeordnet sein, wobei die Kühlkanäle aus dem Brennerplenum 7 mit Kühlluft versorgt werden.
-
Die 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Brennkammerwand 24 im Bereich eines Resonators 30 in einer perspektivischen Ansicht eines Längsschnitts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Resonator 30 umfasst hier ein Resonator-Volumen 31, welches auf einer Seite von der Brennkammerwand 24 begrenzt ist und an den anderen Seiten von einem Resonator-Gehäuse 32. Das Resonator-Volumen 31 ist mittels der Resonator-Bohrungen 27 fluidisch mit dem Inneren der Brennkammer 22 verbunden. Jede der Resonator-Bohrungen 27 (nicht alle dargestellt) des Resonators 30 verläuft durch die Brennkammerwand 24 und durch eine in das Resonator-Volumen 31 hineinragende Erhebung 33, welche im Bereich der Resonator-Bohrung 27 die Brennkammerwand verdickt. Die Erhebungen 33 sind somit im gleichen Anordnungsmuster wie die Resonator-Bohrungen 27 radial außen an der Brennkammerwand 24 innerhalb des Resonators 30 angeordnet. Die Erhebungen 33 weisen an ihrer Basis einen größeren, kreisförmigen Durchmesser auf als an ihrer abgeflachten Spitze. Die Erhebungen 33 verhindern bei den hohen wechselnden zyklischen Belastungen der Brennkammerwand 24 eine Rissbildung im Bereich der Resonator-Bohrungen. Da der Resonator zu Kühlung mit Verdichterluft aus dem umgebenden Plenum 7 versorgt wird, welche durch die Spülluft-Öffnungen in das Resonator-Volumen 31 hinein und durch die Resonator-Bohrungen 27 hinaus strömt, erhöhen die von der Verdichterluft umströmten Erhebungen 33 die Kühlung der Brennkammerwand 24 zusätzlich. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt Erhebungen 33, welche alle die gleiche Höhe aufweisen.
-
Die 4 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Brennkammerwand 24 im Bereich einer Resonator-Bohrung 27 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Resonator-Bohrung 27 verläuft durch die Brennkammerwand 24 und zentral durch eine erfindungsgemäße Erhebung 33a, welche einstückig mit dem umgebenden Bereich der Brennkammerwand 24 und aus Vollmaterial ausgebildet ist und somit die Brennkammerwand 24 im Bereich der Resonator-Bohrung 27 verdickt. Die Erhebung 33a ist kegelstumpfförmig ausgebildet, so dass sie an der Basis 35 einen größeren Durchmesser aufweist als an der abgeflachten Spitze 36.
