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Die Erfindung betrifft eine Brennkammerschindel einer Gasturbine sowie eine doppelwandige Brennkammer einer Gasturbine.
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Bei Gasturbinen, insbesondere bei Fluggasturbinen, ist es bekannt, dass Brennkammerschindeln an einer tragenden Struktur einer Brennkammeraußenwand befestigt sind. Die Brennkammerschindeln weisen eine große Anzahl von Effusions-Kühllöchern auf. Diese Effusions-Kühllöcher dienen dazu, die Schindel durch Austritt von Kühlluft gegenüber den hohen Temperaturen in der Brennkammer zu kühlen. Ferner sind in den Brennkammerschindeln eines oder mehrere Zumischlöcher vorgesehen, durch welche Luft aus dem die doppelwandige Brennkammer außen umgebenden Raum in das Innere der Brennkammer geleitet wird, um die Verbrennungsgase abzukühlen und die Verbrennung abzumagern. Um insbesondere die NOx-Emissionen zu reduzieren, wäre es wünschenswert, wenn die über die Zumischlöcher zugeführte Luft auch weit ins Innere der Brennkammer zumischbar wäre. Bisher sind die Zumischlöcher jedoch als einfache Durchgangsöffnungen in den Brennkammerschindeln ausgeführt, so dass eine Zumischung von Frischluft insbesondere in innere Bereiche der Brennkammer nicht möglich ist, so dass die NOx-Emissionen nicht in vollem Umfang reduziert werden können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammerschindel einer Gasturbine bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine Zumischung von Frischluft in alle inneren Bereiche einer Brennkammer von Gasturbinen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkammerschindel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Brennkammerschindel einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine effiziente Reduzierung von NOx-Emissionen möglich ist. Erfindungsgemäß ist hierbei ein Zumischloch vorgesehen, welches durch einen plattenförmigen Grundkörper der Brennkammerschindel hindurchgeführt ist und einen doppelwandigen Führungsbereich zur Führung von Luft aufweist, der von einer Brennkammerseite des plattenförmigen Grundkörpers vorsteht. Somit reicht der doppelwandige Führungsbereich in das Innere der Brennkammer, so dass gezielt Frischluft in allen inneren Bereichen der Brennkammer zugeführt werden kann. Durch die Ausführung als doppelwandiger Führungsbereich ist ferner eine Kühlung des Führungsbereichs möglich, so dass ein aufgrund der im Betrieb herrschenden hohen Temperaturen mögliches Abbrennen des Führungsbereichs im Inneren der Brennkammer nicht möglich ist. Der doppelwandige Führungsbereich umfasst dabei eine Innenwand und eine Außenwand, zwischen welchen ein Hohlraum gebildet ist. Der Hohlraum zwischen Innenwand und Außenwand des Führungsbereichs steht dabei über Speisungslöcher 16 im plattenförmigen Grundkörper mit einer Rückseite des plattenförmigen Grundkörpers in Verbindung. Somit kann Kühlluft über die Speisungslöcher in den Hohlraum des doppelwandigen Führungsbereichs zugeführt werden. An der Außenwand des doppelwandigen Führungsbereichs sind ferner Austrittslöcher gebildet, über welche die Kühlluft dann aus dem Hohlraum austreten kann. Somit kann zur Kühlung des in die Brennkammer vorstehenden Führungsbereichs des Zumischlochs ein Kühlungsluftstrom vorgesehen werden, welcher über die Speisungslöcher in den Hohlraum und vom Hohlraum über die Austrittslöcher dann in die Brennkammer austreten kann. Somit kann eine dauerhafte Lösung für eine Reduzierung von NOx-Emissionen durch einen kühlbaren, von der Brennkammerschindel in den Brennraum vorstehenden Führungsbereich zur Luftführung, ermöglicht werden.
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Besonders bevorzugt sind die Austrittslöcher in der Außenwand des doppelwandigen Führungsbereichs zu einer Mittelachse des Zwischenlochs hin geneigt. Hierdurch wird eine Bildung eines Effusionsfilms an einer Außenwand unterstützt, so dass an der Außenwand des vorstehenden Führungsbereichs eine Effusionskühlung möglich wird. Dadurch wird eine weiter verbesserte Kühlung des vorstehenden Führungsbereichs des Zumischlochs ermöglicht. Hierdurch kann insbesondere auch eine Länge, mit welcher der Führungsbereich in Brennkammer vorsteht, vergrößert werden.
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Um die Hauptluftführung durch das Zumischloch, welche durch das Innere des Führungsbereichs geführt wird, durch den Nebenluftstrom durch den Hohlraum Führungsbereichs nicht zu stören, ist der Hohlraum vorzugsweise am freien Ende des doppelwandigen Führungsbereichs durch einen lochfreien, umlaufenden Ringbereich begrenzt. Somit tritt die zur Kühlung des Führungsbereichs verwendete Luft ausschließlich an der Außenwand des doppelwandigen Führungsbereichs aus und nicht am freien Ende des Führungsbereichs. Damit kann eine gezielte NOx-Reduzierung verwirklicht werden.
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Vorzugsweise ist eine erste Wandstärke der Außenwand des Führungsbereichs kleiner als eine zweite Wandstärke der Innenwand. Dadurch wird eine effektive Kühlung der Außenwand des vorstehenden Führungsbereichs ermöglicht und ferner kann ein Gewicht der Führungsbereiche signifikant reduziert werden.
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Weiter bevorzugt ist das freie Ende des in die Brennkammer vorstehenden doppelwandigen Führungsbereichs mit einem zum plattenförmigen Grundkörper der Brennkammerschindel abgeschrägten Bereich versehen. Hierdurch können insbesondere strömungsbedingte Vorteile bei der Zumischung von Frischluft über die Zumischlöcher in die Brennkammer erhalten werden. Die Abschrägung ist vorzugsweise in einer in der Brennkammer an der Position des Führungsbereichs vorherrschenden Strömungsrichtung ausgebildet.
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Um eine Stabilität des vorstehenden Führungsbereichs zu verbessern, sind vorzugsweise Versteifungselemente vorgesehen, welche im Hohlraum zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet sind und die Innenwand gegenüber der Außenwand abstützen. Die Versteifungselemente sind vorzugsweise Stege oder dgl.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Versteifungselemente als Wandbereiche parallel zu einer Mittelachse des Zumischlochs ausgeführt, so dass der Hohlraum zwischen der Innenwand und der Außenwand des doppelwandigen Führungsbereichs in eine Vielzahl von Hohlkammern unterteilt ist. Hierbei können die Hohlkammern als voneinander separierte Kammern vorgesehen werden, durch welche jeweils ein separater Kühlungsluftstrom führbar ist. Hierbei ist jeder Hohlkammer dann wenigstens ein Speisungsloch und wenigstens ein Austrittsloch zugeordnet. Alternativ können auch Verbindungsöffnungen zwischen den einzelnen Hohlkammern vorgesehen werden, so dass benachbarte Hohlkammern miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Summe aller Querschnittsflächen der Austrittslöcher in der Außenwand des Führungsbereichs kleiner als eine Summe der Querschnittsflächen aller Speisungslöcher, welche eine Verbindung zwischen der Rückseite der Brennkammerkammerschindeln und dem Hohlraum bereitstellen. Hierdurch können insbesondere die Durchströmungsgeschwindigkeiten an den Austrittslöchern vergrößert werden, was die Bildung eines Effusionsfilms unmittelbar an der Außenseite der Außenwand unterstützt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Zumischluft neben dem in den Brennraum vorstehenden Führungsbereich auch noch einen von der Rückseite des plattenförmigen Grundkörpers vorstehenden Zuleitungsbereich für die Zumischluft. Der Zuleitungsbereich ist vorzugsweise einwandig ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist dabei der Zuleitungsbereich und die Innenwand des doppelwandigen Führungsbereichs als einteiliges Bauteil, insbesondere als Zylinderrohr, vorgesehen. Die Außenwand des doppelwandigen Führungsbereichs ist vorzugsweise mittels eines additiven Verfahrens an die Innenwand angefügt.
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Um eine ausreichende Reduzierung von NOx-Emissionen zu erreichen, ist vorzugsweise der doppelwandige Führungsbereich derart ausgebildet, dass der Führungsbereich eine maximale vorstehende Länge, mit welcher der Führungsbereich von der Brennkammerseite des plattenförmigen Grundkörpers vorsteht, aufweist, welche größer ist als eine Dicke des plattenförmigen Grundkörpers.
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Vorzugsweise weist der vorstehende Führungsbereich eine Zylinderform auf.
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Bevorzugt ist der Führungsbereich und weitere Bereiche des Zumischlochs mittels additiver Verfahren hergestellt. Hierbei wird bevorzugt ein direktes Metalllasersintern ausgeführt. Alternativ können auch andere additive Verfahren, insbesondere zur schichtweisen Ablagerung von Material, zur Herstellung des Zumischlochs verwendet werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine doppelwandige Brennkammer einer Gasturbine, umfassend eine äußere Brennkammerwand und eine innere Brennkammerwand, welche durch eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Brennkammerschindeln vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einer erfindungsgemäßen Brennkammerschindel.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine vereinfachte Seiten-Schnittansicht einer Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Schnittansicht einer Brennkammerschindel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 3;
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5 eine schematische Draufsicht einer Rückseite einer erfindungsgemäßen Brennkammerschindel; und
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6 eine schematische Draufsicht einer Brennkammerseite einer erfindungsgemäßen Brennkammerschindel.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 eine Brennkammerschindel 8 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Das Gasturbinentriebwerk 110 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Gasturbinentriebwerk 110 umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 111, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 112, einen Mitteldruckkompressor 113, einen Hochdruckkompressor 114, eine Brennkammer 115, eine Hochdruckturbine 116, eine Mitteldruckturbine 117 und eine Niederdruckturbine 118 sowie eine Abgasdüse 119, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksmittelachse 101 angeordnet sind.
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Der Mitteldruckkompressor 113 und der Hochdruckkompressor 114 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 120 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 121 in einen ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 113, 114 vorstehen. Die Kompressoren 113, 114 weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 122 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 125 vorstehen, die mit Naben 126 der Hochdruckturbine 116 bzw. der Mitteldruckturbine 117 gekoppelt sind.
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Die Hochdruckturbine 116, die Mitteldruckturbine 117 und die Niederdruckturbine 118 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 123, die radial nach innen vom Gehäuse 121 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinenabschnitte vorstehen und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 124, die nach außen von einer drehbaren Nabe 126 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 125 und die darauf angeordneten Schaufeln 122 sowie die Turbinenrotornabe 126 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 124 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksmittelachse 101.
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2 zeigt vereinfacht eine vergrößerte Darstellung der Brennkammer 115. Die Brennkammer 115 umfasst ein Hitzeschild 2, einen Brennkammerkopf 3 und eine Brennkammerdichtung 4. Weiterhin ist eine doppelwandige Brennkammerwand, umfassend eine Brennkammeraußenwand 9 und Brennkammerschindeln 8 vorgesehen, in welchen Zumischlöcher 5 ausgebildet sind. In der Brennkammerschindel 8 ist ferner noch eine Vielzahl von Effusionslöchern 14 vorgesehen (schematisch in 5 und 6 gezeigt), welche zur Kühlung der Brennkammerschindel 8 dienen. Die Brennkammeraußenwand 9 umfasst mehrere Prallkühllöcher, welche aus Gründen einer verbesserten Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Brennkammeraußenwand 9 ist mittels Brennkammeraufhängungen 10 und Brennkammerflanschen 11 gelagert.
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Wie weiter insbesondere aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Brennkammerschindel 8 Bolzen 6, welche einstückig mit einem plattenförmigen Grundkörper 80 der Brennkammerschindel 8 gebildet sind. Die Bolzen 8 greifen durch Löcher in der Brennkammeraußenwand 9 hindurch und werden mittels Muttern 7 gesichert (vgl. 2). Die Brennkammeraußenwand 9 ist ferner an einem vorderen Endbereich mit einer Grundplatte 12 verbunden, vorzugsweise verschweißt.
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Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, weist die Brennkammerschindel 8 an einem plattenförmigen Grundkörper 80 ein Zumischloch 5 auf. Das Zumischloch 5 dient dabei zum Zuführen von Frischluft in den Brennraum 115, was in 3 durch die Pfeile A angedeutet ist. Das Zumischloch bildet somit eine Durchgangsöffnung durch den plattenförmigen Grundkörper 80.
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Das Zumischloch 5 umfasst einen doppelwandigen Führungsbereich 50, welcher eine Innenwand 52 und eine Außenwand 53 aufweist. Hierbei ist zwischen der Innenwand 52 und der Außenwand 53 ein Hohlraum 15 gebildet. Der Hohlraum 15 ist umlaufend vorgesehen und bildet somit einen Ringraum.
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Wie in 4 dargestellt, können zur Abstützung zwischen der Innenwand 52 und der Außenwand 53 mehrere Versteifungselemente 17 in Form von Stegen vorgesehen sein. Die Stege können dabei den Hohlraum 15 in mehrere, nicht über die Stege miteinander verbundene Hohlkammern trennen, oder in den Stegen sind Verbindungsöffnungen zwischen benachbarten Hohlkammern vorgesehen.
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Wie weiter insbesondere aus den 3 und 5 ersichtlich ist, sind im plattenförmigen Grundkörper 80 Speisungslöcher 16 vorgesehen. Die Speisungslöcher 16 sind Durchgangsöffnungen, welche von einer Rückseite 82 des plattenförmigen Grundkörpers zum Hohlraum 15 führen.
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In der Draufsicht von der Rückseite 82 der Brennkammerschindel von 5 ist ersichtlich, dass die Speisungslöcher 16 in gleichen Abständen entlang des Umfangs des Zumischlochs 5 angeordnet sind.
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Weiterhin sind in der Außenwand 53 des doppelwandigen Führungsbereichs 50 Austrittslöcher 54 gebildet. Somit kann Luft aus dem Hohlraum 15 in den Brennraum 115 austreten.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, sind die Austrittslöcher 54 geneigt zu einer Mittelachse Y-Y des Zumischlochs 5 angeordnet. Hierdurch wird eine Luftströmung durch den doppelwandigen Führungsbereich derart erreicht, dass eine Effusionskühlung durch Bildung eines Effusionsfilms an einer Außenseite der Außenwand 53 erreicht wird. Die Durchströmung des doppelwandigen Führungsbereichs 50 ist in 3 durch die Pfeile B angedeutet.
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Der doppelwandige Führungsbereich 50 steht dabei von einer Brennkammerseite 81 des plattenförmigen Grundkörpers 80 senkrecht vor. Eine Länge L, mit welcher der doppelwandige Führungsbereich vorsteht, beträgt dabei ein Vielfaches einer Dicke D des plattenförmigen Grundkörpers. Somit kann Frischluft über das Zumischloch 5 tief in den Innenbereich der Brennkammer 115 zugeführt werden.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, umfasst das Zumischloch 5 neben dem doppelwandigen Führungsbereich 50 auch einen einwandigen Zuleitungsbereich 51 zum Zuführen von Luft. Der einwandige Zuleitungsbereich 51 steht von der Rückseite 82 des plattenförmigen Grundkörpers 8 vor. Wie in 3 dargestellt, geht der einwandige Zuleitungsbereich 51 direkt in die Innenwand 52 des doppelwandigen Führungsbereichs über. Dieses Bauteil des Zumischlochs 5 kann beispielsweise als Rohr vorgesehen werden. Die Außenwand 53 kann dann beispielsweise mittels additiver Verfahren an das Rohr hinzugefügt werden.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist eine erste Dicke D1 der Innenwand 52 deutlich größer als eine zweite Dicke D2 der Außenwand. Hierdurch wird eine stabile Luftströmung A durch das Hauptzuführloch des Zumischlochs 5 sichergestellt und die dünnwandige Außenwand stellt sicher, dass das Zumischloch 5 der Brennkammerschindel nicht zu schwer wird.
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In den 5 und 6 ist jeweils nur ein Zumischloch 5 pro Brennkammerschindel dargestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist, mehrere Zumischlöcher pro Brennkammerschindel 8 vorzugsehen.
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Wie weiterhin aus 3 ersichtlich ist, weist der doppelwandige Führungsbereich 50 an einem freien Ende 55, welches in die Brennkammer 115 vorsteht, einen umlaufend geschlossenen Ringbereich 56 auf. Der Ringbereich 56 ist frei von Öffnungen oder dgl., so dass Luft aus dem Hohlraum 15 ausschließlich über die in der Außenwand 53 vorgesehenen Austrittslöcher 54 ausströmen kann. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass Luft, welche durch den Hohlraum 15 zur Kühlung des Führungsbereichs 50 verwendet wird, die Hauptströmung durch das Zumischloch 5 stört.
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Wie weiterhin aus 3 ersichtlich ist, weist das freie Ende 55 einen abgeschrägten Bereich 57 auf. Der abgeschrägte Bereich 57 ist dabei derart vorgesehen, dass sich der abgeschrägte Bereich 57 in Strömungsrichtung C durch die Brennkammer 115 verjüngt.
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Hierdurch können Strömungsverluste, welche durch das Vorsehen der vorstehenden Führungsbereiche 50 in die Brennkammer 115 entstehen können, minimiert werden.
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Um insbesondere eine hohe Geschwindigkeit der Strömung aus den Austrittslöchern 54 sicherzustellen, ist bevorzugt eine Summe der Querschnittsflächen aller Austrittslöcher 54 eines Zumischlochs kleiner als eine Summe der Querschnittsflächen aller Speisungslöcher 16. Hierdurch wird auch die Bildung eines Effusionsfilms an der Außenseite der Außenwand 53 unterstützt.
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Die Austrittslöcher 54 sind vorzugsweise in einem spitzen Winkel zur Außenwand 53 in Richtung zur Mittelachse X-X der Brennkammer 115 vorgesehen.
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Die Versteifungselemente 17 dieses Ausführungsbeispiels sind als Stege vorgesehen, welche parallel zu einer Mittelachse Y-Y des Zumischlochs 5 verlaufen und den Hohlraum 15 in separate Hohlkammern unterteilen. Wie aus 4 ersichtlich ist, sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stege vorgesehen, so dass der Hohlraum 15 in zwei Hohlkammern 15a, 15b unterteilt ist. Es sei angemerkt, dass die separaten Hohlkammern 15a, 15b auch durch Verbindungsöffnungen in den Stegen miteinander verbunden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Hitzeschild
- 3
- Brennkammerkopf
- 4
- Brennerdichtung
- 5
- Zumischlöcher
- 6
- Bolzen
- 7
- Mutter
- 8
- Brennkammerschindel
- 9
- Brennkammeraußenwand
- 10
- Brennkammeraufhängung
- 11
- Brennkammerflansch
- 12
- Grundplatte
- 14
- Effusionslöcher
- 15
- Hohlraum
- 15a, 15b
- Hohlkammern
- 16
- Speisungslöcher
- 17
- Versteifungselement / Stege
- 50
- doppelwandiger Führungsbereich
- 51
- einwandiger Zuleitungsbereich
- 52
- Innenwand
- 53
- Außenwand
- 54
- Austrittsloch
- 55
- freies Ende
- 56
- umlaufender Ringbereich
- 57
- abgeschrägter Bereich
- 80
- Grundkörper
- 81
- Brennkammerseite
- 82
- Rückseite
- 101
- Triebwerksmittelachse
- 110
- Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
- 111
- Lufteinlass
- 112
- Fan
- 113
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 114
- Hochdruckkompressor
- 115
- Brennkammer
- 116
- Hochdruckturbine
- 117
- Mitteldruckturbine
- 118
- Niederdruckturbine
- 119
- Abgasdüse
- 120
- Leitschaufeln
- 121
- Triebwerksgehäuse
- 122
- Kompressorlaufschaufeln
- 123
- Leitschaufeln
- 124
- Turbinenschaufeln
- 125
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 126
- Turbinenrotornabe
- 127
- Auslasskonus
- A
- Hauptströmung durch das Zumischloch
- B
- Kühlungsströmung am doppelwandigen Führungsbereich
- C
- Strömungsrichtung in Brennkammer
- D
- Dicke des Grundkörpers
- D1
- Dicke Innenwand
- D2
- Dicke Außenwand
- L
- vorstehende Länge des Führungsbereichs
- X-X
- Brennkammer-Mittelachse
- Y-Y
- Mittelachse des Zumischlochs
