DE102017100984A1

DE102017100984A1 - Gasturbinenbrennkammeranordnung

Info

Publication number: DE102017100984A1
Application number: DE102017100984.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Koch; Hans-Jörg Bauer; Behdad Ariataber
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: DE102017100984B4; DE102017100984A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammeranordnung (1) für eine Gasturbine, insbesondere für Fluggasturbinen mit einer ringförmigen Brennkammer (4) um eine Gasturbinenachse (18) mit mindestens zwei in Umfang auf einem umlaufenden Stufenelement verteilte Brennerelemente mit mindestens einem Einzelbrenner (2) mit jeweils einer Brennerachse (6), wobei alle Brennerachsen in Umfangsrichtung und mit einem Schrägstellungswinkel α ungleich 0° windschief zur Gasturbinenachse aufspannend ausgerichtet sind sowie das Stufenelement seriell umlaufend Brennerrückwänden zur Aufnahme der Brenner und zwischen diesen Seitenwände (5) aufweist. Eine Aufgabe liegt darin, die Gasturbinenbrennkammeranordnung weiter zu verbessern. Gelöst wird die Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände durch dreidimensional geformte Führungsflächen (8) gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung für Gasturbinen (Gasturbinenbrennkammeranordung), insbesondere für Fluggasturbinen, gemäß dem ersten Patentanspruch.
In der Luftfahrt sowie in der Kraftwerkstechnologie kommen Gasturbinen zum Einsatz. Hierbei werden ständig eine Steigerung der Effizienz, d.h. des Brennstoffverbrauchs und eine Verringerung der Abgasemissionen von Gasturbinen angestrebt.
Ein Ansatz für eine solche Effizienzsteigerung umfasst die Gestaltung der ringförmigen Brennkammer sowie insbesondere die Ausrichtung der im Umfang der Brennkammer in dieser gleichmäßig angeordneten Brenner. Die Ausrichtung all dieser Brenner ist jedoch nicht mehr rein axial in der ringförmigen Brennkammer d.h. sie sind nicht parallel zu der Wellenachse der Gasturbine (Gasturbinenachse) angeordnet, sondern in einem Schrägstellungswinkel zu dieser windschief. Derartige Brennkammern sind als sog. SHC-Brennkammmern (SHC = Short-Helical-Combustor) bekannt, wobei das Grundprinzip bereits in den 40er Jahren erstmals schutzrechtlich dokumentiert wurde [1]. Durch windschiefe Lage der Brenner sind die Drallflammen (Flammen) der Brenner in der Brennkammer wendelförmig ausgerichtet. Dadurch können sowohl die Leitschaufeln nach dem Verdichter als auch die Leitschaufeln am Eintritt zur Turbine in vorteilhafter Weise mit einer geringeren Umlenkung ausgeführt werden und unter Umständen auch deren Anzahl reduziert werden. Ferner wird durch die Anwinkelung und damit schräge Anordnung der Brenner der erforderliche axiale Längenbedarf einer Brennkammer reduziert, was einer Bauraum- und Gewichtsreduzierung der Turbine zugutekommt.
In [2] wird beispielhaft eine derartige Gasturbinenbrennkammeranordnung mit einer Ringbrennkammer um eine Gasturbinenachse mit einer Vielzahl in Umfang auf einem umlaufenden Stufenelement verteilte Brenner offenbart. Die Brennerachsen der Brenner sind in Umfangsrichtung und in einen einheitlichen Winkel ungleich 0° zu Wellenachse der Gasturbine aufspannend windschief zur Gasturbinenachse ausgerichtet. Das Stufenelement weist seriell umlaufend Brennerrückfläche (Stufenflächen) zur Aufnahme der Brenner und zwischen diesen Seitenflächen (Stellstufen) auf.
Auch [3] beschreibt eine Gasturbinenbrennkammeranordnung mit einer Ringbrennkammer mit einer Vielzahl in Umfang auf einem umlaufenden Stufenelement verteilte Einzelbrenner, wobei Schrägstellungswinkel zwischen 40 und 50° angegeben werden.
Die genannte schräge Anordnung von Brennern in einer Ringbrennkammer offenbart auch [4, 5], wobei jedoch die Brenner paarweise als Brennerpaar je Stufenelement angeordnet sind. Jedes Brennerpaar umfasst zwei radial von der Gasturbinenachse hinweg in Reihe angeordnete Einzelbrenner mit jeweils einer Brennerachse. Als Schrägstellungswinkel werden 45° angegeben.
Mit der Schrägstellung der Brenner in der Ringbrennkammer entstehen jedoch grundsätzlich asymmetrische Druckverteilungen in den Drallflammen um die Brennerachsen und damit verbunden eine Absenkung des resultierenden Drehimpulses in Umfangrichtung. Dadurch wird insbesondere die wendelförmige Brenngasführung beeinflusst und letztendlich ein Teil der vorgenannten vorteilhaften Wirkungen wieder aufgehoben.
Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, die vorgenannte Brennkammeranordnung mit einer Ringbrennkammer um eine Wellenachse einer Gasturbine mit mindestens zwei in Umfang auf einem umlaufenden Stufenelement verteilte Brenner weiter zu verbessern und insbesondere für die letztgenannte Anordnung von Brennerpaaren weiter zu optimieren.
Die Aufgabe wird durch eine Gasturbinenbrennkammeranordnung gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst. Hierauf rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Gasturbinenbrennkammeranordnung (Brennkammeranordnung) mit einer Ringbrennkammer um die Wellenachse der Gasturbinen (Gasturbinenachse) mit mindestens zwei in Umfang auf einem umlaufenden Stufenelement verteilte Brennerelemente mit mindestens einem Einzelbrenner mit jeweils einer Brennerachse, wobei alle Brennerachsen in Umfangsrichtung und mit einem bevorzugt einheitlichen Schrägstellungswinkel α ungleich 0°, vorzugsweise zwischen 30° oder 40° und 50° oder 60° windschief zur Gasturbinenachse aufspannend ausgerichtet sind sowie das Stufenelement seriell Brennerrückwände zur Aufnahme der Brenner und zwischen diesen Seitenwände aufweist. Die Brenner werden in Umfangsrichtung angestellt.
Von jedem Brenner geht eine Flamme aus, die sich um die Brennerachse vom Brenner ausbildet, sofern sie nicht durch Elemente wie z.B. Führungsflächen oder andere zur Brennerachse asymmetrische Störgrößen abgelenkt oder beeinflusst wird. Ferner weist jede Flamme im Rahmen der Erfindung eine vorgegebene Drallrichtung um die Brennerachse auf.
Ein wesentliches Merkmal betreffen die Seitenwände, die dadurch gekennzeichnet sind, dass diese durch dreidimensional geformte Führungsflächen gebildet werden.
Ein Ziel ist die Erhöhung des mittleren Austrittswinkels aus der Brennkammer und die Verbesserung der Homogenität der Felder der Temperatur und der Geschwindigkeit am Austritt der Brennkammer. Die Darlegung erfolgt beispielhaft anhand einer Anordnung, bei der jedes Brennerpaar zwei radial von der Gasturbinenachse hinweg in Reihe angeordnete Einzelbrenner umfasst.
Es hat sich gezeigt, dass durch dreidimensional geformte Führungsflächen die asymmetrischen Druckverteilungen in den Brennerflammen sowie der resultierende Drehimpuls der gesamten Strömung in Umfangrichtung, d.h. die insbesondere die wendelförmige Brenngasführung beeinflussen, erheblich manipulierbar ist. Eine herkömmliche einseitig zur Drallflamme angeordnete ebene Führungsfläche tritt mit den Drallflammen in Wechselwirkung und führt grundsätzlich zu einer erheblichen Ablenkung dieser von der in den Brennraum hineinragenden Brennerachse. Diese Wechselwirkung ist begründet im Drall und der fortschreitenden Verbrennung einer den Brenner verlassende Drallflamme.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Gasturbinenbrennkammeranordnung sieht vor, dass jedes Brennerelement pro Stufenelement durch ein Brennerpaar gebildet ist und jedes Brennerpaar zwei radial von der zentralen Gasturbinenachse hinweg in Reihe angeordnete Einzelbrenner, d.h. einen innenliegenden und einen außenliegenden Einzelbrenner umfasst. Dabei bilden alle außenliegenden und innenliegenden Einzelbrenner dabei jeweils eigene Einzelbrennergruppen, die jeweils gruppenweise vorzugsweise einen einheitlichen Abstand sowie vorzugsweise einen einheitliche Ausrichtung relativ zur Gasturbinenachse aufweisen. Damit entsteht eine in Umfangsrichtung an jedem Brennerpaar eine einheitliche Ausbildung der Drallflamme.
Der Strömung aus dem Brenner wird ein Drall aufgeprägt. Deshalb ist die Flammenausbreitung wendelförmig. Die Brenner im Rahmen der Erfindung weisen Mittel für das Aufprägen des Dralls, vorzugsweise Drallgeneratoren auf. Die Drallrichtung der Drallflammen benachbarter Einzelbrenner eines Brennerpaares innerhalb eines Stufenelements ist vorzugsweise gegenläufig. Die Drallrichtung der Drallflammen benachbarter Einzelbrenner von zwei benachbarten Stufenelementen ist vorzugsweise gleichsinnig. Tangieren sich die beiden nebeneinander angeordnete Drallflammen, sind die Flammsträhnen der beiden Drallflammen im Bereich der Berührung aufgrund der gegenläufigen Drallrichtung ungefähr in gleicher Richtung ausgerichtet. Dies bedeutet auch, dass die Drallrichtung vorzugsweise so ausgerichtet ist, dass die jeweils unmittelbar über der Führungsfläche verlaufende Strömung der Flammen von zwei benachbarten Einzelbrennern gegeneinander verlaufen.
Die Brennerpaare umfassen vorzugsweise zwei Brenner mit gegenläufiger Drallrichtung. Damit eignen sich die Brenner für die Erzeugung eines Drallflammenfeldes mit zwei Einzeldrallflammen mit gegenläufiger Drallrichtung.
Eine weitere Ausführung umfasst mehr als ein Brennerpaar pro Stufenelement, wobei die Brennerpaare dabei bevorzugt radial von der zentralen Gasturbinenachse hinweg in Reihe entlang der Seitenwand angeordnet sind und deren Drallflammen jene direkt tangieren. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass aufgrund der zusätzlichen Brennerpaare diese bei gleicher Leistung an sich kleiner auslegbar sind, damit auch die Stufen und Führungsflächen kleiner gestaltbar sind und in Folge dessen grundsätzlich eine kürzere axiale Länge der Ringbrennkammer realisierbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die zwei Brenner eines jeden Brennerpaars jeweils parallele oder in radialer Richtung divergent angewinkelte Brennerachsen auf. Eine divergente Anstellung der Brennerachsen reduziert die Wechselwirkung der Drallflammen untereinander. Daraus resultiert ein vorteilhaftes Druckfeld auf der Seitenwand. Dies führt zu einem höheren Drehimpuls der Strömung in der Umfangsrichtung und schließlich zu einem homogeneren Temperaturfeld sowie höherem mittleren Strömungswinkel am Brennkammeraustritt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht Brennerpaare vor, die mit einem Schrägstellungswinkel α ungleich 0°, vorzugsweise zwischen 30 oder 40° und 50 oder 60° windschief zur Gasturbinenachse aufspannend ausgerichtet sind. Dadurch kann der Drehimpuls der Strömung aus Kompressor zum überwiegenden Teil ausgenutzt werden.
Die dreidimensional geformten Führungsflächen umfassen jeweils eine Erhebung, die in die Brennkammer hineinragt. Die Erhebung ist vorzugsweise dammförmig auf der Führungsfläche zwischen den Brennerachsen der beiden Einzelbrenner der Brennerpaare angeordnet und dient dabei insbesondere der Führung der wendelförmigen Flammausbreitung.
Optional ist beidseitig zu der dammförmigen Erhebung im Bereich der beiden Brennerachsen jeweils eine grabenförmige Vertiefung angeordnet, die zusammen mit der dammförmigen Erhebung insbesondere die wendelförmige Flammausbreitung zusätzlich führen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung bilden Erhebung und Vertiefung der Führungsflächen eine um die Brennerachse partiell umlaufende Gegenfläche für die Flamme. Durch diese Anordnung wird beispielsweise in vorteilhafter Weise die äußere Flamme nach außen und die innere Flamme nach innen abgelenkt.
Vorzugsweise ist die Erhebung in ihrer Höhe δ₁ und/oder die Vertiefung in ihrer Tiefe δ₂ in Abhängigkeit von dem Abstand zum jeweiligen Brennerpaar oder Brennerelement x nicht konstant, sondern sie verändert sich. Dies erfolgt bevorzugt kontinuierlich mit oder ohne lokaler Zwischenmaxima oder -minima und weiter bevorzugt knickfrei. Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Höhe δ₁(x) und/oder die Tiefe δ₂(x) im Bereich der Brennerrückwände (x = 0) maximal und reduziert sich vorzugsweise mit dem Abstand zu den Brennern x bis hin zum Ende der Seitenwand (Führungsfläche) x = L zu einem Minimum (Höhe δ₁(0) > δ₁ (x) > δ₁ (L) bzw. Tiefe δ₂ (0) > δ₂ (x) > δ₂ (L) ) . Die Abhängigkeit zwischen δ₁(x) bzw. δ₂ (x) und x ist dabei linear, wobei δ₁ (L) und / oder δ₂ (L) gleich 0 ist.
Eine Ausgestaltungsoption einer durch eine vorgenannte Erhebung mit oder ohne optionaler Vertiefungen dreidimensional geformte Führungsfläche sieht vor, die Innenkannte zu der angrenzenden oberen und unteren Brennkammerwandung nicht geknickt, sondern ausgerundet, d. h. gebogen zu gestalten. Weiter bevorzugt setzt sich die Krümmung der Führungsfläche in die angrenzenden Bereiche der Brennkammerwandung fort, weiterhin bevorzugt im Bereich um die gerundeten Innenkanten zu den angrenzenden Brennerachsen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsoption sieht vor, dass zwischen den Stufenelementen und den jeweils benachbarten Seitenwänden jeweils knickfreie Übergangsrundungen als Teil der dreidimensional geformten Führungsflächen vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine Einflussnahme auf die Ablenkung der Flamme.
Die Erfindung sowie Ausgestaltungen dieser werden beispielhaft anhand von Ausführungsformen und folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

1a und b eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts (1a) sowie einer gesamten Rückansicht (1b) einer Brennkammeranordnung einer Gasturbine (Ringbrennkammer) mit stufenförmiger Anordnung der Brennerpaare sowie der zweidimensional ebenen Führungsflächen (Stand der Technik) in der Ringbrennkammer,
2a bis c je eine prinzipielle Draufsicht (radialer Richtung hin zur Gasturbinenachse) auf einen Ausschnitt einer Gasturbinenbrennkammeranordnung mit stufenförmiger Anordnung der Brennerpaare sowie der Führungsflächen sowie der ersten Leitschaufeln eines nachfolgenden Turbinenabschnitts mit einheitlichen (2a) und unterschiedlichen (2b) Schrägstellungswinkel α₁ und α₂ der Brennerachsen pro Brennerrückwand sowie mit unterschiedlichen Schrägstellungswinkel der benachbarten Brennerrückwände (2c),
3a und b je eine prinzipielle Ansicht (tangential) der Brennkammer im Bereich eines Brennerpaares auf einem Stufenelement mit parallel (3a) und nicht parallel (3b) zueinander angeordneten Ebenen, auf denen die Brennerachsen eines Brennerpaares angeordnet sind,
4a bis d perspektivische Darstellungen je Gasturbinenbrennkammeranordnung im Bereich eines Brennerpaars in einer Ringbrennkammer mit einer zweidimensional ebenen Seitenwand als Führungsfläche mit einem Brennerpaar (4a), zwei Brennerpaare pro Stufenelement (4b), einem Einzelbrenner (4c) sowie drei Einzelbrenner oder einem Brennerpaar mit Einzelbrenner (4d),
5a bis d mögliche Ausgestaltungen einer dreidimensional ausgeformten Führungsfläche mit ebener Brennkammerwandung (5a,c,d) und dreidimensional geformter Brennkammerwandung (5b),
6a und b jeweils eine prinzipielle Ansicht (tangential) der Brennkammer im Bereich eines Brennerpaares auf einem Stufenelement mit Drallflammen und mit parallel zueinander angeordneten Ebenen, auf denen die Brennerachsen eines Brennerpaares angeordnet sind, 6a mit ebener Führungsfläche und 6b mit dreidimensional geformter Führungsfläche,
7a bis e je eine seitliche Ansicht (7a bis c) sowie eine Draufsicht (7d und e) auf ein Stufenelement mit einem Brennerpaar sowie einer auf dem Stufenelement ausgehenden dreidimensional geformten Führungsfläche mit den Parametergrößen der dreidimensional geformten Führungsfläche sowie
8a und b Austrittswinkel aus der Brennkammer (Isolinien) mit einer herkömmlichen zweidimensional ebenen Seitenwand als Führungsfläche (8a, vgl. 6a) und einer dreidimensional ausgeformten Führungsfläche (8b, vgl. 6b).

Den Stand der Technik für eine Ringbrennkammer einer Gasturbine mit schräg gestellten Brennerpaaren in Stufenanordnung repräsentiert 1a und b.
Prinzipiell und perspektivisch dargestellt sind in 1a ein Ausschnitt einer Gasturbinenbrennkammeranordnung 1, in der die Brenner 2 der Brennerpaare auf jeweils einer Brennerrückwand 3 angeordnet sind und in die Brennkammer 4 einmünden und in diese jeweils eine nicht explizit dargestellte Flamme entfachen. Die zwischen den Brennerrückwänden angeordneten Seitenwände 5 dienen als einseitige Führungsfläche 8 für eine Flamme. Dem Stand der Technik entsprechend sind die Führungsflächen unstrukturiert, d.h. zweidimensional eben ohne eine Erhebung, Vertiefung oder sonstige Strukturierung ausgestaltet. Die jeweiligen Brenner eines Brennerpaars sind paarweise parallel zueinander angeordnet, d.h. die jeweiligen Brennerachsen 6 eines jeden Brennerpaars sind parallel zueinander angeordnet. Ferner zeigt 1a die untere Brennkammerwandung 7 der Brennkammer 4, die bei einer Ringbrennkammer umlaufend ist.
1b zeigt dagegen schematisch eine rückwärtige Ansicht der gesamten Ringbrennkammer mit unterer und oberer Brennkammerwandung 7 bzw. 13 die die radiale Begrenzung der Brennkammer darstellen. Ferner ist die treppenähnliche abwechselnde Anordnung der Brennerrückwände 3 und der Seitenwände 5 deutlich erkennbar, hinter denen die Brennkammer angeordnet ist. Auf fünf der dargestellten Brennkammerrückwänden sind stellvertretend für alle Brennkammerrückwände die Brenner 2 von Brennerpaaren dargestellt.
2a zeigt ausschnittsweise die in 1a und b dargestellte Ausführung in prinzipieller Draufsicht, d.h. in radialer Richtung hin zur nicht weiter dargestellten Symmetrieachse 18 der Gasturbine (Wellenachse der Gasturbine). Sie verdeutlicht nochmal die prinzipielle Anordnung der Brennkammer 4, der stufenförmige Anordnung der Brenner 2 der Brennerpaare auf Brennerrückwänden 3, der als Führungsflächen 8 für die Drallflammen 9 dienende Seitenwände 5 sowie der ersten Leitschaufeln 10 eines nachfolgenden Turbinenabschnitts 11 mit einheitlichen Schrägstellungswinkel α, der sich als Winkel zwischen einer Brennerachse 6 und der axialen Ausrichtung 12 parallel zur Symmetrieachse der Gasturbine (Gasturbinenachse) definiert. 2b repräsentiert eine optionale Ausgestaltung einer Gasturbinenbrennkammeranordnung mit unterschiedlichen Schrägstellungswinkel α der Brennerachsen pro Brennerrückwand zu der Gasturbinenachse. Vorzugsweise weisen dabei die außenliegenden und innenliegenden Einzelbrennergruppen der Brennerpaare jeweils gruppenweise einen einheitlichen Schrägstellungswinkel α1 bzw. α2 auf, der sich von dem der jeweiligen anderen Gruppe unterscheidet. Dabei sind die Brenner eines Brennerpaars in ihren Brennerachsen windschief zueinander angeordnet. 2c gibt eine Anordnung der unterschiedlichen Schrägstellungswinkel α1 bzw. α2 der Brennerachsen pro Brennerrückwand zu der Gasturbinenachse wieder, zeigt aber abweichend nicht eine einheitlich ausgerichtete Führungsfläche, sondern zwei benachbarte an die unterschiedlichen Schrägstellungswinkel α1 bzw. α2 jeweils angepasste Brennerrückwände. Die in 2c dargestellten Winkelbezeichnungen sind dabei auch bei gleicher Bezeichnungen nicht mit denen in 2b gleichgesetzt (α1 bzw. α2 in 2b ist grundsätzlich nicht identisch mit α1 bzw. α2 in 2c), sondern heben nur die jeweilige Ausgestaltung mit zwei unterschiedliche Winkeln hervor. Der Übergang zwischen den beiden Brennerrückwandbereichen verläuft scharfkantig oder kontinuierlich stufenweise.
Die in 1a und b sowie 2a dargestellte Ausführung zeigt die grundsätzliche Ausführung einer Gasturbinenbrennkammeranordnung, jedoch ohne die zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagenen wesentlichen Merkmale.
3a und b zeigen für zwei optionale Ausgestaltungen je eine Schnittansicht durch die Ringbrennkammer. Die Projektionsrichtung ist bei einheitlichem Schrägstellungswinkel beider Brenner des Brennerpaars vorzugsweise orthogonal zu den Brennerachsen 6, d.h. tangential schräg zur Ringbrennkammer. Dargestellt sind jeweils ein Ausschnitt einer Führungsflächen 8 in seitlicher Ansicht und die dazwischenliegende Brennerrückwand 3 (dargestellt als Linie) mit der gestrichelt wiedergegebenen Anordnung der durch eine Führungsfläche verdeckten Brenner 2. Während in 3a die Brennerachsen auf zwei parallel zueinander angeordneten Ebenen liegen, repräsentiert 3b ein Brennerpaar mit nicht parallel zueinander angeordneten Ebenen, auf denen die Brennerachsen eines Brennerpaares angeordnet sind. Weisen die Brennerachsen der dargestellten Brennerpaare jeweils einen einheitlichen Schrägstellungswinkel auf, liegen die in 3a dargestellten Brennerachsen parallel zueinander, während sie in 3b wie dargestellt divergieren. Wie in 1a zeigen 3a und b die untere Brennkammerwandung 7, jedoch hier als Linie. Eine solche ist auch die obere Brennkammerwandung 13 angedeutet (vgl. 1b). Beide Brennkammerwandungen sind bei einer Ringbrennkammer umlaufend.
Eine perspektivische Darstellung der in 3a wiedergegebenen Ausgestaltung der Gasturbinenbrennkammeranordnung im Bereich eines Brennerpaars in einer Ringbrennkammer mit einer herkömmlichen zweidimensional ebenen Seitenwand als Führungsfläche zeigt 4a. 4b repräsentiert eine Ausgestaltung mit beispielhaft zwei Brennerpaaren pro Stufenelement. Weitere Ausgestaltungen sehen auch Anordnungen mit einem oder mehreren Einzelbrennern oder Brennerpaaren vor (4c bzw. d).
5a bis d repräsentieren mögliche Ausgestaltungen einer dreidimensional ausgeformten Führungsfläche mit ebener unteren und oberen Brennkammerwandung (5a, c und d) und zusätzlich dreidimensional geformter unteren und oberen Brennkammerwandung (5b). Die Perspektive entspricht der in 3a gezeigten. Wie dargestellt weist die Führungsfläche 8 vorzugsweise auf der radialen Höhe mittig zwischen den beiden Brennerachsen 6 des dargestellten Brennerpaars jeweils eine Erhebung 14 auf. Sie ragt zwischen den Brennkammerachsen in das Brennkammervolumen ein und füllt insbesondere da das Zwickelvolumen zwischen den nicht weiter dargestellten Drallflammen um die Brennerachsen aus (vgl. 2a). Die Erhebung verläuft dammförmig von der jeweiligen Brennerrückwand 3 weg und reduziert sich in ihrer Höhe δ₁(x) von der jeweiligen Brennerrückwand weg kontinuierlich. Beidseitig der Erhebung ist auf der Führungsfläche 8 jeweils eine grabenförmige Vertiefung 15 dargestellt, die sich wie Höhe in ihrer Tiefe δ₂ (x) von der jeweiligen Brennerrückwand weg kontinuierlich reduzieren. Während sich in der Ausgestaltung gem. 5b die dreidimensionale Führungsfläche in weiten Bereichen knickfrei in eine untere dreidimensionale untere Brennkammerwandung 7 übergeht (vgl. 7e), ist in den Ausgestaltungen gem. 5a und c die untere und obere Brennkammerwandung eben oder nur entsprechend dem kreisförmigen Querschnitt der Ringbrennkammer folgend ausgeführt und weist damit einen deutlich ausgeprägteren knickförmigen Übergang zur dreidimensionalen Führungsfläche 8 auf (vgl. auch 7d). In den in 5a und b dargestellten Fällen umfassen die dreidimensional geformten Führungsflächen Teilflächen, die sich um die Brennerachsen erstrecken und damit in vorteilhafter Weise eine Führung der Drallflammen im Brennraum bewirken. Dagegen offenbart
5c eine Führungsfläche nur mit einer dammförmigen Erhebung, jedoch keine Vertiefung, d.h. die Bereiche abseits Erhebung spannen einen bevorzugt planen Führungsflächenteilbereich auf.
5d zeigt im Gegensatz zu den anderen drei Figuren eine Ausführung mit einem Einzelbrenner, wobei die Führungsfläche entsprechend nur eine bevorzugt rillenförmige Vertiefung 15 und keine Erhebung aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass durch dreidimensional geformte Führungsflächen (Seitenwände) sich ein Druckfeld in den Drallflammen einstellt, das bewirkt, dass die beiden über einander liegenden Drallflammen vorteilhaft abgelenkt werden. 6a zeigt eine schematische Darstellung der Drallflammen 9 aus den Brennern 2 eines Brennerpaars in einer Brennkammer mit ebener Führungsfläche 8. Die Flammen breiten sich um die Brennerachsen, die im Beispiel ausgehend von den Brennern 2 parallel zueinander in den Brennraum 4 ausgerichtet sind. Vorzugsweise wird darauf abgezielt, dass die äußere der beiden Flammen nach außen d.h. von der Symmetrieachse der Ringbrennkammer weg, und die innere Drallflamme nach innen, d.h. zur Symmetrieachse 18 der Ringbrennkammer hin, abgelenkt wird (divergente Ablenkung der Drallflammen voneinander, vgl. 6b). Diese Ablenkung ist auf die Interaktion der drallförmigen Strömung von jeder der beiden Drallflammen mit der dreidimensionalen Form der Führungsfläche zurückzuführen.
Letztlich ist die dreidimensionale Form insbesondere der vorgenannten Erhebung der Führungsfläche so zu gestalten, dass es zu der vorteilhaften Ablenkung von äußerer und innerer Flamme eines Brennerpaares, wie in 6b beispielhaft dargestellt, kommt. Maßgeblicher Einflussparameter ist die Formgebung der dreidimensional geformten Führungsfläche, die vorzugsweise charakterisiert ist durch die Höhe der Erhebung δ₁ entlang einer Linie, vorzugsweise der Mittellinie der Seitenwand, vorzugsweise auch durch die Höhe der Vertiefung unterhalb der Brennachsen δ₂, die Abnahme der Erhöhung Θ₁ und Vertiefung Θ₂ in Richtung der Brennerachse. 7a bis e zeigen in einer Draufsicht (7d und e) und einer seitlichen Ansicht ( 7a bis c) ein Stufenelement 20 mit zwei Brennern 2 eines Brennerpaars sowie der auf dem Stufenelement ausgehenden dreidimensional geformten Führungsfläche 8 mit den vorgenannten Parametern der dreidimensional geformten Führungsfläche. 7a zeigt beispielhaft, dass die Erhebung 14 und die Vertiefung 15 der Führungsfläche 8 direkt am Ansatz zur Brennerrückwand 3, d.h. bei x=0 maximal ist und mit der Erstreckung der Führungsfläche in x-Richtung bis hin zu den Werten 0 abnimmt. 7b zeigt beispielhaft die stetigen Verläufe der Höhe der Erhebung δ₁ (x) und Höhe der Vertiefung δ₂ (x), bei denen die jeweiligen Maximalwerte nicht bei x=0 angeordnet sind. Die Verläufe richten sich vielmehr rechnerisch durch die Ausbildung der Drallflamme in der Brennkammer, wobei sich beispielhaft die dargestellten Profilverläufe ergeben. Ein maximaler Wert der Höhe der Vertiefung δ₂ ^max und ein lokaler minimaler Wert der Höhe der Erhebung δ₁ ^min wird vorzugsweise in dem Abstand x zur Brennerrückwand angelegt, da in Abhängigkeit von der Größe der Rezirkulationszone sowie dem Ort des Wirbelaufplatzens eine günstigere Verteilung des Druckfeldes und somit ein höherer Drehimpuls in der Umfangsrichtung erwartet ist. Von dort ausgehend kommt es zu einer von dem Brenner weg gerichteten Beschleunigung der Drallflamme, wobei diese durch eine Verengung in Form eines lokalen Maximums der Höhe der Erhebung δ₁ ^max und einer signifikanten Reduzierung der Höhe der Vertiefung δ₂ unterstützt wird.
Der Verlauf der δ₁ kann folglich linear oder auch nicht linear mit lokalen Maxima oder Minima auf dem Weg zum Endpunkt der Führungsfläche sein. Dies erkennt man auch daran, dass in der Ansicht der beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung in 7d und e der rechts angeordnete Abschluss der Brennerrückwand 3, die den Übergang zur rechts angrenzenden Führungsfläche 8 darstellt eine im Beispiel eine vertikale Gerade ist und auf dieser Linie die Führungsfläche nicht dreidimensional geformt ist. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die dreidimensionale Form der Führungsfläche auch bis zu dem genannten Übergang zu erstrecken, sodass die Gerade eine entsprechend der dreidimensionalen Topographie geformten Linienverlauf einnimmt. 7d zeigt wie 5a und c eine Ausgestaltung, bei der die untere und obere Brennkammerwandung eben oder nur entsprechend dem kreisförmigen Querschnitt der Ringbrennkammer folgend ausgeführt ist. 7e dagegen zeigt wie 5b eine Ausgestaltung, bei der die dreidimensionale Führungsfläche in weiten Bereichen knickfrei in eine dreidimensionale Brennkammerwandungen übergeht.
7c zeigt eine mögliche Anordnung der Erhöhung 14 (durchgezogene Höhenlinien 19) und der Vertiefungen 15 (gestrichelte Höhenlinien 19) auf der Führungsfläche.
Eine optionale weiterführende Strukturierung, z.B. mit wie zuvor für die Führungsflächen in analoger Weise beschriebenen Topographien auch der oberen und/oder unteren Brennkammerwandung ist in 7a bis e nicht weiter dargestellt.
Durch die dreidimensional geformten Führungsflächen kann die Strömung am Austritt aus der Brennkammer, also am Eintritt in das erste Leitrad der Turbine vorteilhaft beeinflusst werden. Es konnte gezeigt werden, dass dadurch eine weitaus homogenere räumliche Verteilung des Austrittswinkels und auch des Temperaturfeldes erhalten wird. 8a und b zeigen die jeweiligen Austrittswinkel aus der Brennkammer (Isolinien 21, Linien mit gleichen Austrittswinkeln) mit einer herkömmlichen zweidimensional ebenen Seitenwand als Führungsfläche (8a), wie sie z.B. in 6a dargestellt ist, und einer dreidimensional ausgeformten Führungsfläche (8b, vgl. 6b).
Literatur

[1] US 2.326.072
[2] US 7.549.294 B2
[3] DE 10 2010 023 816 A1
[4] Ariatabar, B., et al. „Short Helical Combustor: Concept Study of an Innovative Gas Turbine Combustor With Angular Air Supply." Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 138.3 (2016): 031503.
[5] Ariatabar, Behdad#, Rainer Koch, and H-J. Bauer. „Short Helical Combustor: Dynamic Flow Analysis in a Combustion System With Angular Air Supply." Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 139.4 (2017): 041505

Bezugszeichenliste

1: Gasturbinenbrennkammeranordnung
2: Brenner
3: Brennerrückwand
4: Brennkammer
5: Seitenwand
6: Brennerachse
7: untere Brennkammerwandung
8: Führungsfläche
9: Drallflamme
10: Leitschaufel
11: Turbinenabschnitt
12: axiale Ausrichtung
13: obere Brennkammerwandung
14: Erhebung auf der Führungsfläche
15: Vertiefung in der Führungsfläche
16: innenliegender Einzelbrenner
17: außenliegenden Einzelbrenner
18: Symmetrieachse
19: Höhenlinien auf der Führungsfläche
20: Stufenelement
21: Isolinien des Strömungsaustrittswinkels

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2326072 [0042]
US 7549294 B2 [0042]
DE 102010023816 A1 [0042]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ariatabar, B., et al. „Short Helical Combustor: Concept Study of an Innovative Gas Turbine Combustor With Angular Air Supply.“ Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 138.3 (2016): 031503 [0042]
Ariatabar, Behdad#, Rainer Koch, and H-J. Bauer. „Short Helical Combustor: Dynamic Flow Analysis in a Combustion System With Angular Air Supply.“ Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 139.4 (2017): 041505 [0042]

Claims

Gasturbinenbrennkammeranordnung (1) mit einer ringförmigen Brennkammer (4) um eine Wellenachse einer Gasturbine (18) mit mindestens zwei in Umfang auf einem umlaufenden Stufenelement (20) verteilte Brennerelemente mit mindestens einem Einzelbrenner (2) mit jeweils einer Brennerachse (6), wobei a) alle Brennerachsen in Umfangsrichtung und mit einem Schrägstellungswinkel α ungleich 0° windschief zur Gasturbinenachse aufspannend ausgerichtet sind sowie b) das Stufenelement (20) seriell umlaufend Brennerrückwände zur Aufnahme der Brenner und zwischen diesen Seitenwänden (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Seitenwände durch dreidimensional geformte Führungsflächen (8) gebildet werden.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennerelement durch ein Brennerpaar gebildet ist und jedes Brennerpaar zwei radial von der Gasturbinenachse hinweg in Reihe angeordnete Einzelbrenner (2), einen innenliegenden und einen außenliegenden Einzelbrenner (16) bzw. (17) umfasst.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle innenliegenden und alle außenliegenden Einzelbrenner (16) bzw. (17) jeweils eine Einzelbrennergruppe bilden, die jeweils gruppenweise einen einheitlichen Abstand sowie eine einheitliche Ausrichtung relativ zur Gasturbinenachse aufweisen.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensional geformten Führungsflächen (8) jeweils eine Erhebung (14), die zwischen den Brennerachsen (6) der beiden Einzelbrenner (2) der Brennerpaare dammförmig in die Brennkammer (4) hineinragen, umfassen.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (14) in ihrer Höhe von dem jeweiligen Stufenelement (20) mit dem Brennerpaar weg entweder kontinuierlich oder einem lokalen Maximum und/oder Minimum geformt ist.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensional geformten Führungsflächen (8) jeweils rinnenförmige Vertiefungen (15) ober- und unterhalb der Mittellinie der Seitenwand aufweisen.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die rinnenförmigen Vertiefungen parallel zu den Brennachsen verlaufen.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (15) in ihrer Tiefe von dem jeweiligen Stufenelement (20) mit dem Brennerpaar weg entweder kontinuierlich oder mit einem lokalen Maximum und/oder Minimum geformt sind.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennerachsen (6) des Brennerpaars nicht parallel zueinander angeordnet sind, vorzugsweise von den Brennern ausgehend divergent ausgerichtet sind.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrägstellungwinkel α zwischen 30 und 60° beträgt.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stufenelementen (3) und den jeweils benachbarten Seitenwänden (5) jeweils knickfreie Übergangsrundungen als Teil der dreidimensional geformten Führungsflächen vorgesehen sind.
Gasturbinenbrennkammeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensional geformten Führungsflächen (8) Teilflächen umfassen, die sich rotationssymmetrisch um die Brennerachsen (6) erstrecken.