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Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine, bei der in der Brennkammerwandung Kühlluftöffnungen zur Kühlung der Brennkammerwandung vorhanden sind.
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In Brennkammern von Gasturbinen treten im Betrieb sehr hohe Temperaturen auf, welche ohne entsprechende Maßnahmen zu einer Überlastung und Schädigung der Struktur der Brennkammer führen. Daher ist es in aller Regel erforderlich Kühlmaßnahmen vorzusehen, um die Wandung der Brennkammer unterhalb einer kritischen Materialtemperatur zu halten. Je nach Gestaltung der Brennkammer und des Verbrennungssystems werden hierzu verschiedene Maßnahmen eingesetzt.
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Brennkammern von Gasturbinen weisen in aller Regel eine ungefähr zylinderförmige Gestalt auf, wobei auf der stromaufwärtigen Seite in einer Kopfwandung zumindest ein Brenner angeordnet ist. Stromabwärts schließt sich in aller Regel ein Übergangskanal an, der die Verbindung zwischen der Brennkammer und einer Expansionsturbine der Gasturbine erstellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Seitenwandung der Brennkammer eine metallische, tragende Struktur mit einer keramischen Auskleidung aufweist. Hierdurch kann der erforderliche Kühlungsaufwand für die metallische Struktur reduziert werden.
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Demgegenüber sind für die Kopfwandung häufig zwei Maßnahmen zur Kühlung erforderlich. Einerseits wird die Rückseite der Kopfwandung mit Kühlluft überströmt. Andererseits weist in vielen Anwendungen die Kopfwandung eine Mehrzahl von Kühlungsbohrungen auf, durch welche die Kühlluft unmittelbar in den Brennraum strömt. Hierdurch wird die Belastung durch die heißen Brenngase reduziert.
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Die Forderung nach einer möglichst hohen Effizienz der Gasturbine geht einher mit der Forderung eines möglichst geringen Kühlluftverbrauchs. Daher wird durch die Kühlluftbohrungen im Betrieb der Gasturbine nur gerade so viel Kühlluft strömen, wie zwingend erforderlich ist um die geforderte Lebensdauer ohne Überschuss erreichen zu können.
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Da jedoch die Belastung über die Lebensdauer nicht genau vorhergesagt werden kann, kommt es mitunter vor, dass die geforderte Lebensdauer nicht erreicht wird. Weiterhin kommt hinzu, dass eine weitere Reduzierung der Kühlluft unvermindert gefordert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, bei geringem Kühlluftverbrauch die Funktionsfähigkeit über die Lebensdauer zu gewährleisten bzw. eine Verlängerung der Lebensdauer zu erreichen.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine Öffnung gemäß Ausführungsform nach Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Fortlaufende Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die gattungsgemäße Brennkammer ist Teil einer Verbrennungsanordnung. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Brennkammer bei einer Verbrennungsanordnung einer Gasturbine. Grundsätzlich kann die Lösung jedoch ebenso für Brennkammern anderer Verbrennungsanordnung eingesetzt werden. Zumindest weist die Brennkammer im Inneren einen Verbrennungsraum auf, der von einer Seitenwandung umgeben ist. Die Ausführung der Seitenwandung ist hierbei zunächst unerheblich. Zumindest weist die Seitenwandung in aller Regel eine rohrähnliche oder bevorzugt zylindrische Gestalt auf. Auf einer stromaufwärtigen Seite befindet sich eine Kopfwandung. Gegenüber der Kopfwandung auf der stromabwärtigen Seite ist die Brennkammer funktionsbedingt offen, wobei sich üblicherweise ein Übergangskanal an die Brennkammer anschließt.
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In der Kopfwandung ist bestimmungsgemäß zumindest ein Brenner der Verbrennungsanordnung angeordnet. Hierzu weist die Kopfwandung zumindest eine Brenneraufnahme auf. Hierbei ist es zunächst unerheblich, ob der Brenner unmittelbar in der Brenneraufnahme befestigt oder lediglich in der Brenneraufnahme positioniert ist.
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Weiterhin ist die gattungsgemäße Kopfwandung mit zumindest einem inneren Kühlkanal versehen, wobei der Kühlkanal die Kopfwandung in einen zum Brennraum weisenden Flammrohrboden und gegenüberliegend, zur Kaltseite eine Rückwand aufweist. Hierbei ist es unerheblich, ob sich der Flammrohrboden und die Rückwand abschnittsweise berühren oder beispielsweise einstückig ausgeführt sind. Die Zufuhr von Kühlluft in den Kühlkanal kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei einerseits vorgesehen sein kann, dass in der Rückwand Durchbrüche zur Zuführung der Kühlluft vorhanden sind. Andererseits kann vorgesehen sein, dass der Kühlkanal seitlich offen ist und insofern der Flammrohrboden und die Rückwand radial nach außen einen offenen Spalt bilden.
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Wesentlich für die vorliegende gattungsgemäße Ausführung ist es, dass der Flammrohrboden eine Vielzahl an Kühlluftöffnungen aufweist, welche eine Verbindung zwischen dem zumindest einen Kühlkanal und dem Brennraum herstellen. Somit wird eine Kühlung des Flammrohrbodens einerseits durch die den Kühlkanal durchströmende Kühlluft und andererseits durch die in den Brennraum strömende Kühlluft bewirkt.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr zur Reduktion des Kühlluftverbrauchs bei gleichzeitiger Gewährleistung der Lebensdauer vorgesehen, die üblichen Bohrungen als Kühlluftöffnungen durch Kühlluftöffnungen in Art eines nicht-geradlinigen Schlitzes zu ersetzen. Diese dürfen hierbei im Verhältnis zur Länge des Schlitzes nur eine geringe Spaltbreite aufweisen. Hierzu wird die Bogenlänge der Kühlluftöffnung entlang seines Verlaufes sowie die Spaltbreite, gemessen quer zum Verlauf der Kühlluftöffnung, betrachtet. Besteht die jeweilige Kühlluftöffnung aus mehreren, sich nicht kontinuierlich aneinander anschließenden Stücken, so wird die Bogenlänge der jeweiligen Stücke aufsummiert. Gefordert wird hierbei, dass die Bogenlänge der Kühlluftöffnung zumindest die 10-fache Spaltbreite beträgt. Im Umkehrschluss ist somit die Spaltbreite kleiner als die 0,1-fache Bogenlänge zu wählen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Brennkammer, wenn das relative Verhältnis zwischen der Spaltbreite und der Bogenlänge weiter vergrößert wird, sodass die Bogenlänge der jeweiligen Kühlluftöffnung zumindest die 20-fache Spaltbreite beträgt.
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Durch die neu gewählte Formgebung der Kühlluftöffnungen kann eine Reduktion der durchzuführenden Kühlluft erreicht werden und dennoch kann sichergestellt werden, dass die zulässigen Materialtemperaturen der Kopfwandung nicht überschritten werden. Es wird eine Reduktion von Kerbspannungen an den Kühlluftöffnungen ermöglicht. Im Ergebnis führt dieses zu einer Effizienzsteigerung insbesondere bei der Verwendung an einer Gasturbine. Zudem wird eine Verlängerung der Lebensdauer ermöglicht.
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Entsprechend der nicht-geradlinigen Formgebung der Kühlluftöffnung bestimmt sich die Größe der jeweiligen Kühlluftöffnung nicht in einfacher Weise aus der Bogenlänge und der Spaltbreite. Daher wird ein die jeweilige Kühlluftöffnung umschließendes Rechteck betrachtet. Dieses Rechteck definiert mit der größeren Seitenlänge eine Öffnungslänge der Kühlluftöffnung. Die dazu kleinere Seitenlänge des die Kühlluftöffnung umschließenden Rechteck definiert demgegenüber eine Öffnungsbreite.
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Hinsichtlich der Gestalt der Kühlluftöffnung mit dem nicht-geradlinigen Verlauf ist es dabei vorteilhaft, wenn die Öffnungslänge zumindest die 2-fache Öffnungsbreite beträgt.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Bogenlänge zumindest die 3-fache Öffnungsbreite beträgt.
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Hinsichtlich der Öffnungsbreite ist ein Verlauf der Kühlluftöffnung von Vorteil, wenn sich durch diesen nicht-geradlinigen Verlauf eine Öffnungsbreite ergibt, welche zumindest der 3-fachen Spaltbreite entspricht.
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Es ist naheliegend vorteilhaft, wenn die Kühlluftöffnungen in einem Raster bzw. Muster in Abhängigkeit von dem gegebenen Bauraum und der Lage und Ausführung des zumindest einen in der Kopfwandung vorhandenen Kühlluftkanals angeordnet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Ausrichtung der Kühlluftöffnung nicht für alle identisch gewählt wird, sondern vielmehr die Ausrichtung zwischen benachbarten Kühlluftöffnung unterschiedlich zueinander ist.
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Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kühlluft Öffnungen in einem Muster mit sich abwechselnder Ausrichtung angeordnet sind.
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Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Ausrichtung benachbarter Kühlluftöffnungen um 90° zueinander gedreht gewählt wird.
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Die erforderliche Gestalt der jeweiligen Kühlluftöffnung mit einem nicht-geradlinigen Verlauf bei einer geringen Spaltbreite und einer demgegenüber deutlich größeren Bogenlänge wird in besonders vorteilhafterweise erreicht, wenn die jeweiligen Kühlluftöffnungen eine S-förmige Gestalt aufweisen.
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Die eine vorteilhafte Positionierung der Kühlluftöffnungen relativ zueinander ist gegeben, wenn der Abstand zwischen benachbarten Kühlluftöffnungen zumindest die 0,5-fache Öffnungslänge beträgt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der sich zwischen zwei Kühlluftöffnungen vorhandene Abstand zumindest der Öffnungslänge entspricht.
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Demgegenüber sollte der Abstand zwischen zwei Kühlluft Öffnungen nicht zu groß gewählt werden und somit ist es fortlaufend, wenn der Abstand zwischen benachbarten Kühlluftöffnungen maximal der 2-fachen Öffnungslänge entspricht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand zwischen zwei Kühlluftöffnungen höchstens die 1,5-fache Öffnungslänge beträgt.
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Die Betrachtung von benachbarten Kühlluftöffnungen gilt naheliegend nur für diejenigen Kühlluftöffnungen, die im vorgesehenen Muster auch eine entsprechend benachbarte Kühlluftöffnung aufweisen. Entsprechend kann es vorkommen, dass Kühlluftöffnungen eines ersten Bereiches in der Nähe von Kühlluftöffnungen eines zweiten Bereiches liegen ohne dass die vorteilhaften geometrischen Beziehungen gegeben sind.
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In der Verwendung der Brennkammer kann vorgesehen sein, dass ein einzelner Brenner beispielsweise mittig in der Kopfwandung angeordnet ist. In vorteilhafte Ausführung ist jedoch vorgesehen, dass mehrere Brenner bei der Brennkammer eingesetzt werden können. Entsprechend weist die Kopfwandung fortlaufender Weise eine Mehrzahl an Brenneraufnahmen auf.
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Anordnung der Brenneraufnahme kann unterschiedlich vorgesehen sein, wobei es jedoch besonders vorteilhaft ist, wenn die Brenneraufnahmen kreisförmig verteilt in der Kopfwandung angeordnet sind.
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Zur Einsparung von Kühlluft bei der Brennkammer wird in vorteilhafter Ausführung die Seitenwandung mit keramischen Hitzeschildkacheln versehen. Ausführungen hierzu sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
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In besonders vorteilhafter Weise wird die Brennkammer bei einer Verbrennungsanordnung eingesetzt, wobei an der Kopfseite der Brennkammer ein Brenner in der Brenneraufnahme angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennkammer bei einer Verbrennungsanordnung einer Gasturbine.
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In den nachfolgenden Figuren wird beispielhaft eine erfindungsgemäße Brennkammer in der Verwendung bei einer Verbrennungsanordnung skizziert. Es zeigen:
- 1 zeigt eine Verbrennungsanordnung mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Brennkammer;
- 2 zeigt zur 1 eine Detailansicht der Brennkammer im Bereich der Kopfwandung;
- 3 zeigt die Kopfwandung der Brennkammer in eine Ansicht vom Brennkammerinneren;
- 4 zeigt das Muster der Kühlluftöffnungen in der Kopfwandung;
- 5 zeigt im Detail die beispielhafte Ausführung der Kühlluftöffnungen.
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In der 1 wird beispielhaft eine Verbrennungsanordnung 01 skizziert, wobei sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine sogenannte Silo-Brennkammer handelt. Hierbei weist die Verbrennungsanordnung 01 eine zylinderförmige Brennkammer 02 mit der Brennkammerachse 07 auf. Stromaufseitig sind mehrere Brenner 03 angeordnet. Dabei durchdringen die Brenner 03 die Kopfwandung 11 der Brennkammer 02.
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In der 2 wird der genaue Aufbau der Brennkammer 02 ersichtlich. Zu erkennen ist zum einen die Seitenwandung 04 gebildet aus einer tragenden, zylinderförmigen Brennkammerschale 05 mit den daran befestigten Hitzeschildkacheln 06.
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Die Kopfwandung 11 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel einen über den größten Teil der Erstreckung mehrschichtigen Aufbau. Auf der zum Brennkammerinneren weisenden Seite befindet sich ein Flammrohrboden 12. Auf der stromauf liegenden, vom Brennkammerinneren abgewandten Seite befindet sich eine Rückwand 13. Zwischen dem Flammrohrboden 12 und der Rückwand 13 erstreckt sich über weitere Bereiche der Kopfwandlung 11 ein Kühlkanal 14. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in der Rückwand 13 eine Mehrzahl Durchbrüche zur Zuführung von Kühlluft in den Kühlkanal 14 vorhanden sind.
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Weiterhin zu erkennen die Anordnung einer Brenneraufnahme 15 in der Kopfwandlung 11, sodass entsprechender Brenner in der Verbrennungsanordnung positioniert werden kann.
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Die Ausführung der Kopfwandung 11 und hierbei insbesondere des Flammrohrbodens 12 wird in 3 ersichtlich. Zu erkennen ist die kreisförmige Gestalt der Kopfwandung 11 mit den im Kreis angeordneten Brenneraufnahme 15.
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Wesentlich für die Funktionsfähigkeit ist das Vorhandensein einer Vielzahl von Kühlluftöffnungen 16 im Flammrohrboden 12, welche hierbei im Raster angeordnet sind. Entsprechend der kreisförmigen Gestalt mit den jeweiligen Unterbrechungen durch die Brenneraufnahmen 15 werden unterschiedliche Ausrichtungen des jeweiligen Rasters mit den Kühlluftöffnungen für die Teilflächen gewählt.
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Hierzu wird in der 4 ein Ausschnitt des Flammrohrbodens 12 mit den darin angeordneten Kühlluftöffnungen 16 in einem beispielhaften Raster angeordnet skizziert. Zu erkennen ist die S-förmige Gestalt der jeweiligen Kühlluftöffnung 16, wobei benachbarte Kühlluftöffnungen abwechselnd eine um 90° gedrehte Ausrichtung aufweisen.
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In der 5 wird hierzu nun in einer Detailansicht auf zwei Kühlluftöffnungen 16 deren Geometrie näher dargestellt. Zu erkennen ist die S-förmige Gestalt mit der sich daraus ergebenden Bogenlänge von einem Ende bis zum anderen Ende sowie der Spaltbreite 17. Ein umschließendes Rechteck um die jeweilige Kühlluftöffnung 16 führt zu einer Öffnungslänge 18 sowie einer Öffnungsbreite 19. Die geometrischen Beziehungen der Masse zueinander entsprechen den oben als vorteilhaft ausgeführten Werten.
