DE10214570A1

DE10214570A1 - Mischluftloch in Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerschindeln

Info

Publication number: DE10214570A1
Application number: DE10214570A
Authority: DE
Inventors: Miklos Dr.-Ing. Gerendas
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2004-01-15
Also published as: EP1351022A3; EP1351022A2; DE50312938D1; EP1351022B1; US7059133B2; US20030182942A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerschindeln, wobei die Brennkammerschindeln 3 an einer Tragstruktur 6 der Gasturbinenbrennkammer befestigt sind und jeweils zumindest ein Mischluftloch 4 aufweisen, welches fluchtend zu einem Mischluftloch der Tragstruktur 6 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Mischluftlochs der Tragstruktur 6 erheblich größer ist als der Durchmesser 14 des Mischluftlochs 4 der Brennkammerschindel 3.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerschindeln, wobei die Brennkammerschindeln an einer Tragstruktur der Gasturbinenbrennkammer befestigt sind und jeweils zumindest ein Mischluftloch aufweisen, welches fluchtend zu einem Mischluftloch der Tragstruktur angeordnet ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Schindeln in Gasturbinenbrennkammern einzusetzen, um die Trag- und Dichtstruktur vor der intensiven Wärmeeinstrahlung der Flamme zu schützen. Die Tragstruktur bleibt dadurch relativ kühl und behält ihre mechanische Festigkeit. Demgemäß ist es erforderlich, Mischluft durch ein Mischluftloch in der Tragstruktur sowie durch ein Mischluftloch der Brennkammerschindel von außen von einem Ringkanal nach innen in die Brennkammer zu führen.
Derartige Konstruktionen sind beispielsweise aus der US 6,145,319 oder EP 972 992 A2 bekannt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen sind so ausgebildet, dass der Durchmesser des Mischluftloches der Tragstruktur (Schindelträger) höchstens geringfügig größer ist, als der Durchmesser des Mischluftlochs der Brennkammerschindel. Der Größenunterschied dient beim Stand der Technik nur dazu, sicherzustellen, dass bei der ungünstigsten Kombination aller Fertigungs- und Montagetoleranzen der Rand des Mischluftlochs der Brennkammerschindel nicht vom Rand des Mischluftlochs der Tragstruktur überragt wird.
Falls nun während des Betriebes ein Spalt zwischen dem Schindelrand und der Tragstruktur auftritt, entweicht durch diesen wegen der großen Druckdifferenz zwischen dem Schindelinnenraum und dem Mischluftloch relativ viel Kühlluft.
Um zu verhindern, dass durch die dabei auftretende Überhitzung die Brennkammerschindel vorzeitig versagt, muss deutlich mehr Kühlluft durch die Brennkammerschindel geleitet werden. Diese zusätzliche Kühlluft steht somit nicht mehr für eine Verbesserung der Brennstoffaufbereitung und der damit verbundenen Stickoxidemissionsverminderung zur Verfügung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerschindeln der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau, einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit und einfacher Montage eine hohe Lebensdauer aufweist und Überhitzungen der gesamten Konstruktion vermeidet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Durchmesser des Mischluftlochs der Tragstruktur deutlich größer ist, als der Durchmesser des Mischluftlochs der Brennkammerschindel.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
Durch die erfindungsgemäße Wahl der Durchmesserverhältnisse steht der Schindelrand, von der Außenseite der Tragstruktur aus gesehen, deutlich sichtbar in den freien Durchmesser des Mischluftloches vor. Hierdurch bildet sich ein Staudruck auf dem verdickten Schindelrand. Weiterhin wird der Durchfluss koeffizient des Mischluftloches erhöht. Tritt nun im Betrieb ein Spalt zwischen dem Schindelrand und dem der Tragstruktur auf, dann wirkt der oben genannte Staudruck einem Ausströmen von Kühlluft aus dem Schindelinnenraum entgegen. Bei entsprechender Wahl des Durchmessers des Mischluftloches der Tragstruktur ist der Staudruck auf dem Schindelrand gleich dem Druck im Schindelinnenraum. Somit wird ein Ausströmen von Kühlluft aus dem Schindelinnenraum gänzlich verhindert.
Erfindungsgemäß kann bei einer entsprechenden Abstimmung der Durchmesser des Mischluftlochs der Tragstruktur und des Mischluftlochs der Brennkammerschindel erreicht werden, dass durch den starken Staudruck auf dem verdickten Rand der Brennkammerschindel beim Auftreten eines Spalts zwischen der Brennkammerschindel und der Tragstruktur, welcher durch eine Überhitzung der Schindel hervorgerufen wird, zusätzliche Kühlluft aus dem Mischluftloch in den Schindelinnenraum fließt und damit die Kühlung der Brennkammerschindel intensiviert.
Erfindungsgemäß ist somit eine adaptive Kühlung realisiert, bei welcher die Kühlluftmenge selbsttätig an die Temperaturbelastung der Brennkammerschindel angepasst wird.
Erfindungsgemäß wird der verdickte Rand der Brennkammerschindel durch ein gesondertes Muster von Effusionslöchern gekühlt. Die Effusionslöcher können dabei auf der Rückseite der Oberfläche der Brennkammerschindel oder im Schindelrand beginnen, wobei sie auf der dem Schindelinnenraum oder der Tragstruktur zugewandten Seite eintreten können. Die Effusionslöcher enden auf der Oberfläche der Brennkammerschindel oder an der Innenseite des Mischluftlochs der Brennkammerschindel. Die Effusionslöcher können ohne oder mit einer Um fangskomponente um die Achse des Mischluftloches zur Heißgasseite der Brennkammerschindel verlaufen.
Es ergibt sich somit, dass die Kühlluftmenge im Ausgangszustand der Gasturbinenbrennkammer so gewählt werden kann, dass sie für den normalen Betrieb gerade ausreichend ist. Somit steht die maximale Luftmenge für die Schadgasreduzierung zur Verfügung. In Extremsituationen, bei denen die Brennkammerschindel thermisch stärker belastet wird, wird selbsttätig die Kühlung erhöht, sodass ein langanhaltender und sicherer Betrieb möglich ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerschindeln gemäß dem Stand der Technik,
2a eine Schnittansicht durch eine Brennkammerschindel nach dem Stand der Technik,
2b eine Detailansicht des Details 2b von 2a,
3a eine Schnittansicht, analog 2a einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Brennkammerschindel,
3b eine Detailansicht des Details 3b von 3a,
4a eine Detaildarstellung des Brennkammerschindelrandes analog zu der Darstellung der 3a, und
4b Darstellungen des Randbereichs eines erfindungsgemäßen Mischluftloches in Draufsicht mit unterschiedlicher Anordnung von Effusionslöchern.
Die 1 zeigt eine schematische Seiten-Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinenbrennkammer. Dabei ist eine Abdeckung 1 eines Brennkammerkopfes dargestellt. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Grundplatte, Brennkammerschindeln sind mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet. Die Brennkammerschindeln 3 weisen Mischluftlöcher 4 auf und sind an einer Tragstruktur 6 befestigt. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Hitzeschild mit einem Loch für einen Brenner 8 bezeichnet. Am Auslauf der Brennkammer ist eine Turbinenleitschaufel 9 schematisch dargestellt. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine Leitschaufel im Verdichterauslass. Ein Brennkammeraußengehäuse 11 und ein Brennkammerinnengehäuse 12 begrenzt die Brennkammer.
Die 2a und 2b zeigen die Ausgestaltung eines Mischluftlochs 4 der Brennkammerschindel 3 sowie eines entsprechenden Mischluftloches der Tragstruktur 6 gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist ersichtlich, dass der Durchmesser 13 des Mischluftlochs der Tragstruktur 6 geringfügig größer ist, als der Durchmesser 14 des Mischluftlochs 4 der Brennkammerschindel 3. Aus 2b ist ersichtlich, dass die Luftströmung 15 im Mischluftloch 4 zusätzlich Luft aus dem Schindelinnenraum zieht.
Die 3a und 3b zeigen die erfindungsgemäße Ausgestaltung in analoger Darstellung zu den 2a und 2b. Dabei ist ersichtlich, dass der Durchmesser 13 des Mischluftlochs der Tragstruktur 6 deutlicher oder erheblich größer ist, als der Durchmesser 14 des Mischluftlochs 4 der Brennkammerschindel 3. Aus der 3b ist ersichtlich, dass ein Staudruck der Luftströmung 15 zu einem zusätzlichen Einströmen von Kühlluft in den Schindelinnenraum führt, sobald sich ein Spalt zwischen der Tragstruktur 6 und dem Schindelrand 7 bildet.
Die 4a zeigt in vergrößerter Darstellung einen Teilbereich einer erfindungsgemäßen Brennkammerschindel 3. Dabei ist ersichtlich, dass durch den Schindelrand 7 im Bereich des Mischluftlochs 4 zusätzliche Effusionslöcher 16 vorgesehen sind, um Kühlluft aus dem Schindelinnenraum zur Kühlung der Brennkammerschindel 3 zuzuführen. Wie ersichtlich, können die Effusionslöcher 16 in unterschiedlicher Ausrichtung zu der Ebene der Brennkammerschindel 3 angeordnet sein. Das Effusionsloch 16a ist mit einem sehr flachen Winkel angeordnet, während die Effusionslöcher 16b und 16d sich durch den Schindelrand 7 erstrecken und in einem größeren Winkel zur Hauptebene der Brennkammerschindel 3 ausgerichtet sind. Das Effusionsloch 16e erstreckt nahezu senkrecht zur Hauptebene der Brennkammerschindel 3 und durchströmt den Schindelrand 7.
Die 4b zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsvarianten der Effusionslöcher 16 in der Draufsicht auf das Mischluftloch 4 der Brennkammerschindel 3. In der linken Figur der 4b sind die Effusionslöcher jeweils radial angeordnet (unabhängig von dem jeweiligen Neigungswinkel gemäß 4a), während in der rechten Figur der 4b zusätzlich eine Tangentialkomponenten um die Achse des Mischluftloches oder eine tangentiale Anordnung der Effusionslöcher 16 realisiert ist. Hierdurch kann eine besonders effiziente Kühlung erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Er findung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

1: Abdeckung des Brennkammerkopfes
2: Grundplatte
3: Brennkammerschindel
4: Mischluftloch
5: Hitzeschild (mit Loch für Brenner)
6: Tragstruktur
7: Schindelrand
8: Brenner (mit Brennerarm und Drallerzeuger)
9: Turbinenleitschaufel
10: Leitschaufel im Verdichterauslass
11: Brennkammeraußengehäuse
12: Brennkammerinnengehäuse
13: Durchmesser des Mischluftlochs in der Tragstruktur 6
14: Durchmesser des Mischluftlochs 4 in der Schindel 3
15: Luftströmung im Mischluftloch 4
16: Effusionsloch

Claims

Gasturbinenbrennkammer mit Brennkammerschindeln, wobei die Brennkammerschindeln (3) an einer Tragstruktur (6) der Gasturbinenbrennkammer befestigt sind und jeweils zumindest ein Mischluftloch (4) aufweisen, welches fluchtend zu einem Mischluftloch der Tragstruktur (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Mischluftlochs der Tragstruktur (6) erheblich größer ist, als der Durchmesser (14) des Mischluftlochs (4) der Brennkammerschindel (3).
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Mischluftlochs der Tragstruktur (6) um 15 % bis 25 % größer ist, als der Durchmesser (14) des Mischluftlochs (4) der Brennkammerschindel (3).
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerschindel (3) an ihrem Schindelrand (7) nicht abgedichtet an der Tragstruktur (6) anliegt.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Schindelrand (7) eine Spaltbildung zur Tragstruktur (6) ermöglicht ist.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schindelrand (7) Effusionslöcher (16) zur Verbindung mit dem Schindelinnenraum vorgesehen sind.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionslöcher (16) im Schindelrand (7) ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionslöcher (16) in der Brennkammerschindel (3) ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionslöcher (16) radial zu dem Mischluftloch (4) angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionslöcher (16) tangential zu dem Mischluftloch (4) angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionslöcher (16) sowohl eine radiale als auch eine tangentiale Komponente zur Achse des Mischluftloches (4) besitzen.