DE10233805B4

DE10233805B4 - Ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE10233805B4
Application number: DE10233805A
Authority: DE
Inventors: Peter Graf; Stefan Tschirren; Helmar Wunderle
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: EP1384950A2; EP1384950A3; US20040154308A1; DE10233805A1; EP1384950B1; US7350360B2

Abstract

Ringförmige Brennkammer (13) für eine Gasturbine (10), in welche Brennkammer (13) auf einer Eintrittsseite Brenner (14, 15) münden, und welche Brennkammer (13) sich in axialer Richtung von der Eintrittsseite zu einer Austrittsseite (33) erstreckt und auf den Innenseiten zum Schutz vor den heissen Gasen mit konvektionsgekühlten Auskleidungssegmenten (16, 17) ausgekleidet ist, welche Auskleidungssegmente (16, 17) in axialer Richtung in mehrere hintereinander angeordnete Teile (16, 17) unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) an Segmentträgern (18, ..., 21) befestigt sind, welche Segmentträger (18, ..., 21) ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile (18, ..., 21) untereilt sind und zwischen den unterteilten Auskleidungssegmenten (16, 17) Verbindungskanäle (22, 23) vorgesehen sind, durch welche das konvektiv kühlende Kühlmedium von dem einen Teil (17) der Auskleidungssegmente in den anderen Teil (16) der Auskleidungssegmente strömt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbinen. Sie betrifft eine ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Brennkammer, wie sie z. B. in der 3 wiedergegeben ist, ist bei Gasturbinen seit längerem im Einsatz.
STAND DER TECHNIK
In 3 ist in einer Schnittdarstellung eine ringförmige Brennkammer, eine sogenannte EV-Brennkammer (EV = Environmental), nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Die Brennkammer 26, die Teil einer nicht dargestellten Gasturbine ist und von der nur der oberhalb der Turbinenachse liegende Abschnitt wiedergegeben ist, erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Turbinenachse in Strömungsrichtung (in 3 von rechts nach links). Auf der Eintrittsseite (rechte Seite in 3) ist auf einem zur Turbinenachse konzentrischen Kreisring eine Anzahl von Brennern 27 verteilt angeordnet, die im vorliegenden Fall als sogenannte Doppelkegelbrenner gemäss EP 0321809 ausgebildet sind. Dies ist indes keine zwingende Voraussetzung, und es versteht sich von selbst, dass die hier diskutierten Brennkammern auch mit anderen Brennervarianten betrieben werden können. Das aus den Brennern 27 austretende, verwirbelte Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt unter Flammenbildung in der auf die Brenner 27 folgenden Primärzone 30 und die entstehenden heissen Gase treten aus der Brennkammer 26 an einem Brennkammeraustritt 31 aus und in den nachfolgenden Turbinenteil ein, wo sie unter Arbeitsleistung expandieren. Um die Brennkammerwände 29 vor den heissen Gasen zu schützen, sind auf der Innenseite der Brennkammerwände 29 spezielle Auskleidungssegmente (”liner segments”) 28 angeordnet und befestigt. Die Auskleidungssegmente 28 sind in axialer Richtung durchgehend ausgebildet und daher so lang wie der Innenraum der Brennkammer 26. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Teile und die Länge der undichten Spalte minimal ist.
Nachteilig ist bei der bekannten Konfiguration der Auskleidungssegmente jedoch, dass die Segmente vergleichsweise lang sind. Dies schafft hinsichtlich der Herstellbarkeit und der mechanischen Integrität Probleme. Diese Probleme werden noch grösser und möglicherweise nicht lösbar, wenn für sehr grosse Gasturbinen entsprechend grosse Brennkammern mit sehr langen Auskleidungssegmenten benötigt werden.
Zur Behebung dieses Problems ist es auf dem Gebiet der Gasturbinenbrennkammern an sich bekannt, die Auskleidungssegmente in axialer Richtung zu teilen, um auf diese Weise kleinere Segmente zu erhalten und deren Herstellung und Montage zu vereinfachen. Ausführungsvarianten solcher Auskleidungssegmente sind beispielsweise in GB 2361304 , US 5363643 oder DE 3435611 offenbart.
Erstere Publikation beschreibt solche Auskleidungselemente für eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks, welche durch eine kombinierte konvektive und Filmkühlung gegen die hohen Brennkammertemperaturen geschützt sind. Zur Gewährleistung definierter Kühlbedingungen werden die einzelnen Segmente individuell und unabhängig voneinander mit Kühlluft versorgt. Untereinander und zur Brennkammer hin sind die Auskleidungssegmente mittels sich über ihren Umfang erstreckender, an der Brennkammerwand anliegender Bürstendichtungen abgedichtet.
Gemäß der zweitgenannten Publikation stützen sich die Segmente mittels fußartiger Vorsprünge an der Brennkammerwand ab. Über Kühlluftöffnungen in der Brennkammerwand wird Kühlluft zur Prallkühlung der Segmente herangeführt. Die verbrauchte Kühlluft durchströmt anschließend den Hohlraum zwischen Wand und Segmenten. Untereinander sind die Segmente mittels eingelegter Dichtungsstreifen gegen einen unkontrollierten Kühlluftaustritt in die Brennkammer geschützt.
In der drittgenannten Publikation wird eine aus einer Mehrzahl von Segmenten zusammengesetzte Brennkammerauskleidung vorgestellt, die insbesondere unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen Auskleidungssegmenten und äußerer Wandstruktur zu kompensieren vermag. Die einzelnen Segmente sind an ihren stromaufwärtigen Enden mit der Außenwand verbunden, während sich ihre stromabwärtigen Enden überlappend über die nachfolgenden Segmente erstrecken. Durch über die Außenwand verteilte Öffnungen wird Kühlluft zur Prallkühlung der Segmente eingeleitet. An den Überlappungsstellen strömt die verbrauchte Kühlluft aus, um entlang den stromabwärtigen Auskleidungssegmenten einen Kühlluftfilm auszubilden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer zu schaffen, deren Auskleidungssegmente in axialer Richtung in mehrere hintereinander angeordnete Teile unterteilt sind, wobei die Segmente konvektiv gekühlt sind und zwischen den Segmenten eine Kühlmittelströmung möglich sein soll.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass bei einer Brennkammer mit konvektiv gekühlten Auskleidungssegmenten, die in axialer Richtung in mehrere hintereinander angeordnete Teile unterteilt sind, die Auskleidungssegmente an Segmentträgern befestigt sind, welche ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile unterteilt sind und zwischen den unterteilten Auskleidungssegmenten Verbindungskanäle vorgesehen sind, durch welche das konvektiv kühlende Kühlmedium von dem einen Teil der Auskleidungssegmente in den anderen Teil der Auskleidungssegmente strömt.
Es hat sich dabei als besonders günstig herausgestellt, wenn die Auskleidungssegmente in zwei Teile unterteilt sind, die stromabwärts gelegenen Teile der Auskleidungssegmente nur von einem Teil des insgesamt für die Kühlung der Auskleidungssegmente vorgesehenen Massenstromes gekühlt werden, und ein zusätzlicher Kühlluftteilstrom zu den ersten Auskleidungssegmenten vorgesehen ist.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Auskleidungssegmente dort unterteilt sind, wo die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Gase niedrig ist, oder wenn die Auskleidungssegmente derart unterteilt sind, dass die Längen der einzelnen Segmentteile in axialer Richtung in etwa gleich sind.
Indem die Auskleidungssegmente an Segmentträgern befestigt sind, und die Segmentträger ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile unterteilt sind, wird die Montage vereinfacht.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen Schnitt durch eine in einer Gasturbine angeordnete Brennkammer mit in axialer Richtung unterteilten Auskleidungssegmenten und Verbindungskanälen zwischen denselben gemäss der Erfindung;
2 einen vergrösserten Ausschnitt aus der Darstellung der 1; und
3 einen Schnitt durch eine ringförmige Brennkammer nach dem Stand der Technik.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Schnitt durch eine in einer Gasturbine angeordnete Brennkammer mit in axialer Richtung unterteilten Auskleidungssegmenten gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Gasturbine 10, von der nur ein oberhalb der Turbinenachse liegender Teil dargestellt ist, weist eine äusseres Turbinengehäuse 11 auf welches ein mit komprimierter Luft gefülltes Plenum 12 umgibt, in dem die eigentliche ringförmige Brennkammer 13 angeordnet ist. Der Strömungsverlauf erfolgt in 1 von rechts nach links. Durch die in einem Kopfraum der Brennkammer 13 angeordneten Brenner 14, 15, die in zwei Reihen übereinander liegen, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in die Primärzone 32 der Brennkammer 13 eingeblasen und verbrennt dort unter Bildung von Flammen. die entstehenden heissen Gase treten durch den Brennkammeraustritt 33 aus der Brennkammer 13 aus und in die nachfolgende Turbine ein. Die Brennkammer 13 wird durch mehrere Segmentträger 18, ..., 21 vom umgebenden Plenum 12 abgetrennt. An den Innenwänden der Segmentträger 18, ..., 21 sind in axialer Richtung hintereinander erste und zweite Auskleidungssegmente 16 und 17 befestigt, wobei jeweils innere (in 1 untere) und äussere (in 1 obere) Auskleidungssegmente vorgesehen sind. Die geteilten Auskleidungssegmente 16, 17 haben in etwa die gleiche (axiale) Länge und sind dort getrennt, wo auch die zugehörigen Segmentträger 19, 20 und 18, 21 aneinanderstossen. Die Stelle, an der die geteilten Auskleidungssegmente 16, 17 aneinanderstossen (Zwischenraum 24 in 2), liegt dort, wo die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Gase niedrig ist. Die geteilten Auskleidungssegmente 16, 17 sind in der gleichen Weise konvektionsgekühlt, wie dies bereits bei den ungeteilten Auskleidungssegmente der Fall ist. Eine Besonderheit ist das Vorsehen der Verbindungskanäle 22, 23 (1 und 2) zwischen den zweiten Auskleidungssegmenten 17 und den ersten Auskleidungssegmenten 16. Durch diese Verbindungskanäle 22, 23 kann die für die konvektive Kühlung der Auskleidungssegmente 16, 17 verwendete Kühlluft von den zweiten Auskleidungssegmenten 17 in die ersten Auskleidungssegmente 16 strömen und dort zur Kühlung beitragen. Das Kühlsystem der zweiten Auskleidungssegmente 17 wird nur mit einem Teil des gesamten Kühlmassenstromes betrieben, um die Strömungsgeschwindigkeiten zur Vermeidung von Druckabfällen in den Verbindungskanälen 22, 23 klein zu halten. Für die Kühlung der ersten Auskleidungssegmente 16 wird ein zusätzlicher Teilstrom 25 benötigt (2). Der Übergangsbereich zwischen den inneren zweiten und ersten Auskleidungssegmenten 17 und 16 ist in 2 vergrössert dargestellt.
Durch die Teilung der Segmentträger 18, ..., 21 wird erreicht, dass der Zusammenbau vereinfacht wird. Dies gilt insbesondere für die innere (untere) Auskleidung. Wenn die innere Auskleidung aus zwei Teilen zusammengebaut wird, kann der Trennungsspalt über die gesamte Länge verschraubt werden. Die Trennungslinie der Segmentträger 18, 21 für die zweiten Auskleidungssegmente 17 sind dabei für Schraubbolzen zugänglich, so dass ein Keil nicht länger benötigt wird.
Durch die Aufteilung der Auskleidungssegmente wird es möglich, grössere Brennkammern zu verwirklichen, ohne dass entsprechend grosse Segmente konstruiert werden müssen. Auf diese Weise kann man auf bereits bewährte Segmentgrössen zurückgreifen. Die Erfindung ermöglicht es auch, in unterschiedlichen Gasturbinen dieselben Brenner 14, 15 und ersten Auskleidungssegmente 16 zu verwenden. Angepasst an unterschiedliche Turbineneinlassgeometrien wird dann nur der Brennkammeraustritt 33 mit den zweiten Auskleidungssegmenten 17 und deren Segmentträgern 18, 21.
Die Konfiguration der Auskleidungssegmente 16, 17 ist so wie bei den EV- und SEV-Brennkammern der bekannten Gasturbinen der Anmelderin vom Typ GT24B und GT26B (siehe dazu den Artikel von D. K. Mukherjee ”State-of-the-art gas turbines – a brief update”, ABB review 2/1997, S. 4–14 (1997)).
Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
11: äusseres Turbinengehäuse
12: Plenum
13, 26: Brennkammer (ringförmig)
14, 15, 27: Brenner
16, 17: Auskleidungssegment
18, ..., 21: Segmentträger
22, 23: Verbindungskanal
24: Zwischenraum
25: Teilstrom
28: Auskleidungssegment
29: Brennkammerwand
30, 32: Primärzone
31, 33: Brennkammeraustritt

Claims

Ringförmige Brennkammer (13) für eine Gasturbine (10), in welche Brennkammer (13) auf einer Eintrittsseite Brenner (14, 15) münden, und welche Brennkammer (13) sich in axialer Richtung von der Eintrittsseite zu einer Austrittsseite (33) erstreckt und auf den Innenseiten zum Schutz vor den heissen Gasen mit konvektionsgekühlten Auskleidungssegmenten (16, 17) ausgekleidet ist, welche Auskleidungssegmente (16, 17) in axialer Richtung in mehrere hintereinander angeordnete Teile (16, 17) unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) an Segmentträgern (18, ..., 21) befestigt sind, welche Segmentträger (18, ..., 21) ebenfalls in axialer Richtung in mehrere Teile (18, ..., 21) untereilt sind und zwischen den unterteilten Auskleidungssegmenten (16, 17) Verbindungskanäle (22, 23) vorgesehen sind, durch welche das konvektiv kühlende Kühlmedium von dem einen Teil (17) der Auskleidungssegmente in den anderen Teil (16) der Auskleidungssegmente strömt.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) in zwei Teile (16, 17) unterteilt sind.
Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) dort unterteilt sind, wo die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Gase niedrig ist.
Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungssegmente (16, 17) derart unterteilt sind, dass die Längen der einzelnen Segmentteile (16, 17) in axialer Richtung in etwa gleich sind.
Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärts gelegenen Teile (17) der Auskleidungssegmente nur von einem Teil des insgesamt für die Kühlung der Auskleidungssegmente vorgesehenen Massenstromes gekühlt werden, und Mittel für einen zusätzlichen Kühlluftteilstrom (25) zu den ersten Auskleidungssegmenten (16) vorgesehen sind.