DE112014006619T5

DE112014006619T5 - Gasturbinenbrennkammer und mit selbiger versehene Gasturbine

Info

Publication number: DE112014006619T5
Application number: DE112014006619.2T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Hirata; Junichiro Masada; Tetsu Konishi; Kazumasa Takata; Takuya Suzuki; Shinya Ishikawa; Yoshiaki Yamaguchi; Satoshi Mizukami; Hiroyuki Yamazaki
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2034-04-26
Also published as: KR20160134844A; CN106164444A; DE112014006619B4; KR101772837B1; US10352244B2; WO2015162795A1; US20170044981A1

Abstract

Eine Gasturbinenbrennkammer umfassend eine Mehrzahl von Kühlluftkanälen (27A), durch die entlüftete unter Druck stehende Luft von stromabwärts einer Verbrennungsgasströmung nach stromaufwärts strömt, wobei die Mehrzahl von Kühlluftkanälen (27A) auf einem Wandabschnitt (26) Seite an Seite angeordnet und in einer Strömungsrichtung eines Verbrennungsgases ausgerichtet sind; wobei die Mehrzahl von Kühlluftkanälen (27A) über einen Kanalübergangsrillenabschnitt (33) in stromaufwärtige Kühlluftkanäle (27A1), die näher an den Einlassöffnungen der entlüfteten unter Druck stehenden Luft (30a) angeordnet sind, und in stromabwärtige Kühlluftkanäle (27A2), die näher an Auslassöffnungen der entlüfteten unter Druck stehenden Luft (30b) angeordnet sind, unterteilt werden und Mittellinien (C₁) der stromaufwärtigen Kühlluftkanäle nicht kollinear mit Mittellinien (C₂) der stromabwärtigen Kühlluftkanäle sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine, die mit der Gasturbinenbrennkammer ausgestattet ist.
Stand der Technik
In Gasturbinenbrennkammern kann Verbrennungsgas, das durch sie strömt, verursachen, dass die Wandtemperatur die Temperaturtoleranzgrenze ihres Materials überschreitet. Um dies zu verhindern, ist eine Kühlstruktur vorgesehen. Viele Beispiele einer solchen Kühlstruktur einer Gasturbinenbrennkammer, die ein Verfahren zum Kühlen anwenden, indem ein Kühlmittel, wie Druckluft oder Dampf, zum Wandabschnitt geleitet wird, sind bekannt.
Ein solches Beispiel ist die in Patentdokument 1 beschriebene Technologie. Die beschriebene Technologie ist eine geschlossene Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur, wobei, wie in 6A bis 6E dargestellt, von einem Kompressor (nicht dargestellt) zugeführte Druckluft von der stromaufwärtigen Seite einer Brennkammer 100 entlüftet wird und diese unter Druck gesetzte, entlüftete unter Druck stehende Luft Ab verwendet wird, um einen Wandabschnitt (Wand) 101 zu kühlen. Danach wird die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab wiedergewonnen und als Verbrennungsluft für die Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer 100 gemeinsam mit der Hauptströmung der Druckluft verwendet.
Der Wandabschnitt 101 der Brennkammer 100 (im Besonderen ein Wandabschnitt eines Brennkammerkorbs) wird durch Kühlluft, die von einem intern gebildeten Kühlluftkanal gebildet wird, gekühlt. Dieser Wandabschnitt 101 ist in zwei Bereiche unterteilt: einen stromabwärtigen Wandbereich Da näher an der Turbine, der durch das Leiten der entlüfteten unter Druck stehenden Luft Ab als Kühlluft durch einen Kühlluftkanal 102A von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite der Verbrennungsgasströmung F gekühlt wird; und ein stromaufwärtiger Wandbereich Ua näher an einem Brenner, der gekühlt wird, indem entlüftete Druckluft Ac, die von der Hauptströmung der Druckluft, die durch einen Gehäuseinnenfreiraum strömt, als Kühlluft durch einen Kühlluftkanal 102B zu einer akustischen Beschichtung und einem Dämpfer 103 geleitet wird.
Dementsprechend kann eine Gasturbinenbrennkammer mit einer solchen geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur die Druckluft, die vom Kompressor zugeführt wird, effizient nutzen und eine Wandkühlung in der Brennkammer 100 auf der Seite näher an der Turbine, die relativ hohe Temperaturen aufweist, unter Verwendung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft Ab ausführen und eine Wandkühlung auf der Seite näher beim Brenner, die relativ niedrige Temperaturen aufweist, unter Verwendung der entlüfteten Druckluft Ac ausführen.
Folglich werden die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab, die den stromabwärtigen Wandbereich Da der Brennkammer 100 kühlt, und die entlüftete Druckluft Ac, die den stromaufwärtigen Wandbereich Ua der Brennkammer 100 kühlt, effizient als Verbrennungsluft wiederverwendet. Das führt zu einer Gasturbinenbrennkammer mit einer Kühlstruktur, die die Gebrauchsmenge von entlüfteter unter Druck stehender Luft Ab, die unter Druck gesetzt werden muss, reduzieren kann und die Wand der Brennkammer 100 effizient kühlen kann.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2012-77660A
Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2012-47181A

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Aber in der in Patentdokument 1 beschriebenen geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur ist die Kanalstruktur (d. h. MT-Rippenstruktur) des Kühlluftkanals 102A, durch den die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab strömt, von einem Einlassöffnungs 104a-Abschnitt der entlüfteten unter Druck stehenden Luft zu einem Auslassöffnungs 104b-Abschnitt der entlüfteten unter Druck stehenden Luft, abgesehen von den Unterschieden bei der Wärmelast, einheitlich. Wie in 7 dargestellt, wärmt sich der Bereich nahe dem Auslassöffnungs 104b-Abschnitt der entlüfteten unter Druck stehenden Luft auf, wobei die Kühllufttemperatur steigt, was wiederum die Metalltemperatur erhöht und die Kühlleistung verringert.
Wie in 8A bis 8C dargestellt wird, steigt im Besonderen die Luftkühltemperatur T_C, wenn die Kühlluft vom Einlass des Kühlluftkanals 102 (I) in Richtung Auslass (II) (siehe 8A) strömt, und folglich steigt die Metalltemperatur T_m. Ferner steigt die Belastung σ lokal am Auslass(II)-Abschnitt aufgrund der Dämpfung der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 103 (siehe 8B) und die Ermüdung bei geringer Lastspielzahl LCF sinkt lokal auf ihren Tiefpunkt am Auslass(II)-Abschnitt (siehe den Abschnitt des Bereichs E der geringsten Ermüdungsbeständigkeit in 8C).
Folglich besteht in geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstrukturen, wie jene, die in Patentdokument 1 beschrieben wird, die Forderung auf die Anwendung einer Kanalstruktur (d. h. MT-Rippenstruktur), die die Metalltemperatur an Stellen mit hoher Wärmelast und geringer Ermüdungsbeständigkeit, wie der Bereich nahe des Auslassöffnungs 104b-Abschnitts der entlüfteten unter Druck stehenden Luft, verringert.
Patentdokument 2 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer umfassend ein Einlasskopfstück, das auf der stromabwärtigen Verbrennungsgas-Seite eines Wandabschnittes eines rohrförmigen Brennkammerkorbs vorgesehen ist, um die Strömung des Verbrennungsgases darin zu bilden; eine Mehrzahl von Kühlkanälen, die im Wandabschnitt Seite an Seite in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gebildet sind, wobei die Mehrzahl von Kühlkanälen mit dem Einlasskopfstück verbunden sind; und einen Kühlluftauslassabschnitt, der auf dem Wandabschnitt auf der stromaufwärtigen Verbrennungsgas-Seite vorgesehen ist, wobei der Kühlluftauslassabschnitt mit der Mehrzahl von Kühlkanälen verbunden ist, wobei die Kühlkanäle eine Kanalstruktur aufweisen (d. h. MT-Rippenstruktur), in der die Kühlkanäle im Durchlassquerschnittsbereich in der Strömungsrichtung der Kühlluft abnehmen, oder der Durchlassquerschnittsbereich der Kühlkanäle im Wesentlichen einheitlich ist und weniger Kühlkanäle auf der stromabwärtigen Seite der Kühlluft vorgesehen sind als auf der stromaufwärtigen Seite der Kühlluft.
Eine solche Konfiguration ermöglicht, dass lokal begrenzte Temperaturanstiege am Wandabschnitt der Gasturbinenbrennkammer entlang der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases durch ein Ansteigen der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die stromabwärts durch den Kühlkanal strömt, unterdrückt werden und folglich wird der Wärmeübertragungskoeffizient angehoben. Mit anderen Worten, während sich die Kühlluft stromabwärts bewegt, steigt die Temperatur der Kühlluft aufgrund der Übertragung mit dem Verbrennungsgas. Das reduziert den Temperaturunterschied zwischen dem Verbrennungsgas und der Kühlluft. Die resultierende Abnahme der Kühleffizienz, die durch die erhöhte Kühllufttemperatur verursacht wird, wird durch den erhöhten Wärmeübertragungskoeffizient aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft kompensiert.
Dementsprechend kann eine solche Kühlstruktur in einer geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur, wie jene, die oben beschrieben wird, effizient angewendet werden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Probleme gemacht und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Kühlstruktur, die für eine Optimierung der Kühlleistung konzipiert ist, welche durch die Änderungen an der Struktur eines Kühlmittelkanals zu erhalten sind, und einer Gasturbine, die mit selbiger ausgestattet ist, zu bieten.
Technische Lösung
Um ein solches Ziel zu erreichen, umfasst eine Gasturbinenbrennkammer der vorliegenden Erfindung einen Kühlmitteleinlassabschnitt, der auf einer stromabwärtigen Verbrennungsgas-Seite eines ringförmigen Wandabschnitts vorgesehen ist, wobei eine Verbrennungsgasströmung im Wandabschnitt bildbar ist;
eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen, die mit dem Kühlmitteleinlassabschnitt verbunden sind, wobei die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen im Wandabschnitt Seite an Seite angeordnet und in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases ausgerichtet sind;
einen Kühlmittelauslassabschnitt, der mit der Mehrzahl von Kühlmittelkanälen verbunden ist, wobei der Kühlmittelauslassabschnitt auf einer stromaufwärtigen Verbrennungsgas-Seite des Wandabschnitts angeordnet ist; wobei
die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen durch einen Kanalübergangsrillenabschnitt in stromaufwärtige Kühlmittelkanäle, die näher am Kühlmitteleinlassabschnitt vorgesehen sind, und in stromabwärtige Kühlmittelkanäle, die näher am Kühlmittelauslassabschnitt vorgesehen sind, unterteilt sind; und
Mittellinien der stromaufwärtigen Kühlmittelkanäle nicht mit Mittellinien der stromabwärtigen Kühlmittelkanäle kollinear sind.
Ferner weisen die Mittellinien der stromaufwärtigen Kühlmittelkanäle und die Mittellinien der stromabwärtigen Kühlmittelkanäle einen regelmäßigen Teilungsabstand auf.
Weiters weisen die stromaufwärtigen Kühlmittelkanäle und die stromabwärtigen Kühlmittelkanäle identische Durchlassbreiten auf, und jede der Mittellinien der stromabwärtigen Kühlmittelkanäle ist mit einer zentralen Linie abstandsgleich von den Mittellinien von angrenzenden stromaufwärtigen Kühlmittelkanälen kollinear.
Um ein solches Ziel zu erreichen, umfasst eine Gasturbine der vorliegenden Erfindung die Gasturbinenbrennkammer gemäß einer der vorstehenden Beschreibungen;
einen Kompressor, der die Brennkammer mit Druckluft versorgt; und
eine Turbine, die durch Verbrennungsgas von der Brennkammer drehend angetrieben wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Gasturbinenbrennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt die Kollision und die Trennung des Kühlmittels am Kanalübergangsrillenabschnitt im größten Umfang und erhöht die Effizienz des Wärmeübertragungskoeffizients, wodurch eine Optimierung der Kühlleistung erreicht wird. Dadurch wird eine Kühlung mit einer geringen Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit oder einem geringen Druckverlust ermöglicht und die Kreislaufleistung wird erhöht.
Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine äußerst effiziente Gasturbine mit der oben beschriebenen Gasturbinenbrennkammer. Durch die Gasturbinenbrennkammer kann die Verbrennungstemperatur und die Turbineneinlasstemperatur erhöht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine schematische Ansicht einer geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur einer Brennkammer, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
1B ist ein Erläuterungsschema (vergrößerte Ansicht von Abschnitt b von 1A), das einen Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
1C ist ein Erläuterungsschema (vergrößerte Ansicht von Abschnitt c von 1A), das den Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
1D ist ein Erläuterungsschema (Schema in der Pfeilrichtung d von 1C angezeigt), das den Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
1E ist ein Erläuterungsschema (Querschnittsansicht vorgenommen entlang der Linie e-e in der Richtung der Pfeile von 1D), das den Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
2A ist ein Erläuterungsschema, das einen Kanalübergangsrillenabschnitt darstellt.
2B ist ein Graph, der die betrieblichen Auswirkungen (Wärmeübertragungskoeffizient) des Kanalübergangsrillenabschnitts darstellt.
2C ist ein Graph, der die betrieblichen Auswirkungen (Kühlleistung) des Kanalübergangsrillenabschnitts darstellt.
3A ist eine Querschnittsansicht eines Kühlluftkanals, durch welchen entlüftete unter Druck stehende Luft strömt.
3B ist eine Querschnittsansicht des Kühlluftkanals, durch welchen entlüftete unter Druck stehende Luft strömt.
4 ist ein Erläuterungsschema, das ein Beispiel der Struktur einer Gasturbine, die mit der Brennkammer vorgesehen ist, einschließlich der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
5 ist ein Erläuterungsschema, das die Struktur der Brennkammer einschließlich der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
6A ist eine schematische Ansicht einer geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur einer Brennkammer nach dem Stand der Technik.
6B ist ein Erläuterungsschema (vergrößerte Ansicht von Abschnitt b von 6A), das einen Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
6C ist ein Erläuterungsschema (vergrößerte Ansicht von Abschnitt c von 6A), das den Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
6D ist ein Erläuterungsschema (Schema in der Pfeilrichtung d von 6C angezeigt), das den Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
6E ist ein Erläuterungsschema (Querschnittsansicht vorgenommen entlang der Linie e-e in der Richtung der Pfeile von 6D), das den Wandabschnitt der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
7 ist ein Graph, der die Kühlleistung darstellt.
8A ist eine schematische Ansicht der Struktur eines Übergangsstücks für die Erklärung von Problemen im geschlossenen Luftkühlkreislauf.
8B ist ein Beziehungsgraph der Belastung, Metalltemperatur und Kühllufttemperatur für die Erklärung der Probleme im geschlossenen Luftkühlkreislauf.
8C ist ein Beziehungsgraph der Ermüdung bei geringer Lastspielzahl, der Belastung und der Metalltemperatur für die Erklärung der Probleme im geschlossenen Luftkühlkreislauf.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen einer Gasturbinenbrennkammer und einer Gasturbine, die mit selbiger ausgestattet ist, gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsformen
1A bis 1E sind Erläuterungsschemata einer geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur einer Brennkammer, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. 2A bis 2C sind Erläuterungsschemata der Struktur und der betrieblichen Auswirkungen eines Kanalübergangsrillenabschnitts. 3A und 3B sind Querschnittsansichten von Kühlluftkanälen, durch welche entlüftete unter Druck stehende Luft strömt. 4 ist ein Erläuterungsschema, das ein Beispiel der Struktur einer Gasturbine, die mit der Brennkammer vorgesehen ist, einschließlich der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt. 5 ist ein Erläuterungsschema, das die Struktur der Brennkammer einschließlich der geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur darstellt.
Wie in 4 dargestellt, umfasst eine Gasturbine GT einen Kompressor 10, eine Brennkammer 11 und eine Turbine 12. Die Turbine 12 ist mit einem Generator Ge gekoppelt.
Der Kompressor 10 komprimiert Luft In, die aus der Atmosphäre aufgenommen wird. Die Hauptströmung dieser Druckluft wird der Brennkammer 11 durch einen Druckluftzufuhrkanal 13 zugeführt. Die Brennkammer 11 verbrennt Kraftstoff Fu unter Verwendung der beim Kompressor 10 komprimierten Druckluft, um ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas zu erzeugen. Das Verbrennungsgas wird der Turbine 12 zugeführt. Die Turbine 12 umfasst eine Mehrzahl von Flügeln und Schaufeln, die alternierend im Turbinengehäuse angeordnet sind. In der Turbine 12 passiert das Verbrennungsgas die Mehrzahl von Flügeln und Schaufeln und dreht einen Rotor, an dem die Schaufeln angebracht sind, welcher eine Antriebskraft für den Generator Ge erzeugt und Abgas Ex von der Turbine 12 ausspeist.
Die oben beschriebene Gasturbine GT umfasst auch eine Druckvorrichtung 14. Die Druckvorrichtung 14 entlüftet einen Abschnitt der beim Kompressor 10 komprimierten Druckluft, um die Druckluft mit einem höheren Druck zu beaufschlagen. Die Druckvorrichtung 14 ist an einem Abzweigkanal 15 vorgesehen und wird durch einen Elektromotor M angetrieben. Der Abzweigkanal 15 zweigt von der Druckluftzufuhrkanal 13-Teilstrecke entlang ab und entlüftet einen Abschnitt der Druckluft.
Die entlüftete unter Druck stehende Luft, die in der Druckvorrichtung 14 unter Druck gesetzt wird, wird in die Brennkammer 11 durch einen Kanal der unter Druck stehenden Luft 16 gespeist und wird als Kühlluft für die Kühlung der Wand der Brennkammer 11 verwendet. Die entlüftete unter Druck stehende Luft, die zur Kühlung der Wand der Brennkammer 11 verwendet wird, wird als solche dann zum Druckluftzufuhrkanal 13 durch einen Rückführkanal 17 retourniert, wo die retournierte, entlüftete unter Druck stehende Luft mit der Hauptströmung der Druckluft, die durch Druckluftzufuhrkanal 13 strömt, zusammengeführt wird. Danach wird die entlüftete unter Druck stehende Luft als Verbrennungsluft für die Verbrennung von Kraftstoff Fu bei der Brennkammer 11 wiederverwendet.
Auf solche Weise umfasst die oben beschriebene Gasturbine GT eine Luftkühlstruktur mit Rückgewinnung, d. h. eine geschlossene Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur, in der die vom Kompressor 10 gespeiste Druckluft von der stromaufwärtigen Seite der Brennkammer 11 entlüftet und unter Druck gesetzt wird, wobei diese entlüftete unter Druck stehende Luft als Kühlluft für die Brennkammernwand verwendet wird, und danach wird diese entlüftete unter Druck stehende Luft zurückgewonnen und als Verbrennungsluft für die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer 11 zusammen mit der Hauptströmung der Druckluft wiederverwendet.
Die Brennkammer 11 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und ist, wie beispielsweise in 5 dargestellt, in einem Gehäuseinnenfreiraum 19, der im Gehäuse 18 der Gasturbine GT definiert ist, angeordnet. Eine Mehrzahl von diesen Brennkammern 11 ist in der Umfangsrichtung angeordnet, um den Umfang des Rotors zu umschließen.
Die Brennkammer 11 umfasst einen Brennkammerkorb 20, ein Übergangsstück 21 und eine akustische Beschichtung und einen Dämpfer 22. Ein Brennkammernbrenner 23 ist im Brennkammerkorb 20 angebracht. Der Brennkammernbrenner 23 umfasst einen mittig angeordneten Zündbrenner 24 und eine Mehrzahl von Hauptbrennern 25, die angeordnet sind, um den Umfang des Zündbrenners 24 zu umschließen. Beachten Sie, dass der Gehäuseinnenfreiraum 19 im Gehäuse 18, in dem die Brennkammer 11 angeordnet ist, mit der Druckluft, die beim Kompressor 10 komprimiert und von ihm zugeführt wird, gefüllt ist.
Die Druckluft, die in den Gehäuseinnenfreiraum 19 gespeist wird, strömt von einem stromaufwärtigen Abschnitt der Brennkammer 11 (die Seite näher am Brennkammernbrenner 23) in den Brennkammerkorb 20, wo die Druckluft mit dem Kraftstoff, der vom Brennkammernbrenner 23 zugeführt wird, vermischt und verbrannt wird. Das durch diese Verbrennung erzeugte Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas wird stromabwärts durch das Übergangsstück 21 zur Turbine 12 gespeist.
Diese Brennkammer 11 der Gasturbine GT, wie in 1A bis 1E dargestellt, umfasst einen Wandabschnitt 26 des Übergangsstücks 21, deren Wand durch Kühlluft, die von einem intern gebildeten Kühlluftkanal gespeist wird, gekühlt wird. Dieser Wandabschnitt 26 ist in zwei Bereiche unterteilt: einen stromabwärtigen Wandbereich Da näher an der Turbine, der durch Leiten von entlüfteter unter Druck stehender Luft Ab als Kühlluft (ein Kühlmittel) durch Kühlluftkanäle (Kühlmittelkanäle) 27A von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite der Verbrennungsgasströmung F gekühlt wird; und einen stromaufwärtigen Wandbereich Ua näher am Brenner, der gekühlt wird, indem entlüftete Druckluft Ac, die von der Hauptströmung der Druckluft, die durch den Gehäuseinnenfreiraum 19 strömt, als Kühlluft durch Kühlluftkanäle 27B zu einer akustischen Beschichtung und einem Dämpfer 22 entlüftet wird.
Im in den Zeichnungen dargestellten Beispiel hat der Wandabschitt 26, der das Übergangsstück 21 im stromabwärtigen Wandbereich Da bildet, eine Doppelwandstruktur mit einer Innenwand 26a und einer Außenwand 26b, die zusammengelötet sind. Wenn sie miteinander verbunden sind, bilden die Innenwand 26a und Rillen, die in der Außenwand 26b, die die dickere der beiden ist, gebildet sind, in der Axialrichtung (Längsrichtung) der Brennkammer 11 verlaufend, die oben beschriebenen Kühlluftkanäle 27A. Die Kühlluftkanäle 27A sind in der Nähe voneinander, Seite an Seite in der Umfangsrichtung der Brennkammer 11 angeordnet.
Ferner strömt im stromabwärtigen Wandbereich Da die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab, die vom Bereich nahe eines hinteren Endabschnitts des Übergangsstücks 21 zugeführt wird, durch die Kühlluftkanäle 27A und tritt vom Bereich nahe eines Endabschnitts der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 näher an der Turbine 12 in den Gehäuseinnenfreiraum 19 ein. Im Speziellen strömt die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab durch den Kanal der unter Druck stehenden Luft 16 und wird in einen Verteiler 29, der im Bereich nahe dem hinteren Endabschnitt des Übergangsstücks 21 angeordnet ist, gespeist. Eine Einlassöffnung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft (Kühlmitteleinlassabschnitt) 30a ist auf der Innenseite des Verteilers 29 für jeden der Kanäle vorgesehen. Die Einlassöffnungen der entlüfteten unter Druck stehenden Luft 30a entsprechen den Einlassöffnungen der Kühlluftkanäle 27A im Wandabschnitt 26, durch die die unter Druck stehende Luft Ab strömt.
Auslassöffnungen der entlüfteten unter Druck stehenden Luft (Kühlmittelauslassabschnitte) 30b, die Auslassöffnungen der Kühlluftkanäle 27A entsprechen, die zur Turbinen 12-Seite der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 in einem Bereich nach dem Endabschnitt näher an der Turbine 12 der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 hin offen sind. Die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab, die von den Einlassöffnungen der entlüfteten unter Druck stehenden Luft 30a im Verteiler 29 zugeführt wird, strömt durch die Kühlluftkanäle 27A in Richtung der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 und kühlt den Wandabschnitt 26. Die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab, deren Temperatur nun angestiegen ist, tritt von den Auslassöffnungen der entlüfteten unter Druck stehenden Luft 30b in den Gehäuseinnenfreiraum 19 aus. Die entlüftete unter Druck stehende Luft Ab mit Hochtemperatur, die in den Gehäuseinnenfreiraum 19 ausgetreten ist, vermischt sich mit der Druckluft, die den Gehäuseinnenfreiraum 19 füllt, und wird als Verbrennungsluft wiederverwendet.
Im stromaufwärtigen Wandbereich Ua wird die Druckluft im Gehäuseinnenfreiraum 19 vom Bereich nahe dem Endabschnitt der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 näher an der Turbine 12 und der Bereich nahe dem Endabschnitt näher beim Brenner 23 entlüftet. Diese entlüftete unter Druck stehende Luft Ac strömt durch die Kühlluftkanäle 27B und tritt in einen Beschichtungsabschnitt der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 aus. Mit anderen Worten, nachdem die entlüftete unter Druck stehende Luft Ac durch die Kühlluftkanäle 27B strömt, den Wandabschnitt 26 im Bereich nahe der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 kühlt, einen Temperaturanstieg verzeichnet, und in den Beschichtungsabschnitt der akustischen Beschichtung und des Dämpfers 22 austritt, tritt die entlüftete Druckluft Ac in eine Verbrennungskammer 32 der Brennkammer 11 aus und wird bei der Verbrennung verwendet.
Wie in 2A dargestellt, haben in der vorliegenden Ausführungsform die Kühlluftkanäle 27A, durch die die entlüftete unter Druck stehende Luft strömt, dieselbe Durchlassbreite und sie sind mit einem regelmäßigen Teilungsabstand in der Umfangsrichtung angeordnet. Im Bereich E der geringsten Ermüdungsbeständigkeit, die der Stelle entspricht, bei der die Belastung konzentriert ist, sind alle der Kühlluftkanäle 27A in stromaufwärtige Kühlluftkanäle (stromaufwärtige Kühlmittelkanäle) 27A1 und stromabwärtige Kühlluftkanäle (stromabwärtige Kühlmittelkanäle) 27A2 über einen kreisförmigen Kanal (Teilungsabstand)-übergangsrillenabschnitt (auch als „Strömungszusammenführungskopfstück” bezeichnet) 33 unterteilt; und MT-Rippendurchlassmittellinien C₂ der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 sind in der Umfangsrichtung der Brennkammer 11 in Bezug auf MT-Rippendurchlassmittellinien C₁ der stromaufwärtigen Kühlluftkanäle 27A1 um beispielsweise einen halben Teilungsabstand (P/2) versetzt. Mit anderen Worten, jede der Kanalmittellinien C₂ der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 ist mit einer zentralen Linie abstandsgleich von den Kanalmittellinien C₁ von angrenzenden stromaufwärtigen Kühlluftkanälen 27A1 kollinear. Auf eine solche Weise tritt ein Übergang zwischen den Kanälen am Kanalübergangsrillenabschnitt 33 auf. Nach dem Übergang zwischen den Kanälen, kollidiert die Kühlluft mit MT-Rippeneinlassendabschnitten 34.
Ferner sind die MT-Rippeneinlassendabschnitte 34 der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 mit scharfen Kanten 34a vorgesehen, derart, dass am Einlassabschnitt der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 eine aktive Trennung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft erfolgt (siehe den Bereich, der durch das Referenzzeichen 35 in den Zeichnungen gekennzeichnet ist).
Eine solche Konfiguration ermöglicht, dass die Wandkühlung unter Verwendung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft beim stromabwärtigen Wandbereich Da durch die Kollision und die Trennung der Kühlluft erfolgt und eine Wandkühlung unter Verwendung der entlüfteten Druckluft beim stromaufwärtigen Wandbereich Ua erfolgt. Folglich kann eine Wandkühlung unter Verwendung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft bei einem vergleichsweise niedrigen Temperaturzustand auf der Seite (stromabwärtiger Wandbereich Da) näher an der Turbine 12 des Übergangsstücks 21 der Brennkammer 11, die relativ hohe Temperaturen erreicht, ausgeführt werden; und eine Wandkühlung unter Verwendung der entlüfteten Druckluft kann auf der Seite (stromaufwärtiger Wandbereich Ua) näher am Verbrennungsbrenner 23 des Übergangsstücks 21 der Brennkammer 11, die relativ niedrige Temperaturen erreicht, ausgeführt werden.
Die Kühlluft, die für die Kühlung der Wand der Brennkammer 11 verwendet wird, nämlich die entlüftete unter Druck stehende Luft und die entlüftete Druckluft, können als Verbrennungsluft wiederverwendet werden. Dadurch wird ermöglicht, dass eine Wandkühlung der Brennkammer 11 effizient ausgeführt wird und dass die Stickstoffoxidemissionen, die bei der Verbrennung erzeugt werden, reduziert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind alle oben beschriebenen Kühlluftkanäle 27A in die stromaufwärtigen Kühlluftkanäle 27A1 und die stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 über den Kanalübergangsrillenabschnitt 33 unterteilt, und die Kanalmittellinien C₂ der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 sind in der Umfangsrichtung der Brennkammer 11 mit Bezug auf die Kanalmittellinien C₁ der stromaufwärtigen Kühlluftkanäle 27A1 um beispielsweise einen Teilungsabstand (P/2) versetzt (verschoben).
Nach dem Übergang zwischen den stromaufwärtigen Kühlluftkanälen 27A1 zu den stromabwärtigen Kühlluftkanälen 27A2, führt die Kollision und die Trennung an den MT-Rippeneinlassendabschnitten 34 zu einer effizienten Kühlung. Diese Trennung ermöglicht, dass die Grenzschicht der entlüfteten unter Druck stehenden Luft am Einlassabschnitt der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 so dünn als möglich gebildet wird. Beachten Sie, dass das Bilden einer dünnen Grenzschicht der entlüfteten unter Druck stehenden Luft am Einlassabschnitt der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 ohne den Übergang zu den stromabwärtigen Kühlluftkanälen 27A2 auch mit einer Konfiguration möglich ist, in der der Kanalübergangsrillenabschnitt (in diesem Fall präziser als das Strömungszusammenführungskopfstück bezeichnet) 33 einfach angeordnet ist.
Ferner umfasst die vorliegende Ausführungsform scharfe Kanten 34a auf den MT-Rippeneinlassendabschnitten 34 der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2. Folglich erfolgt eine aktive Trennung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft am Einlassabschnitt in den stromabwärtigen Kühlluftkanälen 27A2.
Daher wird mit einer einfachen Änderung an der Kanalstruktur die Kollision und die Trennung am Kanalübergangsrillenabschnitt 33 im größten Umfang verwendet, um den Wärmeübertragungskoeffizient auf der Kühlseite (siehe 2B) effizient zu erhöhen. Dementsprechend kann eine Optimierung der Kühlleistung erreicht werden und da eine Kühlung mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit der entlüfteten unter Druck stehenden Luft oder einem Druckverlust möglich ist, kann die Leistung des geschlossenen Luftkühlkreislaufs verbessert werden (siehe 2C).
Ferner kann die vorliegende Ausführungsform eine Konfiguration aufweisen, wie in 3A und 3B dargestellt, bei der die stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 (siehe 3A) die Durchlassbreite W2 und die Durchlasshöhe H2 haben, was weniger als die Durchlassbreite W1 und die Durchlasshöhe H1 der stromaufwärtigen Kühlluftkanäle 27A1 (siehe 3B) ist, und folglich wird den stromabwärtigen Kühlluftkanälen 27A2 ein weniger effizienter Querschnittsbereich als in den stromaufwärtigen Kühlluftkanälen 27A1 gegeben.
Zusätzlich zum Kühleffekt der Kollision und der Trennung aufgrund des oben beschriebenen Kanalübergangs, kann der Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit der entlüfteten Druckluft in den stromabwärtigen Kühlluftkanälen 27A2 einen Anstieg des Wärmeübertragungskoeffizients bedeuten.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform und solange vom Gedanken der vorliegenden Erfindung nicht abgewichen wird, kann beispielsweise die Anzahl der stromabwärtigen Kühlluftkanäle 27A2 weniger sein als jene der stromaufwärtigen Kühlluftkanäle 27A1 oder der Teilungsabstand der Kanalmittellinie C₂ kann geändert werden. Ferner beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die Anwendung bei einer geschlossenen Luftkühlkreislauf-Kühlstruktur, sondern kann auch bei anderen Kühlstrukturen verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Gasturbinenbrennkammer und Gasturbine, die mit selbiger vorgesehen ist, gemäß der vorliegenden Erfindung, kann eine äußerst effiziente Gasturbine bieten und ist daher für die Anwendung in einem Wärmekraftwerk geeignet.
Bezugszeichenliste

10: Kompressor
11: Brennkammer
12: Turbine
13: Druckluftzufuhrkanal
14: Druckvorrichtung
15: Abzweigkanal
16: Kanal der unter Druck stehenden Luft
17: Rückführkanal
18: Gehäuse
19: Gehäuseinnenfreiraum
20: Brennkammerkorb
21: Übergangsstück
22: Akustische Beschichtung und Dämpfer
23: Verbrennungsbrenner
24: Zündbrenner
25: Hauptbrenner
26: Wandabschnitt
26a: Innenwand
26b: Außenwand
27A: Kühlluftkanäle, durch die entlüftete unter Druck stehende Luft strömt
27A1: Stromaufwärtiger Kühlluftkanal (Kühlmittelkanal)
27A2: Stromabwärtiger Kühlluftkanal (Kühlmittelkanal)
27B: Kühlluftkanäle, durch die entlüftete Druckluft strömt
30a: Einlassöffnung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft (Kühlmitteleinlassabschnitt)
30b: Auslassöffnung der entlüfteten unter Druck stehenden Luft (Kühlmittelauslassabschnitt)
32: Verbrennungskammer
33: Kanal (Teilungsabstand)-Übergangsrillenabschnitt (Strömungszusammenführungskopfstück)
34: MT-Rippeneinlassendabschnit
34a: Scharfe Kante
35: Teilungsbereich
GT: Gasturbine
Ge: Generator
Fu: Kraftstoff
In: Luft
Ex: Abgas
F: Verbrennungsgas-Strömung
Ua: Stromaufwärtiger Wandbereich
Da: Stromabwärtiger Wandbereich
Ab: Entlüftete unter Druck stehende Luft
Ac: Entlüftete Druckluft
E: Bereich der geringsten Ermüdungsbeständigkeit
C₁: MT-Rippendurchlassmittellinien der stromaufwärtigen Kühlluftkanäle
C₂: MT-Rippendurchlassmittellinien der stromabwärtigen Kühlluftkanäle
P: Teilungsabstand (Abstand zwischen MT-Rippenmittellinien von Kühlluftkanälen, durch die entlüftete unter Druck stehende Luft strömt)
W: Durchlassbreite von stromaufwärtigen Kühlluftkanälen und stromabwärtigen Kühlluftkanälen
H1: Durchlasshöhe von stromaufwärtigen Kühlluftkanälen
H2: Durchlasshöhe von stromabwärtigen Kühlluftkanälen

Claims

Gasturbinenbrennkammer, umfassend: einen Kühlmitteleinlassabschnitt, der auf einer stromabwärtigen Verbrennungsgas-Seite eines ringförmigen Wandabschnitts vorgesehen ist, wobei eine Verbrennungsgasströmung im Wandabschnitt bildbar ist; eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen, die mit dem Kühlmitteleinlassabschnitt verbunden sind, wobei die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen im Wandabschnitt Seite an Seite angeordnet und in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases ausgerichtet sind; einen Kühlmittelauslassabschnitt, der mit der Mehrzahl von Kühlmittelkanälen verbunden ist, wobei der Kühlmittelauslassabschnitt auf einer stromaufwärtigen Verbrennungsgas-Seite des Wandabschnitts angeordnet ist; wobei die Mehrzahl von Kühlmittelkanälen durch einen Kanalübergangsrillenabschnitt in stromaufwärtige Kühlmittelkanäle, die näher am Kühlmitteleinlassabschnitt vorgesehen sind, und in stromabwärtige Kühlmittelkanäle, die näher am Kühlmittelauslassabschnitt vorgesehen sind, unterteilt sind; und Mittellinien der stromaufwärtigen Kühlmittelkanäle nicht mit Mittellinien der stromabwärtigen Kühlmittelkanäle kollinear sind.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, wobei die Mittellinien der stromaufwärtigen Kühlmittelkanäle und die Mittellinien der stromabwärtigen Kühlmittelkanäle einen regelmäßigen Teilungsabstand aufweisen.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, wobei die stromaufwärtigen Kühlmittelkanäle und die stromabwärtigen Kühlmittelkanäle identische Durchlassbreiten aufweisen, und jede der Mittellinien der stromabwärtigen Kühlmittelkanäle mit einer zentralen Linie abstandsgleich von den Mittellinien von angrenzenden stromaufwärtigen Kühlmittelkanälen kollinear ist.
Gasturbine, umfassend: die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3; einen Kompressor, der die Brennkammer mit Druckluft versorgt; und eine Turbine, die durch Verbrennungsgas von der Brennkammer drehend angetrieben wird.