DE1476801C

DE1476801C - Cooling device for gas turbine combustion chambers

Info

Publication number: DE1476801C
Authority: DE
Inventors: Thomas Chase Cincinnati Ohio Campbell (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Publication date: 1971-11-11

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrich- raturwechselbelastungen ermöglicht, daß die Brenn-The invention relates to a cooling device alternating loads enables the combustion

tung für Gasturbinenbrennkammern mit innerhalb kammer erheblich längere Zeit ohne Wartung be-for gas turbine combustion chambers with a considerably longer period of time without maintenance

eines Kühlluftmantels angeordneten, sich in Rieh- trieben werden kann.a cooling air jacket arranged, can be driven in Rieh-.

tung der Brennkammerachse einander anschließen- Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erden, ringförmigen Flammrohrwandteilen, mit jeweils 5 findung, und zwar istdirection of the combustion chamber axis connect to each other - The drawing shows exemplary embodiments of the earths, annular flame tube wall parts, each with 5 finding, namely is

am Übergang von einem zum nächstfolgenden Wand- Fig. 1 eine perspektivische Teüansicht einer Kühlteil angeordneten doppelwandigen Abschnitten, durch vorrichtung für Gasturbinenbrennkammern gemäß die ein stromoberseitig gegen den Kühlluftstrom ab- der Erfindung, -at the transition from one to the next following wall- Fig. 1 is a perspective partial view of a cooling part arranged double-walled sections by device for gas turbine combustors according to the one upstream against the cooling air flow from the invention,

geschlossener und stromunterseitig zum Heißgas- Fig.2 ein Schnitt längs der Linie2-2 der Fig. 1,closed and downstream of the hot gas - Fig. 2 a section along the line 2-2 of Fig. 1,

strom hin offener Ringspalt gebildet ist, in den durch io Fig. 3 eine teilweise geschnittene Draufsicht aufAn annular gap that is open towards the current is formed, in which a partially sectioned plan view is shown by io FIG. 3

radiale Bohrungen von außen Kühlluft einströmen die in Fig. 2 dargestellte Kühlvorrichtung, wobeiradial bores from the outside cooling air flow into the cooling device shown in FIG. 2, wherein

kann, um anschließend ~ in axialer Richtung unter in gestrichelten Linien Schlitze für eine Ausdehnungcan to then ~ in the axial direction under in dashed lines slots for an expansion

Bildung eines Kühlfilms entlang der Flammrqhrinnen- gezeigt sind. ,. .Formation of a cooling film along the flame tube are shown. ,. .

seite abzuströmen. F i g. 4 eine Gasturbinenbrennkammer gemäß derside to flow away. F i g. 4 shows a gas turbine combustion chamber according to FIG

Bekannte derartige Kühlvorrichtungen haben den 15 Erfindung teilweise in Seitenansicht und längs geNachteil, daß die koppelwandigen Abschnitte am schnitten," in der drei ringförmige Wandteile dar-Übergang von einem Wandteil zum nächstfolgenden gestellt sind undKnown such cooling devices have the 15 invention partially in side view and longitudinal disadvantage, that the coupling-walled sections cut on, "in the three annular wall parts represent the transition are placed from one wall part to the next and

Wandteil flach aufeinanderliegen und durch Punkt- F i g. 5 ein Ausschnitt eines Längsschnittes durch schweißung oder ähnliche Verfahren miteinander ver- eine Brennkammer mit konisch ausgeführten Wandbunden sind. Hier ergeben sich Spannungsspitzen und ao teilen. Wall part lie flat on top of one another and through point F i g. 5 shows a detail of a longitudinal section through Welding or similar processes are connected to one another in a combustion chamber with conical wall collars. This results in voltage peaks and ao parts.

die Gefahr von" Anrissen durch Temperaturverände- Fig. 1. zeigt eine Kühlvorrichtung einer"erftwederthe danger of "cracks due to temperature changes - Fig. 1. shows a cooling device" erftweder

rungen und ungleichmäßige Temperaturverteilungen. ring- oder rohrförmigen Brennkammer. Dabei istand uneven temperature distributions. annular or tubular combustion chamber. It is

Dies ist ein Grund, weshalb derartige Brennkammern eine derartige Kühlvorrichtung nicht auf eine Brenn-This is one reason why such combustion chambers do not rely on such a cooling device on a combustion

in relativ kurzen Intervallen gewartet werden müssen. ~ kammer beschränkt, sondern sie ist auch für anderehave to be serviced at relatively short intervals. ~ chamber is limited, but it is also available to others

Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine ver- 25 Einrichtungen verwendbar, bei denen Wandteile besserte konstruktive Ausbildung dieses Bereiches die durch einen Strom eines kälteren fließfähigen Me-Gefahr von Anrissen durch Temperaturwechsel- diums gekühlt werden sollen. Eine als Anwendungsbelastungen zu verringern und so eine längere beispiel beschriebene Brennkammer einer Gaswartungsfreie Betriebszeit bzw. Brenndauer der turbine besteht aus aneinandergereihten einzelnen Brennkammer zu ermöglichen. 30 Flammrohrwandteilen, die entweder gemäß Fig. 4The object of the invention is to use devices in which wall parts improved constructive training of this area the danger by a stream of a colder flowable me-danger cracks are to be cooled by temperature change medium. A combustion chamber described as an application load and thus a longer example of a gas maintenance-free operating time or burning time of the turbine consists of lined up individual Allow combustion chamber. 30 flame tube wall parts, either according to FIG. 4

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Auf- zylinderförmig sind und deren Durchmesser inAccording to the invention, the solution is that these are cylindrical and their diameter is in

gäbe dadurch, daß zur Verbindung von jeweils zwei Strömungsrichtung stufenförmig zunimmt oder diewould be that to connect two directions of flow increases in steps or the

benachbarten Wandteilen und zur Bildung des Ring- gemäß Fig. 5 eine konische Form haben können,adjacent wall parts and to form the ring according to FIG. 5 can have a conical shape,

spalts ein einstückig hergestellter, drei Schenkel auf- " Entlang der" Außenseite der Brennkammer strömt,gap a one-piece manufactured, three legs on "along the" outside of the combustion chamber flows,

weisender Verbindungsteil vorgesehen ist, dessen 35 wie in F i g. I durch einen Pfeil 14 dargestellt ist,pointing connecting part is provided, the 35 of which as shown in FIG. I is represented by an arrow 14,

erster Schenkel sich stromaufwärts erstreckt und mit Kühlluft und längs der Innenseite, wie durch einenfirst leg extends upstream and with cooling air and along the inside, like through one

dem sich stromaufwärts anschließenden Wandteil ver- Pfeil 16 dargestellt ist, ein heißes fließfähiges Me-the wall part adjoining upstream is represented by arrow 16, a hot, flowable material

bunden ist, dessen zweiter Schenkel sich strom- dium. Am Stufensprurig zwischen einem Flammrohr-is bound, the second leg of which is streamdium. On the uneven ground between a flame tube

abwärts und mit dem stromaufwärtigen Wandteil und wandteil 10 mit kleinerem Durchmesser und einemdownwards and with the upstream wall part and wall part 10 with a smaller diameter and one

dem ersten Schenkel fluchtend erstreckt und dessen 40 Flammrohrwandteil 12 mit größerem Durchmesserextends in alignment with the first leg and its 40 flame tube wall part 12 with a larger diameter

dritter Schenkel radial nach außen versetzt ist und sind radial verlaufende Öffnungen 28, die kreis-oderthird leg is offset radially outward and are radially extending openings 28, which are circular or

sich ebenfalls stromabwärts erstreckt und mit dem schlitzförmig sein können, angebracht. Diese öff-also extending downstream and with which can be slot-shaped attached. This open

sich stromabwärts anschließenden Wandteil ver- nungen 28 gestatten einen Durchtritt der an derwall part tunnels 28 adjoining downstream allow passage of the wall part

bunden ist, und daß zwischen dem ersten und dem Brennkammeraußenseite befindlichen Kühlluft 14 inis bound, and that between the first and the combustion chamber outside located cooling air 14 in

dritten Schenkel ein stetiger aerodynamisch günsti- 45 das Innere der Brennkammer. Ein durch eine Schürzethird leg a steady aerodynamically favorable 45 the interior of the combustion chamber. One through an apron

ger Übergang unter gleichzeitiger Materialanhäufung innerhalb der Brennkammer gebildeter Ringspalt 30ger transition with simultaneous accumulation of material within the combustion chamber formed annular gap 30

ausgebildet ist. unter den Öffnungen 28 lenkt die radial eintretendeis trained. under the openings 28 directs the radially entering

In vorteilhafter Weise wird durch die Kühlvorrich- Kühlluft in eine axiale Richtung um, so daß dieseAdvantageously, through the cooling device cooling air in an axial direction, so that this

tung gemäß der Erfindung eine bisher verwendete dann an der Innenseite 18 des Wandteils 12 vorbei-device according to the invention a previously used then on the inside 18 of the wall part 12 over-

Überlappung am Übergang von einem Wandteil zum 50 strömt. Dabei erfolgt eine Kühlung dieses WandteilsOverlap at the transition from one wall part to 50 flows. This wall part is then cooled

nächsten Wandteil vermieden, und beide Wandteile und eine Abschirmung gegen eine direkte Berührungnext wall part avoided, and both wall parts and a shield against direct contact

der Brennkammer sind an einem einstückigen aero- der Innenseite 18 des Wandteils 12 durch das heißethe combustion chamber are on a one-piece aero- the inside 18 of the wall part 12 through the hot

dynamisch günstig ausgebildeten Verbindungsteil an- fließfähige Medium 16.dynamically favorably designed connecting part flowable medium 16.

geschlossen. An Stelle der bisher üblichen Punkt- Bei bekannten derartig aufgebauten Kühlvörrichschweißung kann ein günstigeres Verbindungs- 55 tungen von Brennkammern sind die einzelnen konverfahren verwendet werden, bei dem bei Temperatur- zentrischen Flammrohrwandteile ineinandergesteckt änderungen und ungleichmäßigen Temperaturvertei- und durch Punkt- oder Widerstandsschweißung mitlungen keine übermäßigen Spannungen auftreten. einander verbunden. Um die dadurch auftretenden Außerdem sind die Verbindungsstellen in einen Be- Nachteile zu vermeiden, sind bei der Kühlvorrichreich gleichmäßigerer Temperaturverhältnisse ver- 60 tung nach der Erfindung die benachbarten Flammlegt. Der Wärmespannungen ausgesetzte Bereich, rohrwandteile nicht ineinandergesteckt, sondern durch nämlich der Übergang des radial nach außen ver- einen ringförmigen Verbindungsteil 20 miteinander setzten dritten Schenkels in den ersten sich strom- verbunden.closed. Instead of the previously customary spot welds with known such constructed Kühlvörrichschweißung can be a cheaper way of connecting combustion chambers can be used in which with temperature-centric flame tube wall parts plugged into one another Changes and uneven temperature distribution and caused by spot or resistance welding no excessive tension occurs. connected to each other. To the resulting In addition, the connection points are to be avoided. Disadvantages are to be avoided in the case of the cooling device According to the invention, more uniform temperature conditions result in the adjacent flame. Area exposed to thermal stress, pipe wall parts not plugged into one another, but through namely the transition of the radially outwardly connected annular connecting part 20 to one another put the third leg in the first, connected to the current.

aufwärts erstreckenden Schenkel, hat eine relativ Dieser Verbindungsteil 20 ist mit drei Schenkelnupwardly extending leg has a relatively This connecting part 20 is with three legs

große und starre Materialmasse, in der auftretende 65 22, 24 und 26 einstückig ausgebildet. Der erste Schen-large and rigid mass of material in which 65 22, 24 and 26 are formed in one piece. The first gift

Wärmespannungen durch Temperaturveränderungen kel 22 erstreckt sich stromaufwärts, und er ist mit demThermal stresses due to temperature changes kel 22 extends upstream, and he is with the

oder -differenzen sich weniger nachteilig auswirken. stromaufwärts anschließenden kleineren Wandteil 10or differences are less detrimental. upstream adjoining smaller wall part 10

Die geringere Gefahr von Anrissen durch Tempe- verbunden. Dabei fluchtet die Unterseite des erstenThe lower risk of cracks due to tempe- related. The underside of the first is aligned

Schenkels 22 mit der Unterseite des angrenzenden Wandteils 10. Der zweite Schenkel 24 erstreckt sich stromabwärts, und er fluchtet mit dem ersten Schenkel 22 und dem stromaufwärts befindlichen Wandteil 10. Der dritte Schenkel 26 ist radial nach außen versetzt und erstreckt sich ebenfalls stromabwärts. Dabei ist seine radiale Versetzung so groß, daß seine Unterseite mit der Unterseite 18 des stromabwärts befindlichen angrenzenden größeren Wandteiles 12 fluchtet, mit dem der dritte Schenkel bei 32 verbunden ist. Die parallel verlaufenden zweiten und dritten Schenkel bilden zwischen sich den Ringspalt 30. Dabei ist der dritte Schenkel 26 wenigstens so lang wie der innen liegende zweite Schenkel 24, oder er erstreckt sich um_ einen geringen Betrag weiter stromabwärts als der zweite Schenkel. Die radial verlaufenden Öffnungen 28 für den Eintritt und das Bemessen der Kühlluft 14 von der Außenseite der Brennkammer in den im Inneren der Brennkammer liegenden Ringspalt befinden sich in dem dritten Schenkel 26. Um eine Materialschwächung durch die radial verlaufenden Öffnungen 28 zu vermeiden und an dieser Stelle auftretende Spannungen zu verringern, "ist der dritte Schenkel 26 dicker als die beiden anderen Schenkel 22 und 24 ausgeführt. Stromabwärts ist der dritte Schenkel 26 kurz¹ vor der Verbindungsstelle 32 mit dem Wandteil 12 bei konstantem Innendurchmesser auf die Wandstärke des Wandteils 12 verringert, wobei die Verringerung der Wandstärke des dritten Schenkels allmählich erfolgt. Der Übergang von dem ersten Schenkel 22, dessen Wandstück an der Verbindungsstelle mit dem angrenzenden Wandteil 10 der Wandstärke dieses Wandteils entspricht, in den radial nach außen versetzten und dickeren dritten Schenkel - erfolgt stetig, so daß ein aerodynamisch günstiger Übergang geschaffen ist. Durch diesen Übergang ist in dem Verbindungsteil 20 stromaufwärts des Ringspaltes 30 eine Materialanhäufung geschaffen, durch die die Gefahr von Anrissen bei den an dieser Stelle auftretenden Temperaturwechselbelastungen stark verringert ist.Leg 22 with the underside of the adjacent wall portion 10. The second leg 24 extends downstream and is aligned with the first leg 22 and the upstream wall portion 10. The third leg 26 is offset radially outward and also extends downstream. Its radial offset is so great that its underside is aligned with the underside 18 of the adjoining, downstream, larger wall part 12 to which the third leg is connected at 32. The parallel second and third legs form the annular gap 30 between them. The third leg 26 is at least as long as the inner second leg 24, or it extends a small amount further downstream than the second leg. The radially extending openings 28 for the entry and dimensioning of the cooling air 14 from the outside of the combustion chamber into the annular gap located inside the combustion chamber are located in the third leg 26. To avoid material weakening through the radially extending openings 28 and at this point to reduce stresses occurring, "the third leg 26 is thicker than the other two legs run 22 and 24th downstream is the third leg 26 shortly ¹ is reduced before the junction 32 with the wall part 12 with a constant inner diameter to the wall thickness of the wall part 12, wherein The transition from the first leg 22, the wall piece of which at the junction with the adjoining wall part 10 corresponds to the wall thickness of this wall part, into the radially outwardly offset and thicker third leg takes place continuously, so that created an aerodynamically favorable transition fen is. As a result of this transition, an accumulation of material is created in the connecting part 20 upstream of the annular gap 30, which greatly reduces the risk of cracks due to the thermal shock loads occurring at this point.

Der den Ringspalt 30 bildende zweite Schenkel 24 kann mit konstantem Innen- und Außendurchmesser, wie in F i g. 1 dargestellt ist, ausgeführt sein. Er kann aber auch aus strömungstechnischen Gründen, wie in F i g. 2 gezeigt ist, bei konstantem Außendurchmesser einen sich zur Spitze verjüngenden Querschnitt haben.The second leg 24 forming the annular gap 30 can have a constant inner and outer diameter, as in Fig. 1 is shown to be executed. However, it can also be used for fluidic reasons, as in F i g. 2, have a cross-section tapering towards the tip with a constant outer diameter.

Aus Gründen temperaturbedingter Ausdehnungen kann der Schenkel 24 auch gemäß Fig. 4 mit Schlitzen 34 versehen sein.For reasons of temperature-related expansion, the leg 24 can also according to FIG. 4 with Slits 34 may be provided.

Die beschriebene Ausführung der Verbindung zweier benachbarter Flammrohrwandteile ermöglicht einen glatten axialen Belastungsübergang- zwischen angrenzenden Flammrohrwandteilen. Eingehende Versuche zeigten einen Temperaturgradienten 36, der gemäß Fig. 1 sehr gleichmäßig über den Flammrohrwandteil verteilt ist.The embodiment described enables the connection of two adjacent flame tube wall parts a smooth axial load transfer between adjacent flame tube wall parts. Incoming Tests showed a temperature gradient 36 which, according to FIG. 1, is very uniform over the flame tube wall part is distributed.

Claims

. Claim:

Cooling device for gas turbine combustion chambers with arranged inside a cooling air jacket, annular flame tube wall parts adjoining each other in the direction of the combustion chamber axis, each with the transition from a coprjg | wall sections arranged to the next following wall part through the one upstream "against the flow of cooling air closed and upstream side open towards the hot gas flow annular gap is formed, in the through radial bores. cooling air can flow in from the outside, in order then in the axial direction to flow off with the formation of a cooling film along the inside of the flame tube, thereby characterized in that for the connection of two adjacent wall parts (10, 12) and to form the annular gap (30) an integrally manufactured, three legs (22, 24, 26) having connecting part (20) is provided, the first leg (22) of which extends upstream and is connected to the upstream wall part (10), the second leg (24) downstream and with the upstream wall part (10) and the first leg (22) extends in alignment and its third leg (26) radially outward is offset and also extends downstream and with the downstream adjoining Wall part (12) is connected, and that between the first (22) and the third (26) leg a steady, aerodynamically favorable Transition is formed with simultaneous accumulation of material.

1 sheet of drawings