DE19727407A1 - Gas-turbine combustion chamber heat shield with cooling arrangement - Google Patents

Gas-turbine combustion chamber heat shield with cooling arrangement

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Abstract

A heat shield for gas turbine flame tube includes a wall (4) having cooling air channels (5) extending normal to the wall surface for impact cooling of heat resistance plates (7) spaced on one side of the wall and which have a number of effusion cooling channels (8) piercing the plates for effusion cooling. The cooling air channels for impact cooling have nozzle-type narrowed outlet orifices (6), and the effusion cooling channels specifically extend obliquely through the plates, the edges of which are sealed relative to one another and/or against the wall. Metal sealing springs (13) are specifically arranged in lateral slots (12) in the edges (11) of the plates.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hitzeschild, insbesondere für ein Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer. Derartige Hitze­ schilde sind erforderlich, um z. B. die Wände eines Flammrohrs einer Gasturbinenbrennkammer vor Überhitzung durch die heißen Verbrennungsgase zu schützen. Ein derartiger Hitzeschild ist in der US-Patentschrift 4 838 031 beschrieben. Dieser Hitze­ schild besteht aus zum Brennkammerinneren hin angeordneten Keramikplatten, die jeweils über eine Schicht aus beispiels­ weise Metallwolle und Abstandshaltern in Form von kurzen zap­ fen mit einer Trägerplatte verbunden sind. Von der Außenseite der Brennkammer wird Kühlluft durch eine Bohrung in der Trä­ gerplatte in den Raum zwischen den Abstandshaltern und von dort in die Schicht aus Metallwolle geführt, um auf diese Weise eine ausreichende Kühlung und dementsprechend einen Schutz für die Brennkammerwandung zur erreichen. Die Zwi­ schenschicht aus Metallwolle dient unter anderem dazu, die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Keramikplatte und der metallischen Trägerplatte aufzunehmen, ohne daß die Keramik­ platte unzuträglichen Wärmespannungen ausgesetzt wird. Die einzelnen Hitzeschildelemente können sich überlappend so an­ geordnet sein, daß die von der Rückseite zugeführte Kühlluft im Bereich der Überlappungen in die Brennkammer eintritt.The invention relates to a heat shield, in particular for a flame tube of a gas turbine combustion chamber. Such heat shields are required to B. the walls of a flame tube a gas turbine combustor from overheating due to the hot To protect combustion gases. Such a heat shield is in U.S. Patent 4,838,031. That heat shield consists of arranged towards the inside of the combustion chamber Ceramic plates, each with a layer of example wise metal wool and spacers in the form of short zap fen are connected to a carrier plate. From the outside the combustion chamber is cooling air through a hole in the Trä in the space between the spacers and from there led into the layer of metal wool to on this Adequate cooling and accordingly one To achieve protection for the combustion chamber wall. The two layer of metal wool serves among other things, the different thermal expansions of the ceramic plate and the metallic support plate without the ceramic plate is exposed to unacceptable thermal stresses. The individual heat shield elements can overlap be ordered that the cooling air supplied from the rear enters the combustion chamber in the area of the overlaps.

Um mit diesem Hitzeschild eine ausreichende Kühlung der Brennkammerwände zu erreichen, ist es erforderlich, eine ver­ hältnismäßig große Menge der in einem Verdichter der Gastur­ bine verdichteten Luft zur Kühlung abzuzweigen. Die Kühlkapa­ zität der Kühlung wird bei diesem bekannten Hitzeschild nur in bescheidenem Umfang genutzt, so daß die Kühlluft nur wenig erwärmt in die Brennkammer strömt. Die abgezweigte Kühlluft fehlt jedoch für die Versorgung der Brenner der Brennkammer mit Verbrennungsluft, um die maximalen Flammentemperaturen und damit auch die NOx Emissionen begrenzt zu halten. To ensure adequate cooling of the heat shield To reach combustion chamber walls, it is necessary to have a ver relatively large amount of gas in a compressor bine compressed air for cooling. The cooling capa cooling is only in this known heat shield used to a modest extent so that the cooling air is little heated flows into the combustion chamber. The branched cooling air is missing, however, for the supply of the burners to the combustion chamber with combustion air to the maximum flame temperatures and thus to keep NOx emissions limited.  

Da die Turbineneintrittstemperaturen und -drücke im Interesse eines hohen thermischen Wirkungsgrades möglichst hoch liegen sollen, nimmt auch die Wärmebelastung des Flammrohres einer Gasturbinenbrennkammer stark zu, so daß der vorliegenden Er­ findung insbesondere das Problem zugrunde liegt, bei steigen­ der Wärmebelastung des Flammrohres einer Gasturbinenbrenn­ kammer einen gezielten Schutz des Bereichs der Brennkammer mit der höchsten Wärmebelastung bei gleichzeitiger Einsparung an Kühlluft zu erreichen. Eine solche Aufgabe kann sich aber auch in anderen Bereichen der Technik bei Hitzeschilden ergeben.Because the turbine inlet temperatures and pressures are of interest a high thermal efficiency are as high as possible should also take the heat load of the flame tube Gas turbine combustor strongly, so that the present Er the problem in particular is based on increasing the thermal load on the flame tube of a gas turbine combustion chamber a specific protection of the area of the combustion chamber with the highest heat load while saving to reach cooling air. But such a task can also in other areas of technology for heat shields surrender.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird ein Hitzeschild, insbesondere für ein Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer, vorgeschlagen, der erfindungsgemäß eine Wand mit darauf mit Abstand angeordneten Platten aus hitzebeständigem Material aufweist. Die Wand hat im wesentlichen senkrecht zur Wand­ oberfläche verlaufende Kühlluftkanäle zur Prallkühlung einer Seite der Platten, wobei die Platten selbst eine Vielzahl die Platten durchsetzende Effusionskühlkanäle zur Effusionsküh­ lung der Platten enthalten.Based on this problem, a heat shield, especially for a flame tube of a gas turbine combustion chamber, proposed that with a wall according to the invention on it Spacer plates made of heat-resistant material having. The wall is essentially perpendicular to the wall Surface-running cooling air ducts for impingement cooling Side of the plates, the plates themselves being a variety of Effusion cooling channels penetrating plates for effusion cooling the plates included.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß umso weniger Kühlluft benötigt wird, je wirkungsvoller die Kühlung des Hitzeschildes ist. Diese besondere Kühlwirkung läßt sich durch die Kombination einer Prallkühlung der dem Brennkammer­ innenraum abgewandten Seite der Hitzeschildplatten mit einer Effusionskühlung mittels die Hitzeschildplatten durchsetzen­ der Bohrungen geringen Durchmessers erreichen.The invention is based on the consideration that the less Cooling air is required, the more effective the cooling of the Is heat shield. This special cooling effect can be through the combination of impingement cooling of the combustion chamber side facing away from the interior of the heat shield plates with a Push the effusion cooling through the heat shield plates of the small diameter holes.

Die Wirkung der Effusionskühlung beruht auf zwei Wärmeüber­ gangsmechanismen. Einmal wird bereits in den Effusions­ kühlkanälen aufgrund von Wärmeleitung Wärme an die Kühlluft abgeben. Darüber hinaus bildet sich an der dem Inneren der Brennkammer zugewandten Oberfläche der Hitzeschildplatten ein Kühlfilm, der Wärme ab führt und die Wandwärmebelastung ver­ mindert. Bei der Effusionskühlung wird die Kühlluft im Gegen­ strom zum Wärmestrom geführt, so daß sich die Kühlluft stär­ ker erwärmt und insgesamt eine geringere Kühlluftmenge erfor­ derlich ist.The effect of effusion cooling is based on two heat transfers gears mechanisms. One time is already in the effusions cooling channels due to heat conduction heat to the cooling air submit. It also forms on the inside of the Combustion chamber facing surface of the heat shield plates Cooling film that dissipates heat and ver the wall heat load  diminishes. In the case of effusion cooling, the cooling air becomes counter current to the heat flow, so that the cooling air strengthens ker warmed and overall a smaller amount of cooling air needed is such.

Durch die Wärmeleitung in den Hitzeschildplatten läßt sich etwa 20% der an die Hitzeschildplatten übertragenen Wärme durch die Kühlluft abführen. Der auf der dem Brennkammerinne­ ren zugewandten Oberfläche der Hitzeschildplatten vorhandene Kühlfilm vermindert die Wärmebelastung der Hitzeschildplatten um weitere 10 bis 15%, so daß sich insgesamt im Bereich des am höchsten belasteten Flammrohrteils eine Kühllufteinsparung von etwa 30% ergibt.Due to the heat conduction in the heat shield plates about 20% of the heat transferred to the heat shield plates discharge through the cooling air. The one on the inside of the combustion chamber Ren facing surface of the heat shield plates existing Cooling film reduces the heat load on the heat shield plates by a further 10 to 15%, so that a total of cooling air savings at the most heavily loaded part of the flame tube of about 30%.

Um die Prallkühlung der dem Brennkammerinnenraum abgewandten Seite der Hitzeschildplatten möglichst wirkungsvoll zu ge­ stalten, können die Kühlluftkanäle düsenartig verengte Aus­ trittsöffnungen aufweisen, wodurch die Kühlluft mit großer Geschwindigkeit auf diese Seite aufprallt.For the impingement cooling of those facing away from the combustion chamber interior Side of the heat shield plates as effectively as possible stalten, the cooling air channels nozzle-like narrowed out have vents, making the cooling air large Speed bounces on this side.

Wichtig für die Wirkungsweise der Effusionskühlung ist eine gezielte Strömungsführung. Zu diesem Zweck können die Effusionskühlkanäle bevorzugterweise schräg durch die Platte hindurch verlaufen. Des weiteren soll die Kühlluft überwie­ gend durch die engen Effusionskühlkanäle geleitet werden, so daß Verluste an den Rändern der Platten zu vermeiden sind. Um dies zu erreichen, können die Ränder der Platten gegeneinan­ der und/oder gegen die Wand abgedichtet sein, wobei bevorzugterweise Metalldichtfedern in Nuten in den Rändern der Platten angeordnet sein können.One is important for the effectiveness of the effusion cooling targeted flow control. For this purpose, the Effusion cooling channels preferably obliquely through the plate run through. Furthermore, the cooling air should be transferred be routed through the narrow effusion cooling channels, so that losses at the edges of the plates must be avoided. Around To achieve this, the edges of the plates can face each other the and / or be sealed against the wall, wherein preferably metal sealing springs in grooves in the edges the plates can be arranged.

Um diese Metalldichtfedern gegen die direkte Einwirkung der heißen Verbrennungsgase zu schützen, können in der Wand gegen die Metalldichtfedern gerichtete Luftkanäle angeordnet sein.To these metal sealing springs against the direct action of the to protect hot combustion gases can be in the wall against the metal sealing springs can be arranged directed air channels.

Eine besonders wirksame Filmkühlung läßt sich durch die An­ ordnung, die Anzahl, den Durchmesser und die Neigung der Effusionskühlkanäle erreichen, wenn diese so gewählt werden, daß sich bei einer Druckdifferenz von einer Seite zur anderen Seite der Platten von Dp = 150 mbar eine Ausströmgeschwindig­ keit von etwa 45 m/s ergibt.A particularly effective film cooling can be through the An order, the number, the diameter and the inclination of the  Reach effusion cooling channels if they are selected so that with a pressure difference from one side to the other Side of the plates of Dp = 150 mbar at an outflow rate speed of about 45 m / s.

Bei einer Dicke der Hitzeschildplatten von etwa 8 mm, einem Abstand zur Wand von etwa 4 mm wird dies erreicht, wenn der Durchmesser der Effusionskühlkanäle etwa 1 mm beträgt und sie unter einem Winkel von etwa 30° zur Oberfläche der Platten verlaufen.With a thickness of the heat shield plates of approximately 8 mm, one Distance to the wall of about 4 mm is achieved when the The diameter of the effusion cooling channels is approximately 1 mm and they at an angle of about 30 ° to the surface of the plates run.

Als Material für die Hitzeschildplatten kann bevorzugt eine hochwarmfeste metallische Legierung eingesetzt werden. Additiv oder alternativ können auch Wärmedämmschichten eingesetzt werden.A material can preferably be used for the heat shield plates highly heat-resistant metallic alloy can be used. Thermal insulation layers can also be added or alternatively be used.

Der erfindungsgemäße Hitzeschild wird vorzugsweise im Bereich des Übergangs Flammrohr - Turbine an einer Stelle mit hoher Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase und entspre­ chend hoher Wärmebelastung angeordnet.The heat shield according to the invention is preferably in the area of the flame tube - turbine transition at a point with high Flow rate of the combustion gases and correspond Arranged high heat load.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:The invention is described below with reference to a drawing illustrated preferred embodiment explained in more detail tert. The drawing shows:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht, teilwei­ se aufgeschnitten, einer Ringbrennkammer mit einem erfindungsgemäßen Hitzeschild, Fig. 1 is a schematic perspective view teilwei se cut, an annular combustion chamber with a heat shield according to the invention,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Brennkammer gemäß Fig. 1 und Fig. 2 is a longitudinal section through the combustion chamber shown in Fig. 1 and

Fig. 3 eine Detailansicht im Schnitt eines erfindungsgemä­ ßen Hitzeschildes. Fig. 3 is a detailed view in section of a heat shield according to the invention.

Eine allgemein mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Ringbrennkammer 1 ist mit ringförmig angeordneten Brennern 2 versehen, denen Verbrennungsluft von einem nicht dargestell­ ten, vorgeschalteten Verdichter zugeführt wird. Ein Teil der verdichteten Luft gelangt in nicht dargestellter, beispiels­ weise aus der US 4 838 031 entnehmbarer Weise als Kühlluft in den Bereich des Hitzeschildes 3, der an der Stelle der größten Wärmebelastung der Brennkammer angeordnet ist. Die Wärmebelastung ergibt sich im Bereich des Übergangs zwischen Flammrohr und Turbine an einer Stelle mit hoher Strömungsge­ schwindigkeit der Verbrennungsgase.A generally designated by the reference numeral 1 annular combustion chamber 1 is provided with annularly arranged burners 2 , which combustion air is supplied from an upstream compressor, not shown. A portion of the compressed air reaches the area of the heat shield 3 , which is arranged at the location of the greatest thermal load on the combustion chamber, in a manner not shown, for example, from US Pat. No. 4,838,031. The heat load arises in the area of the transition between the flame tube and the turbine at a point with high flow velocity of the combustion gases.

Der erfindungsgemäße Hitzeschild 3 ist aus einzelnen Platten zusammengesetzt, die entsprechend Fig. 3 aufgebaut sind. Eine Wand 4 ist mit zur Wandoberfläche im wesentlichen senkrecht verlaufenden Kühlluftkanälen 5 versehen, die düsenartig ver­ jüngte Austrittsöffnungen 6 aufweisen. Diese Öffnungen 6 mün­ den in einem Freiraum 10 zwischen der Wand 4 und mit Abstand dazu angeordneten Platten 7 aus hitzebeständigem Material. Die aus den Öffnungen 6 mit großer Geschwindigkeit austreten­ de Kühlluft prallt auf die gegenüberliegende Wand der Platten 7 und bewirkt eine intensive Prallkühlung.The heat shield 3 according to the invention is composed of individual plates which are constructed in accordance with FIG. 3. A wall 4 is provided with cooling air ducts 5 which run essentially perpendicular to the wall surface and which have nozzle-like outlet openings 6 . These openings 6 mün in a space 10 between the wall 4 and spaced plates 7 made of heat-resistant material. The cooling air emerging from the openings 6 at high speed impacts the opposite wall of the plates 7 and causes intensive impingement cooling.

In den Platten 7 sind unter einem Winkel von etwa 30° zur Oberfläche verlaufende Effusionskühlkanäle 8 angeordnet, die zur Effusionskühlung der Platten 7 dienen. Die Kühlluftkanäle 8 weisen einen Durchmesser von etwa 1 mm auf.In the plates 7 , effusion cooling channels 8 are arranged at an angle of approximately 30 ° to the surface, which are used for the effusion cooling of the plates 7 . The cooling air channels 8 have a diameter of approximately 1 mm.

Im Bereich von Rändern 11 der Platten 7 sind Abstandselemente 9 angeordnet, die mit den Platten 7 einstückig hergestellt sein können. Die Auflage der Abstandselemente 9 auf der Wand 4 kann eine ausreichende Abdichtung des Freiraums 10 bewir­ ken, so daß die durch die Kühlluftkanäle 5 in den Freiraum 10 eintretende Kühlluft im wesentlichen durch die Effusionskühl­ kanäle 8 in den Platten 7 hindurch strömt und im Brennkammer­ innenraum austritt.In the area of edges 11 of the plates 7 , spacing elements 9 are arranged, which can be made in one piece with the plates 7 . The support of the spacer elements 9 on the wall 4 can cause sufficient sealing of the free space 10 , so that the cooling air entering through the cooling air channels 5 into the free space 10 flows essentially through the effusion cooling channels 8 in the plates 7 and exits in the combustion chamber interior .

Zwischen den Rändern 11 der Platten 7 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel Metalldichtfedern 13 angeordnet, die in Nuten 12 in den Rändern 11 der Platten 7 gehalten werden. Zur Kühlung dieser Metalldichtfedern 13 sind Kühlluftkanäle 5 in den Spalt zwischen den Rändern 11 der Platten 7 gerichtet.Between the edges 11 of the plates 7 sealing metal springs 13 are arranged in the illustrated embodiment, which are held in grooves 12 in the edges 11 of the plates. 7 To cool these metal sealing springs 13 , cooling air channels 5 are directed into the gap between the edges 11 of the plates 7 .

Die Anordnung, die Anzahl, der Durchmesser und die Neigung der Effusionskühlkanäle 8 in den Platten 7 sind so gewählt, daß sich bei einer Druckdifferenz von einer Seite zur anderen der Platten 7 von Dp = 150 mbar eine Ausströmgeschwindigkeit von etwa 45 m/s ergibt. Hierdurch wird eine definierte Strö­ mungsrichtung auf der dem Brennkammerinneren zugewandten Oberfläche der Platten 7 und damit ein hochwirksamer Kühlfilm erzeugt, so daß sich mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild eine Verminderung des Kühlluftbedarfs von etwa 30% ergibt.The arrangement, the number, the diameter and the inclination of the effusion cooling channels 8 in the plates 7 are selected such that an outflow speed of approximately 45 m / s results from a pressure difference from one side to the other of the plates 7 of Dp = 150 mbar. As a result, a defined direction of flow is generated on the surface of the plates 7 facing the combustion chamber interior, and thus a highly effective cooling film, so that the heat shield according to the invention results in a reduction in the cooling air requirement of approximately 30%.

Claims (10)

1. Hitzeschild, insbesondere für ein Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer, aus einer Wand (4) mit im wesentli­ chen senkrecht zur Wandoberfläche verlaufenden Kühlluftkanä­ len (5) zur Prallkühlung einer Seite von auf der Wand (4) mit Abstand angeordneten Platten (7) aus hitzebeständigem Materi­ al, die eine Vielzahl die Platten (7) durchsetzender Effusionskühlkanäle (8) zur Effusionskühlung aufweisen.1. Heat shield, in particular for a flame tube of a gas turbine combustion chamber, from a wall ( 4 ) with wesentli surfaces perpendicular to the wall surface Kühlluftkanä len ( 5 ) for impingement cooling one side of the wall ( 4 ) with spaced plates ( 7 ) made of heat-resistant Materi al, which have a plurality of plates ( 7 ) passing through effusion cooling channels ( 8 ) for effusion cooling. 2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ luftkanäle (5) für die Prallkühlung düsenartig verengte Aus­ trittsöffnungen (6) aufweisen.2. Heat shield according to claim 1, characterized in that the cooling air channels ( 5 ) for impingement cooling nozzle-like constricted from openings ( 6 ). 3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Effusionskühlkanäle (8) schräg durch die Platten (7) hindurch verlaufen.3. Heat shield according to claim 1 or 2, characterized in that the effusion cooling channels ( 8 ) run obliquely through the plates ( 7 ). 4. Hitzeschild nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Platten (7) gegeneinander und/oder gegen die Wand (4) ab­ gedichtet sind.4. Heat shield according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the edges of the plates ( 7 ) against each other and / or against the wall ( 4 ) are sealed off. 5. Hitzeschild nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Metalldicht­ federn (13) in seitlichen Nuten (12) in den Rändern (11) der Platten (7) angeordnet sind.5. Heat shield according to claim 4, characterized in that metal sealing springs ( 13 ) in side grooves ( 12 ) in the edges ( 11 ) of the plates ( 7 ) are arranged. 6. Hitzeschild nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch gegen die Metall­ dichtfedern (13) gerichtete Kühlluftkanäle (5) in der Wand (4).6. Heat shield according to claim 5, characterized by against the metal sealing springs ( 13 ) directed cooling air channels ( 5 ) in the wall ( 4 ). 7. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung, die Anzahl, der Durchmesser und die Neigung der Effusionskühlkanäle (8) so gewählt sind, daß sich bei einer Druckdifferenz von einer Seite zur anderen Seite der Platten (7) von Dp = 150 mbar eine Ausströmgeschwindigkeit von etwa 45 m/s ergibt.7. Heat shield according to one of claims 1 to 6, characterized in that the arrangement, the number, the diameter and the inclination of the effusion cooling channels ( 8 ) are chosen so that there is a pressure difference from one side to the other side of the plates ( 7 ) of Dp = 150 mbar gives an outflow speed of about 45 m / s. 8. Hitzeschild nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch­ messer der Effusionskühlkanäle (8) etwa 1 mm beträgt.8. Heat shield according to claim 7, characterized in that the diameter of the effusion cooling channels ( 8 ) is approximately 1 mm. 9. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Material der Platten Wärmedämmschichten und/oder eine hochwarmfeste metallische Legierung enthält.9. Heat shield according to one of the preceding claims, characterized in that the heat-resistant material of the panels thermal insulation layers and / or contains a heat-resistant metallic alloy. 10. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er im Be­ reich des Übergangs zwischen Flammrohr und Turbine in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungs­ gase und entsprechend hoher Wärmebelastung angeordnet ist.10. Heat shield according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the Be area of transition between flame tube and turbine in one Area with high flow rate of combustion gases and a correspondingly high heat load is arranged.
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