DE2356722C3 - Gasturbinenanlage mit einer Leitungswand aus mehreren Platten zum Begrenzen eines HelBgasstroms - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einer Leitungswand aus mehreren Platten zum Begrenzen eines gekrümmten Strömungsweges eines von einer Brennkammer erzeugten Heißgasstromes auf seiner Krümmungsaußenscite.

Auf dem Gebiet der Gasturbinenanlagen ergibt sich ein spezielles Erfordernis dahingehend, daß Leitungen für Hochtemperatur-Gasströme vorgesehen werden. Dies trifft insbesondere auf Gasturbinenanlagen zu, die für den Antrieb von Luftfahrzeugen angewandt werden, wo sowohl extrem hohe Temperaturen als auch eine leichte Bauart erforderlich sind, um so in wirtschaftlicher Weise die angestrebten Leistungswerte zu erzielen. Außerdem ergeben sich besondere betriebliche Gefahrenmomente, wie Vibration und extrem hohe Schwerkraftbelastungen.

Über das allgemeine Problem der Leitung von Hochtemperatur-Gasströmen bei derartigen Turbinen ergibt sich ein spezifischeres Problem bei den sogenannten Umkehrbrennkammern. Derartige Brennkammern, die sich als vorteilhaft erweisen in dem Zusammenhang, das Gesamtgewicht und Rsumbeanspruchung der Gasturbinenanlage gering zu halten, weisen ein Einlaßende auf, das entfernt von dem Kompressor der Gasturbinenanlage vorliegt. Die Verbrennungsluft tritt in die Brennkammer ein und bewegt sich rückwärts durch die Vcrbrennungs/one bei der Erzeugung des heißen Gasstroms. Dieser heiße Gasstrom wird sodann nach innen über einen Winkel von 180^D zu der Turbinenanordnung gelenkt. Das Wenden dieses Gasstroms wird durch einen U-förmigen ringartigen Strömungsweg bewerkstelligt, der üblicherweise als Krümmungsanordnung bezeichnet wird und weist ein inneres und äußeres gekrümmtes Teil auf. Das äußere gekrümmte Teil oder die Leitungswand ist insbesondere extremen Temperaturen ausgesetzt, die die höchsten in der Gasturbinenanlage vorkommenden Temperaturen sein können. Das äußere gekrümmte Teil hat somit spezielle Probleme bedingt im Zusammenhang mit dem Erstellen einer Brennkammer, die nicht nur gut gewartet werden kann, sondern ebenfalls wirtschaftlich eine angemessene Lebensdauer besitzt.

Es hat zwar viele Vorschläge gegeben, Leitungsteile im allgemeinen und die gekrümmten Leitungsteile derartiger Brennkammern im besonderen zu kühlen, jedoch ist keiner dieser Vorschläge im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer zufriedenstellend gewesen Zur weiteren Erläuterung derartiger Vorschläge nach dem Stand der Technik sei erwähnt, daß allgemein bekannt ist. relativ kühle Luft aus dem Kompressor der Gasturbinenanlage abzuleiten und diese Kühlluft auf die Leitungswände zum Auftreffen oder in anderer Weise in Berührung zu bringen, und das gilt ebenfalls für andere Bauelemente der Gasturbinenanlage, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Es kann auch Kühlluft aus anderen Quellen als dem Kompressor der Gasturbinenanlage abgeleitet werden.

Dort, wo Kompressorluft für das Kühlen angewandt wird, besteht eine wesentliche Überlegung darin, daß die Mas-ie der Kühlluft möglichst klein gehalten wird, da es sich um eine Verringerung des gesamten Wirkungsgrades der Gasturbinenanlage handelt. Dies führt zu dem Erfordernis, Kühlanordnungen vorzusehen, die einen hohen Wirkungsgrad bezüglich der Kühlung besitzen, und zwar in einer Anordnung, die in Übereinstimmung mit den anderen Erfordernissen der Arbeitsbedingungen der Gasturbinenanlage steht.

Es ist auf dem einschlägigen Gebiet insbesondere nach der GB-PS 6 66 416 bekanntgeworden, eine Kühlung der Leitunrswand, auf die der in der Brennkammer erzeugte Heißgasstrom aufprallt, unter Umlenken desselben dadurch zu bewerkstelligen, daß aus dem Kompressorluftstrom sowohl ein erster Anteil abgezweigt wird, der von innen längs der zu kühlenden Leitungswand eingeführt wird, als auch ein zweiter Anteil abgezweigt wird, der in eine hinter der Leitungswand liegende Kammer eingeführt und sodann hinter der Krümmung der Leitungswand in den Heißgasstrom eingeführt wird. Die Leitungswand besteht hier aus einer einzigen Platte bzw. Bauelement.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für eine einschlägige Leitungswand dergestalt zu schaffen, daß ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Hierunter ist eine bestmögliche Kühlung unter geringstmöglichem Aufwand in baulicher Hinsicht zu verstehen, um so die gesamte Anordnung möglichst raumsparend und leicht zu gestalten und gleichzeitig eine größtmögliche Lebensdauer dieses hohen thermischen Belastungen ausgesetzten Bauelementes zu erzielen.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun in kennzeichnender Weise durch die Kombination der folgenden Merkmale gelöst:

a) Die Leitungswand ist aus drei gekrümmten Platten gebildet, die durch beiderseitige Ausbuchtungen der mittleren Platte unabhängig von den thermischen Belastungen im Abstand voneinander unter Ausbildung von zwei Kiihlluftkammern gehalten werden.

b) In der Verdichterluftleitung für die Zufuhr von Verdichterluft zur Brennkammer ist ein Spalt zum

Abzweigen von Kühlluft in einen Raum außerhalb der Leitungswand vorgesehen.

c) jeweils am stromaufwärtigen Ende der Leitungswand sind in der äußeren gekrümmten Platte ein erster Einlaß für eine äußere Kühlluftkammer und ein zweiter Einlaß für eine inntie Kühlluftkammer angeordnet.

d) Am stromabwärtigen Ende der inneren gekrümmten Platte sind Auslässe für die Einleitung der Kühlluft in den Heißgasstrom vorgesehen.

Durch die Anordnung von drei im Abstand angeordneten gekrümmten Einzelplatten als Außenwand des Heißgaskanals und unter Bildung von zwei Kühlluftkammern mit entsprechenden Öffnungen für die Durchströmung dieser Kammern mit Kühlluft wird es ermöglicht, unter geringstmöglichem Aufwand eine intensive Kühlung zu erzielen, wobei die einzelnen Platten bedingt durch die beiderseitigen Ausbuchtungen der mittleren Platte zum einen unter den unterschiedlichen Betriebsbedingungen das unbehinderte Durchströmen der Kühlluft ermöglichen und zum anderen die gesamte Anordnung ohne Schwierigkeiten die durch unterschiedliche Temperaturen bedingten Wärmeausdehnungen aufzunehmen vermag.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Tcilansichi einer Gasturbinenanlage mit der erfindungsgemäßen Anordnung im Längsschnitt:

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung der erfmdungsgemäßen Anordnung im Längsschnitt.

Die Fig. 1 zeigt Teile einer Gasturbinenanlage. Es liegen die Endstufen eines Axialverdichters 10 vor. der die Luft unter Druck setzt, um so die Verbrennung des Brennstoffs im Zusammenhang mit der Erzeugung des antreibender! Gasstroms zu unterstützen. Die vor, dem Verdichter 10 abgegebene Luft strömt durch einen Diffusor 12 und sodann nach außen und hinten längs des Strömungswegs 14 in Richtung auf eine Umkehrbrennkammer 16. Die Brennkammer 16 kann ringförmig aufgebaut sein und weist innere und äußere Begrenzungsteile 18 und 20 auf, die in entsprechender Weise im Abstandsverhältnis gegenüber dem Turbinengehäuse 22 und dem äußeren Gehäuse 24 angeordnet sind.

Die von dem Verdichter 10 abgegebene Luft strömt von dem Slromungsweg 14 aus durch die ringförmigen Räume zwischen den Begrenzungsieilen und deren benachbarten Gehäusen in Richtung auf das entfernte oder Einlaßende der Brennkammer, die durch die Begrenzungsteile 18 und 20 begrenzt ist. Diese Luft tritt in die Brennkammer ein und unterhalt die Verbrennung des vermittels der Düsen 26 eingespritzten Brennstoffs und dies in bekannter Weise unter Erzeugen eines heißen Gasstroms. Dieser heiße Gasstrom strömt sodann entgegengesetzt allgemein ir: Richtung auf den Verdichter 10 und wird sodann nach innen über einen Winkel von 180° vermittels innerer und äußerer gekrümmter Leitungswande 28 und 30 gewendet, die in Verbindung mit den Begrenzungsteilen 18 und 20 stehen und gewissermaßen Verlängerungen derselben darstellen. Nach dem Wenden durch die gekrümmten Leitungswände 28 und 30 wird der heiße Gasstrom durch eine Düsenplatte 32 an eine Turbine 34 abgegeben, die in Verbindung mit dem Verdichter 10 steht und denselben antreibt. Der heiße Gasstrom kann sodann der Leistungsturbine 35 zugeführt werden und dieselbe antreiben. Die Leistungsturbine 36 ist mit einer Kraftabnahmewelle (nicht gezeigt) versehen, die mit einem entsprechenden anzutreibenden Mechanismus in Verbindung gebracht werden kann, z. B. dem Rotor eines Hubschraubers.

In der F i g. 2 wird die erfindungsgemäße Anordnung im einzelnen wiedergegeben. Die Leitungswand 30' weist innere und äußere Platten 62 und 64 in Form gekrümmter ringförmiger Gehäuse auf. Zwischen diesen Platten ist eine mittlere Platte 66 angeordnet, die vermittels Verschweißen an dem oberen Ende der äußeren Platte 62 dergestalt befestigt ist. daß im Anschluß an einen ersten Einlaß 74 eine äußere Kühlkammer 70 und im Anschluß an einen /weiten Einlaß 80 eine innere Kühlkammer 72 gebildet said. Die mittler; Platte 66 weist beiderseitige Ausbuchtungen 76 auf, die zu einem entsprechenden lichten Abstandsverhältnis der drei Platten 62,64 und 66 und demgemäß der Kühlluftkammern 70 und 72 führen. Die Abgabe der Kühlluft aus den beiden Kühlluftkammern 70 und 72 in das stromabwärtige Ende des Heißluftstroms erfolgt durch die Auslasse 82. Zwischen dem Slromungsweg 14 und dem äußeren Begrenzungsteil 20 der Verbrennungskammer liegt ein Spalt für den Eintritt der Kühlluft vor. Das äußere Begrenzungsteil 20 steht in Reibungspassung zwecks Aufnehmen der Wärmeausdehnung mit einem massiven Endteil 40, das die äußere und die innere gekrümmte Platte 62, 64 verbindet. Das untere oder stromabwärtige Ende der Leitungswand weis; eine flexible Halterung vermittels eines relativ dünnen Blechbandes 44 und eines Flansches 46 auf. wodurch ebenfalls eine begrenzte relative Bewegung bedingt durch die Wärmeausdehnung ermöglicht wird. Das äußere untere Ende steht in Reibungspassung mit der Vertiefung 58 eines Flansches 60. der durch ein Teil 48getragen wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es somit, /wci Kühiluftströme zur Kühlung der Leimngsw and 30' heran/u/iehen. Vermittels Kühlen der gekrümmten Platte 66 kann ein größerer Wirkungsgrad bei dem Kühlen der gekrümmten Platte 64 cr/ielt werden, die ja direkt der Einwirkung des heißen Gasstroms ausgesetzt ist. Durch entsprechende Wahl der Anzahl und der Größe der Einlasse 74 und 80 ist es möglich, den angestrebten hohen Wirkungsgrad der Kühlung unter Heranziehen eines geringstmöglichen Massenflusses der Kühlung zu erreichen.

Hierzu 2 Blau Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gasturbinenanlage mit einer Leitungswand aus mehreren Platten zum Begrenzen eines gekrümmten Strömungswegs eines von einer Brennkammer erzeugten Heißgasstroms auf seiner Krümmungsaußenseite, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) Die Leitungswand (30') ist aus drei gekrümmten

   Platten (62, 66, 64) gebildet, die durch beiderseitige Ausbuchtungen (76) der mittleren Platte (66) unabhängig von den thermischen Belastungen im Abstand voneinander unter Ausbildung von zwei Kühlluftkammern (70 und 72) gehalten werden.

   b) In der Verdichterluftleitung (14, 20) für die Zufuhr von Verdichterluft zur Brennkammer ist ein Spalt zum Abzweigen von Kühlluft in einen Raum außerhalb der Leitungswand (30') vorgesehen.

   c) Jeweils am stromaufwärtigen Ende der Leitungswand (30') sind in der äußeren gekrümmten Platte (62) ein erster Einlaß (74) für eine äußere Kühlluftkammer (70) und ein zweiter Einlaß (80) für eine innere Kühlluftkammer (72) angeordnet.

   d) Am stromabwärtigen Ende der inneren gekrümmten Platte (64) sind Auslässe (82) für die Einleitung der Kühlluft in den Heißgasstrom vorgesehen.