DE2949473A1

DE2949473A1 - Brennerauskleidungsschlitz mit gekuehlten streben

Info

Publication number: DE2949473A1
Application number: DE19792949473
Authority: DE
Inventors: Edward Ernst Ekstedt; John Michael Koshoffer; Edward Ivan Stamm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-12-08
Publication date: 1980-06-19
Also published as: IT1126444B; FR2444231B1; JPS5599526A; GB2036945A; US4259842A; JPS6335897B2; FR2444231A1; IT7927751A0; GB2036945B

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennkammern und mehr
im besonderen auf eine Einrichtung, um deren Auskleidung wirksam zu kühlen. Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf eine Brennkammer zur Verwendung in Gasturbinen beschrieben ist, wird darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Struktur für jede
Art von bei hoher Temperatur betriebener Verbrennungsvorrichtung brauchbar ist, die eine Filmkonvektionskühlung erfordert.

Erhöhte Wirksamkeit in Gasturbinen wird teilweise durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur in dem Brenner bewerkstelligt. Um
diesen hohen Temperaturen für eine annehmbare Lebensdauer zu
widerstehen, ist es jedoch notwendig, nicht nur besondere Legierungen und Materialien anzuwenden, sondern auch eine wirksame und zuverlässige Einrichtung zum Kühlen der Auskleidungen der Brennkammern zu schaffen.

Eine der wirksamsten Techniken zum Kühlen der Brennerauskleidung ist die Filmkonvektionskühlung, bei der man einen Schutzfilm aus Kühlluft entlang der inneren Oberfläche einer Auskleidung entlangströmen läßt, um die Auskleidung von den benachbarten heißen Verbrennungsgasen zu isolieren. Der Kühlluftfilm bildet nicht nur eine schützende Sperre zwischen der Auskleidung und den heißen
Gasen, sondern liefert auch eine konvektive Kühlung der Auskleidung .

Die Einführung der Kühlluft in die Auskleidung der Verbrennungskammer erfolgt im allgemeinen durch eine Vielzahl auf dem Umfange im Abstand voneinander angeordneter Löcher, die eine Strömungsmittelverbindung von einer umgebenden Kühlluftkammer zu einer Vielzahl axial im Abstand voneinander angeordneter ringförmiger mit Lippen versehener Taschen in der Innenseite der Auskleidung herstellen. Nach dem Eintreten durch die Löcher vermischt sich die Kühlluft innerhalb der Tasche. Dann richtet man
die Luft durch die Lippe rückwärts, um an der inneren Oberfläche

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der Auskleidung zu haften und entlanyzuströmen.

Damit die Lippe die erforderliche richtende Funktion auf die Luftströmung ausüben kann, ist sie notwendigerweise nach rückwärts für einen beträchtlichen Abstand freischwebend, um zusammen mit der äußeren Auskleidungsoberfläche einen Schlitz zum Steuern der Abgabe des dünnen Filmes von Kühlluft zu bilden. Damit dieser Schlitz nicht teilweise durch thermisches nach außen gerichtetes Wachsen der Lippe verschlossen wird, ist es allgemeine Praxis geworden, kleine Vertiefungen oder Streben im Abstand in einem Umkreis um die Lippe herum anzuordnen, um die durch thermische Spannungen induzierte Krümmungsneigung zu verhindern. Während das Vorhandensein von Vertiefungen auf diese Weise zur Überwindung der Lippenverformung dient, wurde doch festgestellt, daß die Vertiefungen einen Sog in dem Film der Kühlluft verursachen, der entlang der inneren Oberfläche der Auskleidung ausgestoßen wird. Der Sog zerstört die Gleichmäßigkeit der Kühlluftsperre und gestattet den direkten Kontakt der heißen Verbrennungsgase mit der inneren Auskleidung des Brenners, wodurch dessen Betriebsdauer verringert wird.

Die US-PS 3 826 082 und 4 050 241 beschreiben einfache Vertiefungskonstruktionen zur Beseitigung der mit der Verwendung von Vertiefungen verbundenen Probleme, wie sie oben beschrieben worden sind. Obwohl die vorgeschlagenen Lösungen zu einem starken Maße erfolgreich waren, sind die Vertiefungen oder Streben noch immer den sehr hohen Temperaturen und sich daraus ergebenden starken Belastungen ausgesetzt, die die Lebensdauer der Vertiefungen oder Streben selbst verkürzen. Obwohl die Vertiefungen so ausgebildet sind, daß sie den Kühlluftstrom durch den Schlitz nicht unterbrechen, liefern sie noch immer eine Beschränkung mit lokalen Sogbildungen bzw. Nachströmungen und Hitzespannungen.

Eine Brennerauskleidung, mit der die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu einem gewissen Grade überwunden wurden, ist in

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der US-PS 3 978 662 beschrieben. Bei einer Ausführungsform liegt eine modifizierte Lippe vor, die wegen ihrer Kürze einem thermischen Verbiegen weniger unterliegt. Die Lippe befindet sich jedoch noch immer im heißen Gasstrom und ist somit thermischen Spannungen und thermischer Verformung unterworfen, die den Spalt verschließen und auf diese Weise Unterbrechungen des Kühlluftstromes verursachen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennerauskleidung mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit zu schaffen, wozu ein Filmkühlschlitz zur Verhinderung eines partiellen Verschließens des Schlitzes durch das thermische Wachsen der damit verbundenen Lippe vorgesehen werden soll. Der Kühlschlitz soll weiter das Ausbilden heißer Streifen stromabwärts davon im wesentlichen beseitigen. In dem Kühlschlitz soll außerdem eine Vielzahl von Streben vorhanden sein, die nicht aufgrund der Aussetzung gegenüber heißen Gasen Spannungen und somit einer begrenzten Lebensdauer unterliegen.

Diese Kühlung der Brennerauskleidung soll wirksam im Gebrauch und wirtschaftlich in der Herstellung sein.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die zur Verhinderung des Verschließens des Schlitzes eingeführten Streben am äußeren überlappenden Segment der Brennerauskleidung befestigt, wo sie den heißen Gasen benachbart der inneren Lippe nicht ausgesetzt sind. Auf diese Weise sind die Streben wirksam bei der Verhinderung des radial nach außen Wachsens der inneren Lippe, trotzdem sind sie von den heißen Gasen durch den Kühlluftstrom, der den Schlitz passiert, abgeschirmt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung haben die ringförmigen

Erweiterungen, die zum Sammeln der Kühlluft aus dem Außenraum dienen, eine Vielzahl von Löchern auf ihrer stromabwärts gelegenen Seite und sie haben an ihren rückwärtigen Enden eine Ringform, die bei der Aufnahme des rückwärtigen Luftstromes

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aus den Löchern der rückwärtigen Seite der Erweiterung die Kühlluft gegen die radial innere Seite schleudert, wenn sie durch den Kühlschlitz strömt. An dem radial äußeren Teil des Kühlschlitzes wird dahur ein Punkt relativer Stagnation oder eine Blase gebildet, über die die Kühlluft strömt, bevor sie an der Auskleidungswand stromab strömt. Die Erfindung nutzt diese Blase, indem sie eine Vielzahl von Streben in dieser Position anordnet, die den Kühlluftstrom nicht unterbrechen, während sie durch den Schlitz strömt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Neigung der stromabwärts gerichteten Enden der Streben zu abnehmender radialer Höhe, so daß mit radial beginnendem Strömen der Kühlluft, um sich wieder an die Auskleidungswand zu heften, sie ohne Unterbrechung glatt über die Streben strömen kann.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine Teilquerschnittsansicht einer Brennerkammer, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist,

Figur 2 eine Axialquerschnittsansicht eines Kühlschlitzes einer solchen Brennerkammer nach Figur 1,

Figur 3 eine Längsschnittansicht eines Auskleidungssegmentes in Kombination mit benachbarten Segmenten zur Bildung von Schlitzen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 4 eine Axialschnittansicht längs der Linien 4-4 nach Figur 3 und

Figur 5 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit der Kühlluftströmung in Beziehung zur Radialposition des Schlitzes.

In Figur 1 ist mit 11 allgemein eine Brennerkammer bezeichnet,

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die eine Außenwand 12 und eine sich allgemein parallel dazu erstreckende äußere Auskleidung 13 aufweist, um einen Raum 14 für die Kühlluft zu begrenzen, der einen Kühlluftstrom von einer stromaufwärts gelegenen, nicht dargestellten Abzapfquelle des Kompressors erhält. In ähnlicher Weise begrenzen eine Innenwand 16 und eine innere Auskleidung 17 einen Raum 18 für ein Strömungsmittel zum Kühlen. Die Auskleidungen 13 und 17 zusammen mit einer Kuppe 19 begrenzen eine Verbrennungszone 20, in die durch eine Brennstoffdüse 21 unter Mithilfe eines Lufteinganges

22 zerstäubter Brennstoff injiziert wird. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird gezündet und die entstehenden heißen Gase verlassen den Brenner am stromabwärts gelegenen Ende und übertragen thermische Energie in bekannter Weise an eine Turbine.

Um trotz der Anwesenheit außerordentlich heißer Gase in der Verbrennungszone 20 die strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten, sind an der äußeren und inneren Auskleidung 13 und 17 axial im Abstand voneinander ringförmige Vergrößerungen 23 vorgesehen, um Kühlluft von den Kühllufträumen 14 bzw. 18 in die Auskleidung zu injizieren. Die Kühlluft läßt man längs der inneren Oberfläche der Auskleidungen entlangströmen, um durch Oberflächen- und Konvektionskühlung die Auskleidung zu kühlen.

In den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, daß eine Erweiterung

23 die äußeren Oberflächen der teleskopartig angeordneten äußeren und inneren Auskleidungssegmente 24 bzw. 26 verbindet. Die ringförmige Vergrößerung 23 umfaßt gekrümmte stromaufwärts und stromabwärts liegende Enden 27 bzw. 28, die zusammen mit dem stromaufwärts gelegenen Ende 29 des äußeren Segmentes 24 und dem stromabwärts gelegenen Ende 31 des inneren Segmentes 26 eine ringförmige Kammer 32 begrenzen.

Das stromaufwärts gelegene Ende 29 des äußeren Auskleidungssegmentes und das stromabwärts gelegene Ende 31 des inneren Auskleidungssegmentes weisen überlappende Teile auf, die einen Ringspalt 33 begrenzen, der Kühlluft aus der Ringkammer 32 er-

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hält und sie entlang der inneren Oberfläche des äußeren Segmentes 24 strömen läßt.

Der stromabwärts gelegene Abschnitt 27 der Erweiterung 23 ist mit dem stromaufwärts gelegenen Ende 29 des äußeren Auskleidungssegmentes zu einem allgemein U-förmigen Querschnitt kombiniert, der Kühlluft aus einer Vielzahl auf dem Umfange im Abstand voneinander angeordneter Löcher 34 empfängt, wie durch die Pfeile in Figur 2 angezeigt. In ähnlicher Weise ist der stromaufwärts gelegene Abschnitt 28 der Vergrößerung 23 mit dem stromabwärts gelegenen Ende 31 des inneren Segmentes zu einem allgemein U-förmigen Querschnitt mit einer gekrümmten Oberfläche 36 kombiniert, die in eine allgemein axial ausgerichtete Planaroberflache 37 übergeht, wenn sich die Oberfläche 36 dem Ringschlitz 33 nähert. Die Kühlluft tritt auf diese Weise in die Vielzahl von Löchern 34 ein, strömt beim Passieren der Kammer 32 zusammen und wird durch Richtungsänderung mittels der Oberfläche 36 zur radial inneren Seite des Schlitzes 33 geleitet, um zur planaren Oberfläche 37 zu strömen, bevor sie dann radial nach außen wandert, um an der inneren Oberfläche des äußeren Segmentes 24 entlangzuströmen· Den Strömungslinien kann entnommen werden, daß ein Bereich relativer Stagnation bzw. eine "Blase" im radial äußeren Abschnitt des ringförmigen Schlitzes 33 gebildet wird, doch beeinträchtigt dies die Kühlfunktion nicht, da die Strömung um das stromabwärts gelegene Ende 2 9 des äußeren Segmentes diesen Teil noch isoliert und die Kühlluftströmung um die Blase herumströmt und beim Stromabwärtsfließen wieder am äußeren Segment entlangströmt.

Das stromabwärts gelegene Ende 31 des inneren Segmentes oder die "Lippe", wie sie normalerweise genannt wird, ist den heißen Gasen, die an seiner inneren Oberfläche entlangströmen, direkt ausgesetzt. Diese Lippe 31 neigt daher zum thermischen Wachsen nach außen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, und da das stromaufwärts gelegene Ende 29 des äußeren Segmentes bei einer beträchtlich tieferen Temperatur gehalten ist, neigt

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die Lippe 31 zum teilweisen Verschließen des Spaltes 33, wie aus Figur 2 ersichtlich. Im Extremfallr verursacht dies eine Unterbrechung der Kühlluftströmung und führt dadurch zu hohen Spannungen und schließlichem Versagen.

In den Figuren 3 und 4 ist eine Vielzahl von Streben 38 ersichtlich, die auf dem Umfang im Abstand voneinander an der Innenseite des stromaufwärts gelegenen Endes 29 des Segmentes angeordnet sind. Das vorwärts gerichtete Ende der Strebe 38 befindet sich im wesentlichen in axialer Ausrichtung mit dem vorwärts gerichteten stromaufwärts gelegenen Ende 29 des Segmentes, so daß ein Abschnitt der Strebe 38 im Ringschlitz 33 angeordnet ist. Die Streben 38 wirken so beschränkend auf das radial nach außen gerichtete thermische Wachsen der Lippe 31, so daß selbst unter den extremsten Betriebsbedingungen,in denen die Lippe 31 an die Streben 38 anstößt, der Ringschlitz in dem Bereich zwischen benachbarten Streben 38 offenbleibt.

Die axiale Anordnung der Streben ist so ausgeführt, daß sie mit der axialen Position der Trennblase zusammenfällt. Anders als bei der Anordnung der Vertiefungen nach dem Stande der Technik, die den Kühlluftstrom unterbrachen, sind die Streben im Blasenbereich verborgen und unterbrechen die Kühlluftströmung daher nicht. Die hintere Kante der Streben ist stromabwärts zu einer abnehmenden radialen Dicke hin abgeschrägt, so daß der graduelle übergang nach außen und die schließliche Befestigung an der äußeren Segmentwand erleichtert ist. Wie in Figur 3 ersichtlich, ist die Strömung dann im wesentlichen die gleiche wie für eine Auskleidung ohne die Streben, ausgenommen,daß die Lippe 31 den Spalt nicht mehr verschließen und die Kühlluftströmung nicht mehr unterbrechen kann.

Eine detailliertere Untersuchung der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Radialprofils des Kühlschlitzes in Figur 2 in Verbindung mit Figur 5 führt zu einem besseren Verstehen der "Blase", in der die Streben angeordnet sind. Figur 5 zeigt die

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Variation der Geschwindigkeit der Kühlluft über die Radialausdehnung des Kühlluftschlitzes zwischen dem äußeren Segment 29 und dem inneren Segment 31. Es gibt einen beträchtlichen Spielraum in der Durchschnittsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Radialposition in dem Schlitz, wobei die höchste Geschwindigkeit nahe dem inneren Segment und die geringste Geschwindigkeit nahe dem äußeren Segment liegt. Nimmt man an, daß die Radialdicke der Streben 38 derart ist, daß sie sich im wesentlichen halb über den Ringschlitz 33 erstrecken, dann ist ersichtlich, daß die Geschwindigkeit der Kühlluftströmung, die dadurch verdrängt wird, im allgemeinen unterhalb von 15 m pro Sekunde liegt, während die Geschwindigkeit der Luftströmung im Bereich zwischen den Streben und der Lippe 31 im allgemeinen größer als 15m pro Sekunde ist für den in Figur 5 dargestellten Fall. Die tatsächlichen Geschwindigkeiten variieren in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, doch bleibt das Muster wie in Figur 5 dargestellt. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Luft im Kühlschlitz beträgt im wesentlichen 12m pro Sekunde, während die Geschwindigkeit im radial inneren Teil des Schlitzes beträchtlich höher ist. Ein Kühlluftschlitz, benutzt in Kombination mit einer zentrifugierenden Art von Ringkammer 32, wie dargestellt, führt zu einem Geschwindigkeitsprofil, das mit Anordnung der Streben auf dem äußeren Segment 29 , wie dargestellt, verträglich ist.

In Figur 3 ist ein Paar axial im Abstand voneinander befindlicher Vergrößerungen 23 gezeigt, in denen das äußere Segment 24 einstückig ist mit dem inneren Segment 26 der benachbart stromabwärts gelegenen Vergrößerung 2 3 und bildet eine Ausdehnung davon. In dieser bevorzugten Ausführungsform besteht die Brennerauskleidung aus einer Vielzahl von Segmenten, die sich von Punkt A nach Punkt B erstrecken und die an jedem Ende an im wesentlichen identischen Segmenten durch Schweißen oder in ähnlicher Weise befestigt sind . Die spezifische Konstruktion und das Verfahren zur Herstellung der Streben 38 kann innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung variieren. Die Streben können eine einfache dübelartige Struktur mit verbundenen Stegen sein, um einen stromlinienförmigen übergang zur Funktion der Außenwand 29 zu ha-

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ben. Sie können durch maschinelles Bearbeiten oder Walzen auch einstückig mit der Außenwand 29 ausgeführt werden. Auch können ihre Abmessungen und ihre Gestalt variiert werden, um sie an eine besondere Kühlströmungscharakteristik anzupassen.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1,Verbesserte Brennerauskleidungsstruktur mit überlappenden Auskleidungsabschnitten von ineinander geschobenen Auskleidungssegmenten, die zusammen einen Ringspalt begrenzen, und einer Einrichtung zum übertragen von Kühlströmungsmittel von einer Außenkammer zum Strömen durch den Ringspalt zur Befestigung am stromabwärts gelegenen Segment als eine Schutzfilmsperre, dadurch gekennzeichnet ,daß (a) ein ringförmiger Erweiterungsabschnitt (23) die äußeren Seiten der Auskleidungssegmente (24,26) miteinander verbindet und zusammen mit dem stromabwärts gelegenen Segment eine Kammer bildet, die strömungsmittelmäßig mit dem Ringspalt (33) mittels einer gekrümmten Oberfläche (36) benachbart dem stromaufwärts gelegenen Auskleidungssegment in Verbindung steht,
(b) eine Öffnung (34) in der stromaufwärts gelegenen Seite des

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ORIGINAL INSPECTEÖ

ringförmigen Erweiterungsabschnittes (23) zur Einführung der Kühlluftströmung in die Kammer (32)/, wo die Luft dann durch die gekrümmte Oberfläche (36) radial nach innen geführt wird, um durch die radial nach innen gerichtete Seite des Ringspaltes (33) zu strömen, bevor sie am stromabwärts gelegenen Auskleidungssegment haftet und / vorhanden ist

(c) eine Vielzahl im Abstand auf dem Umfang angeordneter Streben (38) die in dem Ringspalt (23)angeordnet und an dem stromabwärts gelegenen Auskleidungssegment befestigt sind, um das nach außen gerichtete thermische Wachsen des stromaufwärts gelegenen Auskleidungsabschnittes zu beschränken.
2. Brennerauskleidungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Streben (38) im wesentlichen zu dem vorwärts gerichteten Ende des stromabwärts gelegenen Auskleidungssegmentes erstrecken.
3. Brennerauskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Streben (38) rückwärtig im wesentlichen bis zu der Axialposition erstrecken, wo der ringförmige Vergrößerungsabschnitt (23) mit dem stromabwärts gelegenen Auskleidungssegment verbunden ist.
4. Brennerauskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das stromabwärts gelegene Ende der Streben (38) in Stromabwärtsrichtung in abnehmender radialer Dicke geneigt ist.
5. Brennerauskleidungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Streben im Axialquerschnitt im wesentlichen zylindrisch sind.

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