DE4343332C2

DE4343332C2 - Vorrichtung zur Konvektivkühlung einer hochbelasteten Brennkammer

Info

Publication number: DE4343332C2
Application number: DE19934343332
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr Schulte-Werning; Daniel Walhood
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2013-12-21
Also published as: DE4343332A1; JPH07198142A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konvektivkühlung einer hochbelasteten Brennkammer von Gasturbogruppen.

Stand der Technik

Im Zuge der Entwicklung werden zur Verbesserung des Wirkungs grades in modernen Gasturbinen zunehmend der Druck und die Temperatur des Heißgases in der Brennkammer erhöht. Das führt dazu, daß die Brennkammerwände von den Druck- und Thermolasten wesentlich höher als früher beansprucht werden.

Da in den heutigen Gasturbinengenerationen gleichzeitig auch die Schadstoffemissionen gesenkt werden müssen, kommen für die Brennkammerkühlung keine Techniken in Frage, die durch kontrollierte Einbringung einer isolierenden Luftschicht auf der Brennkammerseite zwar den Wärmestrom vermindern, aber gleichzeitig auch den Brennermassenstrom reduzieren. Dies trifft zum Beispiel auf die Filmkühlung zu. Diese Kühlmethode wird beispielsweise in DE-OS 29 07 918 zur Kühlung der Innen wand einer Gasturbinenbrennkammer angewendet. Damit kann zwar einerseits der Wärmestrom stark reduziert werden, anderer seits läuft diese Kühltechnik zwangsläufig darauf hinaus, daß in der Brennkammer eine Diffusionsverbrennung statt findet, denn die für die Filmkühlung verwendete Luft kann bis zu zwei Drittel der gesamten Kühlluft ausmachen. Hinzu kommt, daß bei der o.g. DE-OS zusätzlich primäre und sekundäre Ver dünnungsluft in die Brennkammer eingebracht wird, was neben einem hohen Totaldruckverlust auch dazu führt, daß bei der Verbrennung hohe Schadstoffemissionswerte entstehen.

Es werden daher vermehrt rein konvektive Kühlsysteme in einer "abgedichteten" Brennkammer eingesetzt, bei denen die Kühl luft in einem Kühlkanal zwischen Brennkammerinnen- und Brennkammeraußenwand entlangströmt und damit keine Kühlluft für Kühlfilmbildung bzw. Verdünnungsluft zur Verfügung steht. So ist aus GB 20 86 031 A1 ein konvektives Brennkammerkühlsystem bekannt, bei dem ein Teil der Luft etwa in der Mitte der Brennkammer in konvektiven Kühlkanälen zwischen Brennkammer innen- und Brennkammeraußenwand zu einem Vormischbrenner strömt und danach als Verbrennungsluft dient, während der andere Teil des Luftmassenstromes von der Mitte der Brenn kammer aus zwischen den beiden Wänden stromabwärts zum Ende der Brennkammer geführt wird. Aus dieser Schrift geht nicht hervor, daß durch Zuführung der gesamten Kühlluftmenge zum Vormischbrenner die Schadstoffemissionswerte vorteilhaft ge senkt werden können.

Die Kühlleistung zur Abfuhr der Wärmelast in dichten Brenn kammern ist sowohl von der kühlluftseitig treibenden Tempera turdifferenz, von der vom Kühlmedium benetzten Oberfläche, als auch vom durch aerodynamische Effekte hervorgerufene Wär meübergangskoeffizienten abhängig.

Ein höherer Verdichterdruck hat im allgemeinen auch eine hö here Kühllufttemperatur und die hohe Wärmebelastung eine ge ringere Metalltemperatur auf der Kühlluftseite bei einer üb licherweise festgelegten flammenseitigen Metalltemperatur zur Folge. Auf der Kühlluftseite wird daher die treibende Tempe raturdifferenz überproportional kleiner. Daher muß oft die Kühlwirkung verstärkt durch den aerodynamischen Effekt auf gebaut werden. Einer der Hauptparameter ist somit die Ge schwindigkeit im Kühlkanal, mit der aber wiederum quadratisch der Druckverlust im Kühlsystem, der den Gasturbinen-Wirkungsgrad vermindert, gekoppelt ist.

Beim bisher bekannten Stand der Technik sind dichte Brennkam mern so ausgeführt, daß die eigentliche Brennkammerwand, d. h. die Trennwand zwischen Heißgas und Kühlluft, gleichzei tig sowohl die gesamte Wärmelast als auch die gesamte Druck last trägt. Der Kühlkanal selbst ist dann außen nur durch eine dünne Abdeckung begrenzt, die keine Drucklasten aufneh men kann. Bei den für stationäre Gasturbinen hohen Anforde rungen an die Lebensdauer sind deshalb relativ große Wand stärken der eigentlichen Brennkammerwand, die z. B. im Bereich von 5 mm bis 7 mm liegen können, notwendig.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von der GB 20 86 031 A1 besteht die Aufgabe der Er findung darin, die Kühlung der Brennkammerwand einer hochbe lasteten konvektiv gekühlten dichten Gasturbinenbrennkammer weiter zu verbessern und gleichzeitig die Schadstoffentwick lung bei der Vormischverbrennung zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches die tra gende äußere Brennkammerwand entlang der Kühlstrecke fest mit dem relativ dünnen inneren Hitzeschutzschild verbunden ist unter Bildung von mehreren voneinander getrennten längs gestreckten Kühlkanälen, durch die die gesamte Kühlluftströ mung zum Vormischbrenner geführt wird und der Vormischbrenner als Doppelkegelbrenner ausgeführt ist.

Zwar ist aus DE 29 07 918 A1 eine tragende Außenstruktur mit einer durch einen Kühlmittelfilm wärmedämmenden Innenwand für eine Brennkammer bekannt, dort werden aber ca. zwei Drittel der Kühlluft als Filmkühlluft verwendet, so daß keine Ver ringerung der Schadstoffwerte erreicht werden, zumal auch noch Leuchtgas als Brennstoff verwendet wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, daß eine Entkopplung von Drucklast- und Wärmelastaufnahme er reicht und dadurch eine stabile und kompakte Kühlkonfigura tion erzielt werden. Es treten bei der Kühlung nur geringe Druckverluste auf, die erzielbare Lebensdauer der Brennkammer ist wegen der hervorragenden Kühlwirkung sehr hoch und die Wandstärke der Brennkammerwand kann relativ gering sein. Außerdem werden die NOx-Emissionswerte der Vormischverbrennung reduziert, weil die gesamte Kühlluft durch den Brenner geht.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Hitzeschutzschild mit der tragenden Brennkammerwand über Längsrippen verbunden ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die der Flamme zugewandte Seite des Hitzeschutzschildes mit einer Wärmedämmschicht ver sehen ist, weil dadurch der Wärmeeintrag von der Heißgasseite schon an seiner Quelle vermindert wird. Zwar ist aus JP- Abstr. 59-4824 an sich bekannte eine Brennkammerwand mit einer Keramikschicht auszukleiden, das Auftragen einer Wärme dämmschicht auf dem Hitzeschutzschild der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung geht daraus aber nicht hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer hochbelasteten, schadstoffarmen dichten Gastur binenbrennkammer dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbinenbrennkammer;

Fig. 2 einen Querschnitt II-II der Brennkammerwand von Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt der Brennkammerwand eines anderen Ausführungsbeispieles.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Kühlluft und des Heißgases ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Teil einer konvektiv gekühlten dichten Gas turbinenbrennkammer 1 dargestellt. Wegen der heutigen hohen Anforderungen an eine nur geringe Schadstoffemission wird der gesamte Massenstrom der Kühlluft A durch die Brenner 2 ge schickt. Als Brenner 2 werden schadstoffarme umweltfreundli che Doppelkegelbrenner verwendet. Die Kühlluft A tritt am Ende der Brennkammer 1 in die Kühlstrecke 3 ein und verläßt diese am Anfang der Brennkammer 1, um anschließend die Bren ner 2 zu passieren.

Fig. 2 zeigt in einem Teilquerschnitt von Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennkammerwandsegment. Es besteht aus einer relativ dicken tragenden Wand 4 zum Auffangen der Drucklasten C, in der entlang der Kühlstrecke 3 Kühlkanäle 5 in Form von langen Löchern eingebettet sind. Die Kühlkanäle 5 befinden sich nahe der Heißgasseite, beispielsweise beträgt in diesem Ausführungsbeispiel der Abstand des Lochrandes zum Flammen raum 2 mm. Auf Grund dieser Anordnung ist dadurch der tragen den Brennkammerwand 4 eine relativ dünne Brennkammerwand 6 vorgelagert, die direkt mit der tragenden Wand 4 verbunden ist, so daß die so gebildete Gesamtstruktur alle Drucklasten C aufnehmen kann. Diese dünne innere Brennkammerwand 6 schützt im Sinne eines Hitzeschutzschildes die tragende Brennkammerwand 4 vor der Strömung des Heißgases B, nimmt die Wärmelast D auf und wird selbst gekühlt, beispielsweise konvektiv.

Bei gegebenen Wärmeströmen fallen nun die Temperaturdifferen zen über dem Hitzeschutzschild 6 gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erheblich geringer aus. Dadurch ist eine Erhöhung des kühlluftseitig treibenden Temperaturgefälles ge währleistet. Als Folge kann der aerodynamische Aufwand zur Kühlung deutlich verringert werden.

Weil die Drucklast C durch die Gesamtstruktur aufgefangen wird, kann das Hitzeschutzschild 6 sehr dünn ausgeführt wer den mit den skizzierten positiven Auswirkungen auf die Kühl leistung.

Da die Form, der Abstand und der Durchmesser der Kühlkanäle 5 in weiten Grenzen variierbar sind, ist auch eine optimale lo kale Anpassung an die spezifische Situation in der Brennkam mer 1 möglich.

Die Herstellung einer solchen Kühlungsvorrichtung kann auf schweiß- und/oder gießtechnischem Wege erfolgen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die tragende Brennkammerwand 4 im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kälter ist und daher hohe Festigkeitswerte aufweist.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Brennkammersegment weist an der inneren Brennkammer wand 6, die wiederum als Hitzeschutzschild dient, Längsrippen 7 entlang der Kühlstrecke 3 auf. Die Längsrippen 7 werden oben von der Tragstruktur, d. h. der tragenden Wand 4, abge schlossen. Dadurch bilden sich einzelne voneinander getrennte Kühlkanäle 5, durch die die Kühlluft A strömt. Auch mit die ser Kühlkonfiguration werden die o.g. Vorteile erreicht.

Die Kühlleistung ist ebenso über Form, Abstand und Durchmes ser der Kanäle, also auch über die Rippenform optimierbar. Zusätzlich können noch Rauhigkeitselemente in beiden Ausfüh rungsbeispielen eingesetzt werden.

Bei den in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei spielen ist zusätzlich die der Flamme zugewandte Seite des Hitzeschutzschildes 6 noch mit einer keramischen Wärmedämm schicht 8 versehen. Das führt zu einer Verminderung des Wär meeintrages schon an seiner Quelle.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kühltechnik be steht darin, daß Dehnungen auf Grund thermischer Spannungen zwar insgesamt zu einer Verformung der Brennkammerwand führen können, jedoch die Form der Kühlkanäle 5 nicht verändert und dadurch die Kühlwirkung konstant gehalten wird. Durch eine derart robuste Konstruktion wird eine "Selbstmord"-Schaltung der Kühlung, die auf thermische Dehnungen mit verschlechterter Kühlwirkung wegen einer veränderten Kanalgeometrie und damit zu weiterer Überhitzung mit vergrößerten Dehnungen reagiert, wirksam unterbunden.

Durch die Entkopplung von Druck- und Wärmelast führt diese Kühltechnik auch bei sehr hohen Wärmeströmen nur zu relativ geringen prozentualen Druckverlusten und damit zu einem ver besserten Gasturbinen-Wirkungsgrad. Andererseits erlaubt sie einen äußerst stabilen Aufbau auch bei den mit dem Verdich terdruck steigenden absoluten Drucklasten.

Neben der verbesserten Kühlwirkung führt der Einsatz der er findungsgemäßen Vorrichtung auch zu einer Reduktion der NOx- Emissionswerte, da die gesamte konvektive Kühlluft durch den Vormischbrenner 2 geleitet wird und somit als Verbrennungsluft dient. Es wird nicht mehr Luft erhitzt, als für die Verbren nung notwendig ist.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Vormisch-Brenner
3 Kühlstrecke
4 tragende, äußere Brennkammerwand
5 Kühlkanal
6 innere Brennkammerwand (Hitzeschutzschild)
7 Längsrippen
8 Wärmedämmschicht
A Kühlluft
B Heißgas
C Drucklast
D Wärmelast

Claims

1. Vorrichtung zur Konvektivkühlung einer hochbelasteten Brennkammer (1) von Gasturbogruppen, welche mit minde stens einem schadstoffarmen Vormischbrenner (2) betrie ben wird und im wesentlichen aus Brennkammeraußen- und Brennkammerinnenwand (4, 6) mit dazwischen befindlicher Kühlstrecke (3) besteht, durch die die Kühlluft entlang strömt, bevor diese durch den Vormisch-Brenner (2) geht, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende äußere Brennkammer wand (4) entlang der Kühlstrecke (3) fest mit dem rela tiv dünnen inneren Hitzeschutzschild (6) verbunden ist unter Bildung von mehreren voneinander getrennten längs gestreckten Kühlkanälen (5), durch die die gesamte Kühl luftströmung zum Vormischbrenner (2) geführt wird und der Vormischbrenner (2) als Doppelkegelbrenner ausge führt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzeschutzschild (6) mit der tragenden Brenn kammerwand (4) über Längsrippen (7) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die der Flamme zugewandte Seite des Hitze schutzschildes (6) mit einer Wärmedämmschicht (8) ver sehen ist.