DE4432558A1

DE4432558A1 - Gas turbine combustion chamber with upper heat shield

Info

Publication number: DE4432558A1
Application number: DE19944432558
Authority: DE
Inventors: Achim Schmid
Original assignee: BMW Rolls Royce GmbH
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-14

Abstract

The turbine has a deflecting grid (8) which deflects the incoming air by a large enough angle to ensure that the air (8) forms a cooling film where it lies on the hot surface (4a) of the heat shield (4). The preferred angle ( ALPHA ) lies between 60 and 90 deg. and the annular grid (9) is arranged between a guide ring (10) bearing on the burner head (1) and a holding ring (11) which reaches into the gap (6) between the heat shield and the front plate (2) of the combustion chamber. The gap (6) containing the ring (11) should exceed this (11) radially and be slightly larger than the ring (11). In the transition area between the ring sector (11b) taking the grid (9) and the ring sector (11a) reaching into the gap (6), the ring (11) is radiused to greater curvature. The deflecting grid (9) in addition imparts the air (8) a deflecting swirling movement round the burner axis (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Brennkammer mit zumindest einem im Kopfbereich angeordneten Hitzeschild sowie mit zumindest einem Brenner, der von einem Drall gitter umgeben ist, das einen über einen Durchbruch im Hitzeschild in die Brennkammer gelangenden Luftstrom ge genüber der Brennerachse umlenkt.The invention relates to a gas turbine combustion chamber at least one heat shield arranged in the head area as well as with at least one burner from a swirl is surrounded by a grille that has a breakthrough in the Heat shield entering the combustion chamber ge airflow deflected relative to the burner axis.

Eine derartige Brenn kammer ist aus der WO 92/21919 bekannt. Bei diesem be kannten Stand der Technik dient das Drallgitter dazu, dem aus dem Brenner austretenden Luft-Kraftstoff-Strom wei tere Luft beizumengen; es handelt sich bei diesem bekann ten Stand der Technik somit um eine Luftzerstäuberdüse mit insgesamt drei Dralleinsätzen. Dabei liegt der Um lenkwinkel des inneren Drallgitters üblicherweise in einem Bereich von 35° bis 50° und derjenige des äußeren Drallgitters in einem Bereich zwischen 15° und 30°. Mit diesen üblichen, dem Fachmann bekannten Umlenkwinkeln, die zwischen der Strahlungsrichtung des Luftstromes sowie der Brennerachse gemessen werden, überkreuzen sich die einzelnen Luftströme, die über die einzelnen Drallein sätze in die Brennkammer gelangen. Im Hinblick auf eine optimale Gemischverwirbelung ist dieses Überkreuzen er wünscht. Such a focal chamber is known from WO 92/21919. With this be Known prior art, the swirl grid is used to air-fuel flow emerging from the burner white add more air; this is known state of the art around an air atomizing nozzle with a total of three swirl inserts. Here is the order steering angle of the inner swirl grille usually in a range of 35 ° to 50 ° and that of the outer Swirl grids in a range between 15 ° and 30 °. With these usual deflection angles known to the person skilled in the art, the between the radiation direction of the air flow as well the burner axis are measured, the cross individual air flows over the individual swirl get into the combustion chamber. With a view to this mixture is optimal for mixing the mixture wishes.

Das im Kopfbereich der Brennkammer angeordnete Hitzeschild, das u. a. die Brennkammer-Frontplatte vor der unmittelbaren Einwirkung der heißen Brennergase schützt, muß seinerseits gekühlt werden. Beim bekannten Stand der Technik nach der WO 92/21919 sind hierfür im Hitzeschild eine Vielzahl von Luftdurchtrittsbohrungen vorgesehen, durch die relativ kühle Luft von der kalten Seite des Hitzeschildes auf die heiße Seite des Hitzeschildes übertreten kann und auf dieser heißen Ober fläche des Hitzeschildes einen Kühlluftfilm bildet. Diese sog. Effusionslöcher im Hitzeschild stellen dabei eine Möglichkeit dar, dieses Hitzeschild zu kühlen, jedoch ist damit eine besonders intensive Kühlung insbesondere im Bereich nahe des Durchbruches, der im übrigen auch den Brenner bzw. Brennerkopf zum Brennraum hin freistellt, nicht möglich.The one arranged in the head area of the combustion chamber Heat shield that u. a. the combustion chamber front panel the direct influence of the hot burner gases protects, must in turn be cooled. With the known State of the art according to WO 92/21919 are in the Heat shield a variety of air passage holes provided by the relatively cool air from the cold Side of the heat shield on the hot side of the Heat shield can break and on this hot waiter surface of the heat shield forms a cooling air film. These So-called effusion holes in the heat shield provide one Possibility to cool this heat shield, however thus a particularly intensive cooling especially in Area near the breakthrough, which incidentally also the The burner or burner head is exposed to the combustion chamber, not possible.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, weitere Maßnahmen zur Kühlung des Hitzeschildes aufzuzeigen, insbesondere zur intensiven Kühlung des durchbruchnahen Bereiches.The object of the invention is therefore to take further measures To show cooling of the heat shield, especially for intensive cooling of the area close to the breakthrough.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß das Drall gitter den hindurchtretenden Luftstrom um einen derart großen Winkel umlenkt, daß sich dieser Luftstrom im we sentlichen als Kühlluftfilm auf die heiße Oberfläche des Hitzeschildes legt. Bevorzugt liegt der Umlenkwinkel im Bereich zwischen 60° und 90°. Vorteilhafte Aus- und Wei terbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.To solve this problem it is provided that the swirl grid the air flow passing through such a deflects a large angle that this air flow in the we sent as a cooling air film on the hot surface of the Heat shield attaches. The deflection angle is preferably in Range between 60 ° and 90 °. Advantageous ID and white Further training is the content of the subclaims.

Wenn der Kühlluftfilm vom Durchbruch im Hitzeschild auf dessen heiße Oberfläche gelegt wird, so ist zum einen eine intensive Kühlung des dem Durchbruch nahen, höchst beanspruchten Bereiches gewährleistet. Zum anderen wird diese optimale Kühlung durch einen sich auf der Oberflä che des Hitzeschildes anliegenden Kühlluftfilm durch re lative Verschiebungen zwischen dem Brenner sowie dem Hit zeschild nicht beeinträchtigt, da die Position des den Kühlluftfilm erzeugenden Drallgitters durch den Brenner selbst bestimmt wird. In einer bevorzugten Ausführungs form ist hierzu das ringförmige Drallgitter zwischen einem am Brennerkopf anliegenden Führungsring und einem Haltering angeordnet. Letzterer ragt bevorzugt in einen sich in radialer Richtung erstreckenden Spalt zwischen dem Hitzeschild und der Brennkammer-Frontplatte hinein, wobei dieser Spalt geringfügig größer bemessen sein kann als der Haltering selbst. Auf diese Weise ist eine opti male Abdichtung sichergestellt, jedoch sind weiterhin Re lativbewegungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem Haltering sowie dem Hitzeschild bzw. der Brennkammer-Frontplatte möglich.When the cooling air film from the breakthrough in the heat shield whose hot surface is laid, on the one hand an intensive cooling of the breakthrough, most guaranteed area. On the other hand this optimal cooling through a surface che of the heat shield applied cooling air film by re relative shifts between the burner and the hit zeschild is not affected as the position of the Swirl grid generating cooling air film through the burner itself is determined. In a preferred embodiment form is the ring-shaped swirl grid between a guide ring on the burner head and one Retaining ring arranged. The latter preferably projects into one radially extending gap between the heat shield and the combustion chamber front panel, this gap can be dimensioned slightly larger than the retaining ring itself. In this way, an opti Male sealing ensured, but are still Re relative movements due to different thermal expansions between the retaining ring and the heat shield or the Combustion chamber front panel possible.

Optimal ermöglicht wird es dem durch das Drallgitter ge führten Luftstrom, sich als Kühlluftfilm auf der heißen Oberfläche des Hitzeschildes niederzulegen, wenn der Hal tering im Übergangsbereich zwischen dem das Drallgitter aufnehmenden Abschnitt sowie dem in den Spalt hineinra genden Abschnitt gerundet ausgebildet ist, und zwar mit einem relativ großen Krümmungsradius, der an die jeweili gen Strömungsverhältnisse in idealer Weise angepaßt sein kann. Dabei können die sich einstellenden Strömungsver hältnisse relativ komplex sein, weil das Drallgitter die hindurchtretende Luftströmung nicht nur gegenüber der Achse des Brenners umlenkt, sondern diesem Luftstrom zu sätzlich auch noch einen um die Brennerachse orientierten Wirbel aufprägen kann. Ist dieser Wirbel dabei gleichge richtet mit demjenigen Wirbel, den der Brenner der Ver brennungsluft aufprägt, so kann sich abermals ein optimal an die heiße Oberfläche des Hitzeschildes anlegender Kühlluftfilm bilden.This is optimally made possible by the swirl grille led airflow to act as a cooling air film on the hot Lay down the surface of the heat shield when the hal tering in the transition area between which the swirl grille receiving portion as well as into the gap section is rounded, with a relatively large radius of curvature that corresponds to the respective be adapted to flow conditions in an ideal manner can. In this case, the arising flow ver Ratios can be relatively complex because the swirl grid passing air flow not only compared to the Redirects the axis of the burner, but to this air flow additionally also one oriented around the burner axis Can impress vertebrae. Is this vortex equal? aligns with the vortex that the burner of the Ver combustion air impresses, so it can be optimal again to the hot surface of the heat shield Form cooling air film.

Die begefügten Prinzipskizzen eines bevorzugten Ausfüh rungsbeispieles dienen der näheren Erläuterung der Erfin dung. The attached principle sketches of a preferred embodiment Example serve to explain the invention in more detail dung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Brenner einer Gasturbinen-Brennkammer, Fig. 1 shows a section through a burner of a gas turbine combustor,

Fig. 2 die Ansicht X aus Fig. 1 sowie Fig. 2 shows the view X of Fig. 1 and

Fig. 3 den Schnitt A-A aus Fig. 2. Fig. 3 shows the section AA in FIG. 2.

Mit der Bezugsziffer 1 ist der Brenner bzw. Brenner-Kopf einer nicht näher dargestellten Ring-Brennkammer einer Gasturbine bezeichnet, deren Kopfbereich durch eine Brennkammer-Frontplatte 2 begrenzt ist. Gegenüber der Brennkammer 3 ist die Frontplatte 2 durch ein ebenfalls nur bruchstückhaft dargestelltes Hitzeschild 4 geschützt, das mit Ausnahme weniger Auflagestellen 5 um einen Spalt 6 von der Frontplatte 2 beabstandet ist.The reference number 1 designates the burner or burner head of an annular combustion chamber (not shown in more detail) of a gas turbine, the head region of which is delimited by a combustion chamber front plate 2 . Compared to the combustion chamber 3 , the front plate 2 is protected by a heat shield 4 which is also only shown in fragments and which, apart from a few support points 5, is spaced apart from the front plate 2 by a gap 6 .

Nicht nur die Frontplatte 2, sondern auch das Hitzeschild 4 weisen einen Durchbruch 7 auf, über den der Brenner 1 in die Brennkammer 3 hineinragen kann. Über diesen Durch bruch 7 kann aber auch noch ein weiterer Luftstrom 8 in Richtung der Brennkammer 3 gelangen, und zwar über ein ringförmiges Drallgitter 9. Dieses Drallgitter 9 ist zwischen einem am Brenner/Brenner-Kopf 1 anliegenden Führungsring 10 sowie einem Haltering 11 angeordnet.Not only the front plate 2 , but also the heat shield 4 have an opening 7 through which the burner 1 can protrude into the combustion chamber 3 . Via this breakthrough 7 , however, a further air stream 8 can also get in the direction of the combustion chamber 3 , specifically via an annular swirl grille 9 . This swirl grate 9 is disposed between a fitting on the burner / combustor head 1 guide ring 10 and a retaining ring. 11

Letzterer ragt mit seinem dem Drallgitter 9 abgewandten Abschnitt 11a in den Spalt 6 zwischen der Frontplatte 2 sowie dem Hitzeschild 4 hinein.The latter protrudes with its section 11 a facing away from the swirl grid 9 into the gap 6 between the front plate 2 and the heat shield 4 .

Das Drallgitter 9 lenkt den Luftstrom 8 wie dargestellt gegenüber der Brennerachse 12 tangential um. Der Umlenk- Winkel α ist direkt aus Fig. 3 ersichtlich und liegt im Bereich zwischen 60° und 90°. Er ist damit so groß bemes sen, daß sich dieser Luftstrom 8 nach Durchtritt durch das Drallgitter 9 als Kühlluftfilm auf die heiße Oberflä che 4a des Hitzeschildes 4 niederlegen kann. Dieser Um lenkung förderlich ist die gezeigte Gestaltung des Halte ringes 11, da dieser Haltering 11 im Übergangsbereich zwischen dem das Drallgitter 9 aufnehmenden Abschnitt 11b sowie dem Abschnitt 11a unter einem großen Krümmungsra dius gerundet ausgebildet ist. Dabei legt sich stets der durch den Luftstrom 8 erzeugte Kühlluftfilm optimal auf die heiße Oberfläche 4a des Hitzeschildes 4 an, auch wenn der Brenner 1 gegenüber dem Hitzeschild in Richtung der Brennerachse 12 verschoben wird. Da der Haltering 11 mit seinem Abschnitt 11a in den Spalt 6 hineinragt und dieser sich in radialer Richtung erstreckende Spalt 6 geringfü gig größer bemessen ist als die Dicke des Halteringes 11, kann der Brenner 1 aber auch in radialer Richtung gering fügig gegenüber dem Hitzeschild wandern, ohne daß hier durch der Kühlluftfilm auf der heißen Oberfläche 4a be einträchtigt wird. Die relative Positionierung des Kühl luftfilmes sowie der Brennerströmung, d. h. der Strömung des aus dem Brenner 1 austretenden Luft-Kraftstoff-Gemi sches bleibt somit unter allen Umständen exakt eingehal ten.The swirl grille 9 deflects the air flow 8 tangentially with respect to the burner axis 12 as shown. The deflection angle α can be seen directly from FIG. 3 and is in the range between 60 ° and 90 °. It is thus so large bemes sen that this air flow 8 after passing through the swirl lattice 9 che as a cooling air film onto the hot Oberflä 4 may be a heat shield 4 resign. To this steering conducive to the design shown is the retaining ring 11, since this retaining ring 11, the swirl lattice 9-receiving portion 11b and the portion 11 is formed a rounded under a large Krümmungsra dius in the transition region between the. The cooling air film produced by the air flow 8 always lies optimally on the hot surface 4 a of the heat shield 4 , even when the burner 1 is displaced in the direction of the burner axis 12 relative to the heat shield. Since the retaining ring 11 protrudes with its portion 11 a in the gap 6 and that extending in the radial direction gap is geringfü dimensioned gig greater than 6 than the thickness of the retaining ring 11, the burner 1 can, however, grow slightly in the radial direction relative to the heat shield wander without being affected by the cooling air film on the hot surface 4 a. The relative positioning of the cooling air film and the burner flow, ie the flow of the air-fuel mixture emerging from the burner 1 , thus remains exactly adhered to in all circumstances.

Claims

1. Gas turbine combustion chamber with at least one heat shield ( 4 ) arranged in the head area and with at least one burner ( 1 ) which is surrounded by a swirl grille ( 9 ) which has an opening ( 7 ) in the heat shield ( 4 ) the combustion chamber ( 3 ) deflects the air flow ( 8 ) relative to the burner axis ( 12 ), characterized in that the swirl grille ( 9 ) deflects the air flow ( 8 ) passing through it by such a large angle (α) that this air flow ( 8 ) essentially as a cooling air film on the hot surface ( 4 a) of the heat shield ( 4 ).

2. combustion chamber according to claim 1, characterized in that the deflection angle (α) in Range is between 60 ° and 90 °.

3. Combustion chamber according to claim 1 or 2, characterized in that the annular swirl grille ( 9 ) between an on the burner head ( 1 ) lying guide ring ( 10 ) and a retaining ring ( 11 ) is arranged, which in a gap ( 6 ) protrudes between the heat shield ( 4 ) and the combustion chamber front plate ( 2 ).

4. Combustion chamber according to claim 3, characterized in that the retaining ring ( 11 ) receiving gap ( 6 ) in the radial direction he stretches and is dimensioned slightly larger than the retaining ring ( 11 ).

5. Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the retaining ring ( 11 ) in the transition region between the swirl grid ( 9 ) receiving section ( 11 b) and the section ( 11 a) projecting into the gap ( 6 ) under one large radius of curvature is rounded.

6. Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the swirl grid ( 9 ) additionally impresses the air flow ( 8 ) with a vortex oriented around the burner axis ( 12 ).