DE60122954T2

DE60122954T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung der Wärmebelastungen einer Brennkammerwand

Info

Publication number: DE60122954T2
Application number: DE60122954T
Authority: DE
Inventors: Timothy Patrick Swampscott McCaffrey; Joseph Douglas Boxford Monty; Frank Anthony Andover Lastrina; David Edward Peabody Hrencecin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: US6438958B1; CA2337311A1; EP1132686A1; BR0100759A; US20020178728A1; EP1132686B1; DE60122954D1; BR0100759B1; JP2001248839A; US6519850B2; CA2337311C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Turbinentriebwerke und insbesondere schlitzgekühlte Ringbrennkammern für Turbinentriebwerke.
Ein Turbinentriebwerk enthält einen Verdichter zum Komprimieren von Luft, welche mit einem Brennstoff gemischt und einer Brennkammer zugeführt wird, wo das Gemisch zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase entzündet wird. Die Verbrennungsgase werden einer Turbine zugeführt, welche Energie aus den Verbrennungsgasen entzieht, um den Verdichter anzutreiben, sowie Nutzarbeit zu erzeugen, um ein Flugzeug im Flug anzutreiben, oder eine Last, wie z.B. eine elektrischen Generator, anzutreiben. Ein erhöhter Wirkungsgrad in Gasturbinentriebwerken wird wenigstens teilweise durch eine Steigerung der Betriebstemperatur der Brennkammer erreicht. Eine Begrenzung der Brennkammerbetriebstemperatur ist eine Temperaturbegrenzung des Brennkammereinsatzmaterials.
Zum Kühlen eines Brennkammereinsatzes kann Dünnfilmkonvektionskühlung genutzt werden. Bei einer derartigen Kühlung strömt eine schützende Filmgrenzschicht aus Kühlluft an einer Innenoberfläche des Einsatzes entlang. Die entlang der Innenoberfläche des Brennkammereinsatzes strömende Kühlluft bildet eine schützende Grenzschicht zwischen dem Einsatz und den heißen Gasen aus und isoliert den Einsatz vor den heißen Verbrennungsgasen. Siehe beispielsweise US Patent Nr. 4,259,842. Selbst mit einer derartigen Kühlung absorbieren jedoch die Einsatzmaterialien Wärme. Mit der Zeit nehmen thermisches Kriechen und niederzyklische Ermüdung in dem Einsatz zu.
Ebenfalls kann eine Wärmebarrierenbeschichtung auf die Innenoberflächen des Brennkammereinsatzes aufgebracht werden, um eine Wärmeisolation gegen Verbrennungsgase zu schaffen. Die Wärmebarrierenbeschichtungen reduzieren die erforderliche Kühlluftmenge für eine vorgegebene Verbrennungsgastemperatur oder ermöglichen eine Erhöhung der Verbrennungsgastemperatur zur Erhöhung des Triebwerkwirkungsgrades. Siehe beispielsweise US Patent Nr. 5,960,632. Typischerweise wird die Wärmebarrierenbeschichtung gleichmäßig über den Brennkammereinsatz mit einer Dicke von 0,254 mm (0,01 inches) oder weniger aufgebracht. Eine derartige gleichmäßige Dicke verhindert einen unerwünschten Aufbau der Wärmebeschichtung, so dass er möglicherweise die Strömung von Kühlluft behindert. Jedoch absorbieren die Brennkammereinsatzmaterialien immer noch Wärme und somit sind die Brennkammeranordnungen immer noch Kriechen und niederzyklische Ermüdung umfassenden thermischen Beanspruchungen unterworfen.
EP-A-0 136 071 offenbart eine Brennkammer einer Verbrennungsturbine, die eine isolierende Keramikbeschichtung mit sich verjüngender Dicke auf der Innenseite einer metallischen Brennkammer bereitstellt.
US 4,655,044 offenbart ein Gasturbinentriebwerk, in welchem jede Platte eines Lamelleneinsatzes der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks mit einer keramischen Zusammensetzung auf der an die Verbrennungszone angrenzenden Oberfläche mit einem verjüngten Ende an der Lippe des Kühlluftfilm-Erzeugungsmechanismus beschichtet ist.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält eine Brennkammer einen Brennkammereinsatz mit einem Wärmebarrierenmaterial, das eine zur Minimierung der Wärmeabsorption gewählte Dicke aufweist. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Brennkammer eine Verbrennungszone, die durch ringförmige äußere und innere Unterstützungselemente und entsprechende innere und äußere Einsätze ausgebildet wird. Die inneren und äußeren Einsätze enthalten jeweils eine Reihe von Platten und mehrere Kühlschlitze. Die Platten sind in Stufen in Bezug zueinander angeordnet und bilden eine stufenförmige Brennkammereinsatzoberfläche. Die mehreren Kühlschlitze werden durch überhängende Abschnitte der inneren und äußeren Einsatzplatten ausgebildet. Wenigstens ein Abschnitt des Brennkammereinsatzes weist ein Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke größer als 0,254 mm (0,01 inches) auf. In der exemplarischen Ausführungsform weisen wenigstens die äußeren und inneren Einsatzplatten angrenzend an den Einlass der Brennkammer ein Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke größer als 0, 254 mm (0,01 inches) auf.
Als eine Folge der zusätzlichen Dicke des wenigstens auf einen Abschnitt des Brennkammereinsatzes aufgebrachten Wärmebarrierenmaterials absorbiert das Brennkammereinsatzmaterial weniger Wärme, und daher kann bei den derzeitigen Betriebstemperaturen die Brennkammer bei höheren Temperaturen betrieben werden. Da die Betriebstemperatur reduziert wird, wird die niederzyklische Ermüdung innerhalb der Brennkammer ebenfalls reduziert, was wiederum einen Betriebslebensdauerzyklus der Brennkammeranordnung verlängert.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks ist;
2 eine Teilquerschnittsansicht einer Brennkammeranordnung ist, die bei dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk verwendet wird; und
3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der in 2 dargestellten Brennkammeranordnung entlang des Bereiches 2 ist.
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10, das einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 14 und eine Brennkammeranordnung 16 enthält. Das Triebwerk 10 enthält auch eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20. Der Verdichter 12 und die Turbine 20 sind über eine erste Welle 24 verbunden, und der Verdichter 14 und die Turbine 18 sind über eine zweite Welle 26 verbunden. In einer Ausführungsform ist das Triebwerk 10 ein CF34-3A/-3B Triebwerk, das von General Electric Aircraft Engines, Cincinatti, Ohio zu beziehen ist.
Im Betrieb strömt Luft durch den Niederdruckverdichter 12 aus einer Einlassseite 28 des Triebwerks 10 und komprimierte Luft wird aus dem Niederdruckverdichter 12 dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt. Komprimierte Luft wird dann der Brennkammeranordnung 16 zugeführt, wo sie mit Brennstoff gemischt und gezündet wird. Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer 16 zu Antriebsturbinen 18 und 20 geführt.
2 ist eine Teilquerschnittsansicht der Brennkammeranordnung 16, die eine Brennkammer 30 und eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 32 enthält. 3 ist eine vergrößerte An sicht eines Abschnittes der Brennkammeranordnung 16. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 32 ist an einem Einlass 34 der Brennkammeranordnung 16 befestigt und spritzt zerstäubten Brennstoff in eine Verbrennungszone 36 der Brennkammer 30 ein, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch auszubilden. Eine (nicht dargestellte(s)) Zündvorrichtung oder Querzündungsrohr entzündet das Luft/Brennstoff-Gemisch stromab von der Brennstoffeinspritzeinrichtung 32, und Verbrennungsgase verlassen die Brennkammeranordnung 16 durch eine Auslassturbine 38, welche die Hochenergie-Verbrennungsgase einer Reihe (nicht dargestellter) Turbinenlauf schaufeln zuführt. Die Verbren nungsgase drehen ein (nicht dargestelltes) Turbinenrad, das Rotationsenergie an einen (nicht dargestellten) Verdichter liefert, eine Last antreibt, und/oder in Schub umgewandelt wird.
Die Verbrennungszone 36 wird von ringförmigen, radial äußeren und radial inneren (nicht dargestellten) Unterstützungselementen und einem Brennkammereinsatz 40 ausgebildet. Der Brennkammereinsatz 40 schirmt die äußeren und inneren Unterstützungselemente vor der in der Verbrennungszone 36 erzeugten Hitze ab und umfasst einen äußeren Einsatz 50 und einen inneren Einsatz 52. Der äußere Einsatz 50 und der innere Einsatz 52 sind ringförmig und sind miteinander verbunden, um die Verbrennungszone 36 zu definieren. Die Verbrennungszone 36 erstreckt sich von dem Brennkammereinlats 34 zu der Auslassturbinendüse 38. Die äußeren und inneren Einsätze 50 und 52 enthalten jeweils mehrere Platten 54, welche jeweils eine Reihe von Stufen 56 enthalten, wovon jede einen bestimmten Abschnitt des Brennkammereinsatzes 40 ausbildet.
Die Platten 54 sind der Reihe nach verbunden. Der äußere Einsatz 50 und der innere Einsatz 52 enthalten jeweils eine Haube 60 bzw. 62 und eine erste Platte 64 bzw. 66. Die innere Haube 60 und die äußere Haube 62 sind angrenzend an den Brennkammereinlass 34 angeordnet und erstrecken sich von dem Brennkammereinlass 34 zu den ersten Platten 64 bzw. 66. Die ersten Platten 64 und 66 sind stromab von den Hauben 60 bzw. 62 in Reihe verbunden, und sind jeweils zwischen den Hauben 60 bzw. 62 und äußeren und inneren Einsatzplatten 54 verbunden. In einer Ausführungsform enthält der äußere Einsatz 50 und der innere Einsatz 52 jeweils neun Platten 54.
Jede Brennkammerplatte 54 enthält eine Brennkammereinsatzoberfläche 70, eine äußere Oberfläche 72 und einen überhängenden Abschnitt 74. Die Brennkammereinsatzoberfläche 70 erstreckt sich von dem Brennkammereinlass 34 zu der Auslassturbinendüse 38. Die Brennkammereinsatzoberfläche 70 und die äußere Oberfläche 72 sind miteinander an einen Überhangabschnitt 74 verbunden und bilden eine nach hinten weisende Kante 76. Mehrere Luftkühlungsschlitze 78 trennen benachbarte Brennkammerplatten 54.
Die Luftkühlungsschlitze 78 enthalten Öffnungen 80 zur Aufnahme von Luft aus einem (nicht dargestellten) Luftsammelraum und bilden eine dünne Schutzgrenzschicht aus Luft zwischen den Hochtemperaturverbrennungsgasen und der Brennkammereinsatzoberfläche 70, und erzeugen auch eine konvektive Kühlung des Brennkammereinsatzes 40. Die Luft strömt aus Öffnungen 80 durch Schlitze 78, die zwischen der Brennkammereinsatzoberfläche 70 und einer unteren Oberfläche 82 der Brennkammereinsatz-Überhangabschnitte 74 ausgebildet sind.
Eine Schicht 90 aus Wärmebarrierenmaterial ist auf die Brennkammereinsatzoberfläche 70 aufgebracht und erstreckt sich vom Überhangabschnitt 74 zum Überhangabschnitt 74 jeder Stufe 54. Das Wärmebarrierenmaterial isoliert weiter die Brennkammereinsatzoberfläche 70 vor den Hochtemperaturverbrennungsgasen. In einer exemplarischen Ausführungsform ist das Wärmebarrierenmaterial im Handel von Englehart Industries Wilmington, Massachusetts beziehbar. Das Wärmebarrierenmaterial ist auf die Brennkammereinsatzoberfläche 70 über jeder zwischen dem Brennkammereinlass 34 und der Brennkammerauslassturbinendüse 38 angeordneten Brennkammerplatte 54 aufgebracht. Das Wärmebarrierenmaterial wird so aufgebracht, dass eine Schicht 90 eine Dicke T₁ größer als 0,254 mm (0,01 inches) aufweist, die sich wenigstens über einen Abschnitt 96 der Brennkammereinsatzoberfläche 70 erstreckt. In einer Ausführungsform enthält der Abschnitt 96 nur die erste Platte 64 des äußeren Einsatzes und die erste Platte 66 des inneren Einsatzes und alle restlichen Platten 54 weisen eine Schicht 90 mit einem Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke von T₂ von 0,254 mm (0,01 inches) oder weniger auf. In einer weiteren Ausführungsform enthält der Abschnitt 96 erste Platten 64 und 66 des äußeren und inneren Einsatzes und wenigstens eine weitere Platte 54 des äußere Einsatzes und eine Platte 54 des innere Einsatzes und alle restlichen Platten 54 weisen ein Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke T₂ von 0,254 mm (0,01 inches) oder weniger auf. In einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmebarrierenmaterial der Brennkammereinsatzoberfläche 70 so aufgebracht, dass die Schicht 90 sich über alle Brennkammerplatten 54 zwischen dem Brennkammereinlass 34 und der Brennkammerauslass-Turbinendüse 38 erstreckt und eine Dicke T₁ größer als 0,254 mm (0,01 inches) aufweist.
Die Dicke T₁ wird von der Brennkammereinsatzoberfläche 70 zu einer Oberseite 98 der Schicht 90 gemessen. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Schicht 90 über den Abschnitt 96 und besitzt eine Dicke T₁ von angenähert der doppelten Dicke T₂ des Wärmebarrierenmaterials, das sich über die nicht im Abschnitt 96 befindlichen Platten 54 erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform liegt die Dicke T₁ des Wärmebarrierenmaterials zwischen 5,08 und 8,69 mm (0,20 und 0,35 inches) und die Dicke T₂ ist 0,254 mm (0,01 inches) oder weniger. In einer weiteren Ausführungsform ist die Dicke T₁ des Wärmebarrierenmaterials angenähert 5,08 mm (0,20 inches).
Während des Betriebs wird, sobald zerstäubter Brennstoff in die Brennkammerzone 36 eingespritzt und entzündet wird, Wärme innerhalb der Zone 36 erzeugt. Luft tritt in die Verbrennungszone 36 durch die Kühlschlitze 78 ein und bildet eine dünne schützende Grenzschicht aus Luft entlang der Einsatzoberfläche 70 der Brennkammer. Die inneren und äußeren Einsätze 52 und 50 der Brennkammer schirmen die Gasturbine 10 vor der in der Verbrennungszone 36 erzeugten Wärme ab. Da der Abschnitt 96 ein Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke T₁ aufweist, wird weniger Wärme in die Platten 54 innerhalb des Brennkammerabschnittes 96 absorbiert und eine Betriebstemperatur der Brennkammer 30 abgesenkt, und somit der Grad thermischer Beanspruchungen innerhalb der Brennkammeranordnung 16 verringert.
Die vorstehend beschriebene Brennkammeranordnung ist kosteneffektiv und hoch zuverlässig. Die Brennkammeranordnung enthält ein Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke größer als 0,254 mm (0,01 inches), das wenigstens einen Abschnitt des Brennkammereinsatzes überdeckt. Demzufolge absorbiert der Brennkammereinsatz weniger Wärme, und daher kann die Brennkammer bei höheren Temperaturen betrieben werden. Da die Betriebstemperatur reduziert ist, wird die niederzyklische Ermüdung innerhalb der Brennkammer reduziert, was wiederum ei nen Betriebslebensdauerzyklus für die Brennkammeranordnung verlängert.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennkammer (30) für ein Turbinentriebwerk (10), wobei die Brennkammer eine Verbrennungszone (36) aufweist, die durch ringförmige radial äußere und radial innere Unterstützungselemente und entsprechende innere und äußere Einsätze (52 und 50) gebildet wird, die inneren und äußeren Einsätze jeweils eine Reihe von Platten (54) und mehrere Kühlschlitze (78) enthalten, die Kühlschlitze durch überhängende Abschnitte (74) von Platten der inneren und äußeren Einsätze gebildet werden; die Reihe der Platten voneinander durch die Kühlschlitze getrennt und in Stufen in Bezug zueinander Platten angeordnet sind, und das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Aufbringen von Wärmebarrierenmaterial auf die Platten des inneren Einsatzes so, dass wenigstens eine Platte des inneren Einsatzes Wärmebarrierenmaterial mit einer größeren Dicke (T₁) als 0,254 mm (0,01 Inches) hat, so dass eine stromauf liegende Kante der auf jede Platte aufgebrachten Wärmebarriere stromab von einem überhängenden Abschnitt einer benachbarten stromauf liegenden Platte liegt; und Aufbringen von Wärmebarrierenmaterial auf die Platten des äußeren Einsatzes so, dass wenigstens eine Platte des äußeren Einsatzes ein Barrierenmaterial mit einer Dicke größeren (T₁) als 0,254 mm (0,01 Inches) hat, so dass eine stromauf liegende Kante der auf jede Platte aufge brachten Wärmebarriere stromab von einem überhängenden Abschnitt einer benachbarten stromauf liegenden Platte liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der innere Einsatz (52) eine Haube (60) angrenzend an eine Einlassseite (34) der Brennkammer (30) und eine in der Reihe stromab von der Haube verbundene erste Platte (64) enthält, der äußere Einsatz (50) eine an eine Einlassseite der Brennkammer angrenzende erste Platte (66) und eine in der Reihe stromab von der ersten Platte verbundene zweite Platte enthält, der Schritt der Aufbringung von Wärmebarrierenmaterial auf die Platten des inneren Einsatzes ferner den Schritt der Aufbringung von Wärmebarrierenmaterial auf die Platten des inneren Einsatzes in der Weise aufweist, dass die erste Platte des inneren Einsatzes Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke (T₁) größer als 0,254 mm (0,01 Inches) empfängt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Aufbringung von Wärmebarrierenmaterial auf die Platten (54) des inneren Einsatzes ferner den Schritt der Aufbringung von Wärmebarrierenmaterial auf die Platten des inneren Einsatzes in der Weise umfasst, dass wenigstens eine Platte des inneren Einsatzes ein Barrierenmaterial mit einer Dicke (T₁) empfängt, die wenigstens das Doppelte des wenigstens eine andere Platte des inneren Einsatzes abdeckenden Wärmebarrierenmaterials ist.
Einsatz (40) mit einer Reihe von in Stufen in Bezug zueinander angeordneten Platten (54), wobei die Platten durch eine Reihe von Kühlschlitzen (78) getrennt sind, die durch überhängende Abschnitte (74) der Platten reihe ausgebildet werden, wobei jede Platte eine Einsatzoberfläche (70) und eine Außenoberfläche (72) aufweist, die Platten eine nur auf der Platteneinsatzoberfläche aufgebrachte Schicht eines Wärmebarrierenmaterials besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine von den Platten eine Schicht (90) aus Wärmebarrierenmaterial mit einer größeren Dicke (T₁) als 0,254 mm (0,01 Inches) und in der Weise besitzt, dass eine stromauf liegende Kante des auf jede Platte aufgebrachten Wärmebarrierenmaterials stromab von einem überhängenden Abschnitt einer benachbarten stromauf liegenden Platte liegt.
Einsatz (40) nach Anspruch 4, wobei wenigstens eine Platte (54) eine Schicht aus Wärmebarrierenmaterial mit einer Dicke (T₁) von wenigstens dem Doppelten einer Schicht aus Wärmebarrierenmaterial der restlichen Platten ist.
Einsatz (40) nach Anspruch 4, wobei die Reihe der Platten (54) eine erste Platte (64) und eine zweite Platte aufweist, wobei die erste Platte in der Reihe stromab von der zweiten Platte verbunden ist.
Einsatz (40) nach Anspruch 6, wobei die erste Platte (64) eine Schicht (90) aus Wärmebarrierenmaterial mit einer größeren Dicke (T₁) als 0,254 mm (0,01 Inches) und wenigstens dem Doppeltem der Dicke einer die zweite Platte bedeckenden Schicht aus Wärmebarrierenmaterial aufweist.
Brennkammer (30), aufweisend: einen Einlass (34); einen Auslass; einen radial inneren Einsatz (52), der sich zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt, wobei der innere Einsatz eine Reihe von in Stufen in Bezug zueinander angeordneten Platten (54) aufweist, jede Platte eine Einsatzoberfläche (70) und eine Außenoberfläche (72) aufweist, die Platten des inneren Einsatzes durch eine Reihe von Kühlschlitzen (78) getrennt sind, die durch überhängende Abschnitte (74) der Platten des inneren Einsatzes ausgebildet werden, die Platten des inneren Einsatzes eine Schicht (90) aus Wärmebarrierenmaterial und in der Weise aufweisen, dass eine stromauf liegende Kante der auf jede Platteneinsatzoberfläche aufgebrachten Wärmebarriere stromab von einer Außenoberfläche der benachbarten stromauf liegenden Platte liegt; und einen äußeren Einsatz (50), der sich zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt, wobei der innere Einsatz und der äußere Einsatz verbunden sind, um eine Verbrennungszone (35) auszubilden, der äußere Einsatz eine Reihe von in Stufen in Bezug zueinander angeordneten Platten aufweist, jede Platte eine Einsatzoberfläche (70) und eine Außenoberfläche (72) aufweist, die Platten des inneren Einsatzes durch eine Reihe von Kühlschlitzen getrennt sind, die durch überhängende Abschnitte der Platten des inneren Einsatzes ausgebildet werden, die Platten des äußeren Einsatzes eine Schicht aus Wärmebarrierenmaterial aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine von den Platten des inneren Einsatzes und des äußeren Einsatzes eine nur auf die Platteneinsatzoberfläche aufgebrachte Schicht aus Wärmebarrierenmaterial und mit einer größeren Dicke (T₁) als 0,254 mm (0,01 Inches) besitzt, so dass eine stromauf liegende Kante der auf jede Platteneinsatzoberfläche aufgebrachten Wärmebarriere stromab von einer Außenoberfläche der benachbarten stromauf liegenden Platten liegt.
Brennkammer (30) nach Anspruch 8, wobei die Reihe der Platten (54) des inneren Einsatzes eine erste Platte (64) und eine zweite Platte aufweist, die zweite Platte des inneren Einsatzes in der Reihe stromab von der ersten Platte des inneren Einsatzes verbunden ist, die Reihe der Platten (54) des äußeren Einsatzes eine erste Platte (66) und eine zweite Platte aufweist, die erste Platte des äußeren Einsatzes an den Brennkammereinlass (34) angrenzt, und die zweite Platte des äußeren Einsatzes in der Reihe stromab von der ersten Platte des äußeren Einsatzes verbunden ist.
Brennkammer (30) nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine von der ersten Platte (64) des inneren Einsatzes und der ersten Platte (66) des äußeren Einsatzes eine Schicht aus einem Wärmebarrierenmaterial mit einer größeren Dicke (T₁) als 0,254 mm (0,01 Inches) aufweist.