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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf Gasturbinenbrenner und insbesondere bezieht sie sich auf verbesserte
Brenner und/oder Übergangsstücke zur
Verwendung, wenn eine Filmkühlung
extrem eingeschränkt
oder sogar unmöglich
ist.
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Übliche
Gasturbinenbrenner verwenden Verteilungs- (d. h. nicht vorgemischte)
Flammen, in denen Brennstoff und Luft getrennt in die Brennkammer eintreten.
Der Prozess des Mischens und Verbrennens erzeugt Flammentemperaturen
von über 2149°C (3900°F). Da die
maximale Temperatur, der übliche
Brenner und/oder Übergangsstücke mit
Auskleidungen im allgemeinen widerstehen können, in der Größenordnung
von etwa 816°C
(1500°F)
liegen, müssen
Schritte unternommen werden, um die Auskleidungen der Brenner und/oder Übergangsstücke zu schützen. Dies
ist üblicherweise
durch Filmkühlung
gemacht worden, die beinhaltet, dass die relativ kalte Verdichterluft
in eine die Außenseite
des Brenners umgebende Kammer eingeführt wird. In dieser bekannten
Anordnung strömt
die Luft aus der Kammer durch Lüftungsschlitze
in der Brennerauskleidung und strömt dann als ein Film über die
innere Oberfläche
von der Brennerauskleidung, wodurch die Unversehrtheit der Brennerauskleidung
beibehalten wird.
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Da zweiatomiger Stickstoff bei Temperaturen über etwa
1650°C (etwa
3000°F)
schnell dissoziiert, haben die hohen Temperaturen der Verteilungsverbrennung
relativ große
NOx Emissionen zur Folge. Eine Lösung zum
Verringern von NOx Emissionen hat darin
bestanden, die maximal mögliche
Menge von Verdichterluft mit Brennstoff vorzumischen. Die entstehende
magere vorgemischte Verbrennung erzeugt kältere Flammtemperaturen und
somit weniger NOx Emissionen. Obwohl eine
magere vorgemischte Verbrennung kälter ist als Verteilungsverbrennung, ist
die Flammtemperatur immer noch zu heiß, als dass bekannte übliche Brennerauskleidungen
ihr widerstehen können.
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Da ferner die vorgeschrittenen Brenner
die maximal mögliche
Luftmenge mit dem Brennstoff zur NOx Senkung
vormischen, steht wenig oder gar keine Kühlluft zur Verfügung, wodurch
die Filmkühlung
der Brennerauskleidung unmöglich
gemacht wird. Somit sind Mittel, wie beispielsweise ein thermischer
Trennüberzug
in Verbindung mit einer "Rückseiten"-Kühlung, überlegt
worden, um die Brennerauskleidung vor Zerstörung durch diese große Hitze
zu schützen. Die
Rückseiten-Kühlung beinhaltet,
dass die Verdichterluft über
die äußere Oberfläche der
Brennerauskleidung geleitet wird, bevor die Luft mit dem Brennstoff
vorgemischt wird.
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Magere vorgemischte Verbrennung verringert
NOx Emissionen, indem niedrigere Flammtemperaturen
erzeugt werden. Jedoch haben die niedrigeren Temperaturen, insbesondere
entlang der inneren Oberfläche
oder Wand der Brennerauskleidung, die Tendenz, die Oxidation von
Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu löschen und führen zu
unakzeptablen Emissionen dieser Verbindungen. Um Kohlenmonoxid und
unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, würde eine Auskleidung einen
thermischen Trennüberzug
von extremer Dicke (1,27–2,54
mm bzw. 50–100
mils) erfordern, damit die Oberflächentemperatur hoch genug sein könnte, um
eine vollständige
Verbrennung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen sicherzustellen.
Dies würde
etwa 982–1093°C (1800–2000°F) für Brenner
mit üblichen
Längen
und Strömungsbedingungen
sein. Diese Dicken und Temperaturen sind jedoch jenseits der Leistungsvermögen der
Materialien. Bekannte thermische Trennüberzüge verschlechtern sich in unakzeptabel
kurzen Zeiten bei diesen Temperaturen, und diese dicken Überzüge sind
empfindlich gegenüber
Abblättern.
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Dementsprechend besteht ein Bedürfnis für ein Brenner/Übergangsstück, das
Verbrennungstemperaturen ohne Filmkühlung widerstehen kann und trotzdem
Flammstabilität
beibehält
und Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe verbrennt, wie
beispielsweise fortgeschrittene Kühlkonzepte für emissionsarme
Brenner und Übergangsstücke (insbesondere
NOx Emissionen). Derartige Brenner/Übergangsstücke sollten
Kühlkanäle in dünnwandigen
Strukturen bereitstellen, die gestatten, dass die innere Oberfläche von
dem Brenner/Übergangsstück vernünftige Metalltemperaturen
beibehält.
Eine effiziente Kühlung
aufweisende Brenner/Übergangsstückstrukturen
sollten für
eine Kühlströmungssenkung
von etwa 35 bis etwa 60% sorgen, ohne die Metalltemperatur von der
inneren Oberfläche
des Brenners zu erhöhen.
Derartige Strukturen sollten einen kleinen hydraulischen Durchmesser
aufweisende Axialströmungs-Kühlkanäle verwenden,
die empfindlich gegenüber
Einlassblockade durch Fremdobjekte in der Kühlluftströmung sein können. Wenn ein Kanal blockiert
wird, würde
normalerweise kein Kühlmittel
durch den Kanal strömen,
und der Brenner oder das Übergangsstück könnten versagen
aufgrund der hohen Wandtemperaturen und Temperaturgradienten. Deshalb sollten
derartige Brenner Mittel haben zum Aufnehmen dieser blockierten
Kanäle,
ohne dass das Brenner/Übergangsstück versagt.
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Eine doppelwandige Kühlstruktur
für eine Gasturbine
ist in DE-A-4343392 beschrieben. Kühlkanäle zwischen den zwei Wänden gestatten,
dass verdichtete Kühlluft
die innere Oberfläche
von der inneren Wand kühlen.
US-A-3,724,048 beschreibt in Umfangsrichtung und auch axial verlaufende
Kühlkanäle in einer
doppelwandigen Kühlstruktur.
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Die oben genannten Bedürfnisse
können durch
die vorliegende Erfindung erfüllt
werden, wie sie hier im Anspruch 1 beansprucht ist und die ein verbessertes
Gasturbinenbrenner/Übergangsstück bereitstellt.
Das Brenner/Übergangsstück enthält eine
doppelwandige Struktur, die mehrere Kühlkanäle hat, sowohl axial verlaufende
als auch, in einigen Fällen,
in Umfangsrichtung verlaufende Querströmungskanäle, die zwischen dem inneren
Teil der Struktur und dem äußeren Teil
angeordnet ist, um diesen Kühlluft
zuzuführen,
und die in dem Bereich zwischen dem inneren Teil des Brenners und
seinem äußeren Teil
gebildet sind. Die Kanäle
erstrecken sich vorzugsweise sowohl axial als auch in Umfangsrichtung
in Bezug auf die Richtung der Strömung durch das Brenner/Übergangsstück. Die
axialen Kanäle
erstrecken sich vollständig
von dem einen Ende zum anderen, und die Umfangskanäle erstrecken sich
um den Umfang des Brenners/Übergangsstückes herum.
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Brenner, Übergangsstücke und andere Turbinenstrukturen,
für die
eine Filmkühlung
extrem eingeschränkt
ist oder möglicherweise
keine Option ist, können
mit doppelwandigen Kühlkanälen gefertigt werden,
durch Metallbearbeitung von vorkonsolidierten Einrichtungen, die
eine effektive Nutzung von konvektiven und/oder Prallkühltechniken
gestatten. Zylindrische und konische Ringe und eine komplexere Geometrie
aufweisende Übergangsstücke mit komplexen
inneren Kühlkanälen, die
in Umfangsrichtung verlaufen, können
durch Heißwalzen
einer HIP Vorform, gefolgt von kaltem Ringwalzen, Schweißen und
chemischer Entfernung von Opfermaterialien erzeugt werden, die dazu
verwendet werden, die Kühlkanalplätze während der
Metallverformung beizubehalten.
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Die Hinzufügung eines in Umfangsrichtung verlaufenden
Querströmungskanals,
der axiale Strömungsmittelkanäle in doppelwandigen
Turbinenkomponenten verbindet, kann verhindern, dass das Brenner/Übergangsstückteil versagt
aufgrund einer Axialkanal-Einlassblockierung, ohne die normale,
unblockierte Kühlung
zu beeinträchtigen.
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Doppelwandige Kühlstrukturen können auch unter
Verwendung von zwei unverbundenen Teilen konstruiert werden. Das
innere Teil wird zum Formen von Kühlkanälen bearbeitet. Eine unterschiedliche thermische
Expansion (Expansion des Außendurchmessers
von der heißen
Innenwand, bis ein Kontakt mit dem Innendurchmesser von der kälteren Außenwand
hergestellt ist) hält
die Zylinder fest zusammen. Zwar können die Kühlkanäle auch in den kalten Wänden ohne
Kanäle
in der heißen
Wand bearbeitet werden, es ist aber bevorzugt, dass die Kühlkanäle in der heißen Wand
sind, weil die Oberfläche
für die
Wärmeübertragung
größer ist.
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Doppelwandige Kühlstrukturen können auch hergestellt
werden, wenn zwei Teile durch Schrumpfen zusammengepasst und dann
miteinander verbunden werden durch einen Verbindungsprozess, wie
beispielsweise Schweißen.
Das innere Teil wird bearbeitet, um die Kühlkanäle zu bilden. Der verbesserte
thermische Kontakt zwischen den äußeren und inneren
Teilen aufgrund der Verbindung verringert die thermisch hervorgerufenen
Spannungen in den zwei Teilen.
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Es werden nun Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung ein Beispiel von einer Gasturbine ist;
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2 eine
perspektivische Darstellung von einem Ausführungsbeispiel von dem inneren
Teil von einer doppelwandigen Struktur ist, die aus zwei ringgewalzten
und geschweißten
Zylindern konstruiert ist, die einen inneren Zylinder mit Kühlkanälen aufweisen,
die in seiner äußeren Oberfläche ausgebildet sind;
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3 eine
Ansicht der doppelwandigen Struktur gemäß 5 ist, wobei der äußere Zylinder durch Schrumpfpassung über dem
bearbeiteten inneren Zylinder angeordnet ist, der Kühlkanäle bildet;
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4 eine
Querschnittsansicht von der doppelwandigen Struktur ist und die
Kanäle
zeigt, die durch den bearbeiteten inneren Ring und den schrumpfgepassten äußeren Ring
gebildet sind;
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5 eine
Ansicht von der doppelwandigen Struktur gemäß 4 ist, wobei der äußere Zylinder über den
bearbeiteten inneren Zylinder schrumpfgepasst ist, der die Kühlkanäle bildet,
und dann mit dem inneren Zylinder an jedem Rippenplatz durch ein
Verfahren, wie beispielsweise Elektronenstrahl (E-Strahl)-Schweißen, verbunden
ist;
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6 ein
Teilquerschnitt von der doppelwandigen Struktur ist und die Kanäle zeigt,
die durch den bearbeiteten inneren Ring und den schrumpfgepassten
und geschweißten äußeren Ring
gebildet sind;
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7 eine
perspektivische Ansicht von einem Ausführungsbeispiel einer doppelwandigen,
axial gekühlten
zylindrischen Struktur mit in Umfangsrichtung verlaufendem Querströmungskanal
ist;
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8 ein
Kurvenbild ist, das ein Beispiel einer Netzwerk-Strömungssimulation
von sieben (7) parallelen axialen Kühlkanälen darstellt und zeigt, wie
ein Querströmungsdurch tritt
63% von der unblockierten Strömung
durch den Kühlkanal
#4 beibehält, selbst
wenn sein Einlass vollständig
blockiert ist; und
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9 ein
Kurvenbild ist, das ein Beispiel von einer Netzwerk-Strömungssimulation
von sieben (7) parallelen axialen Kühlkanälen darstellt und zeigt, wie
ein Querströmungsdurchtritt
den Wärmeübertragungs-Koeffizienten
bei 70% von dem umblockierten Strömungswert in dem Kühlkanal
#4 beibehält.
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1 stellt
schematisch ein Gasturbinensystem 10 dar. Im Betrieb werden übliche Gasturbinen 10 durch
die Verbrennung von Gasen aus flüssigen
Brennstoffen angetrieben, indem ein strömendes Medium mit einem hohen
Energiegehalt, d. h. die Verbrennungsgase, eine Drehbewegung erzeugt,
indem es durch Schaufelringe abgelenkt wird, die auf einem Rotor
angebracht sind. Im Betrieb zieht der Verdichter 16 frische
Luft an und verdichtet sie auf einen Druck von etwa 345–570 kPa
(50–75
lb/in2); die Luft wird von dem Verdichter 16 durch
einen Wärmetauscher 32 gedrückt, wo
sie vorgewärmt
wird durch die Wärme,
die in den Verbrennungs-Abgasen immer noch vorhanden ist, die aus
dem Turbinenabschnitt 22 austreten; und schließlich wird
die vorgewärmte Luft
in die Brennkammer von dem Verbrennungsabschnitt 18 eingeleitet.
In der Brennkammer wird Brennstoff verbrannt, wodurch Gase mit einer
Temperatur von mehr als etwa 1500°C
(etwa 2750°F)
erzeugt werden. Diese Verbrennungsgase strömen mit einer hohen Geschwindigkeit
in den Turbinenabschnitt 22 und treiben ihn an.
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Wie gezeigt ist, sind die Turbine 22 selbst, der
Verdichter 16 und der elektrische Generator 14 alle
auf einer einzigen Welle 24 angebracht. Bekanntlich kann
die Turbine nicht ihre gesamte Ausgangsleistung zum Generator übertragen,
weil ein wesentlicher Teil zum Antrieb des Verdichters 16 benötigt wird.
Der Turbinenabschnitt 22 wird mit Hilfe des Elektromotors 12 gestartet,
der zunächst
den Verdichter in Bewegung versetzen muss, um verdichtete Luft zu
erzeugen und sie an die Brennkammer zu liefern, um so zu ermöglichen,
dass die Verbrennungsgase gebildet werden. Nur dann kann die Turbine
zu laufen beginnen.
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Wie schematisch in 1 gezeigt ist, sorgt der Verbrennungsabschnitt 18,
der die Brennkammer 36 enthält, für die Strömung des Verbrennungsgases 28 von
dem Verbrennungsabschnitt 18 zum Einlass der Turbine 22.
Ein Übergangsstück 38 verbindet
den Turbineneinlass und den Verbrennungsabschnitt 18.
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Bei der Konstruktion von Brennern
oder Brennerabschnitten und Übergangsstücken, wo
die Temperatur der Verbrennungsgase etwa bei 1500°C oder darüber liegt,
gibt es keine bekannten Materialien, die eine Umgebung mit einer
derartig hohen intensiven Hitze ohne eine gewisse Art von Kühlung überleben
können.
Wie oben angegeben ist, sind in Situationen, wo eine Filmkühlung nicht
möglich
oder keine sichere Option ist, Brenner und Übergangsstücke mit einem axialen Kühlkanal
und unter Verwendung von zwei unverbundenen Teilen gefertigt worden.
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Jedes Teil 40, 42 kann
durch Ringwalzen von geschmiedetem Blechmaterial auf den gewünschten Durchmesser
und dann Verbinden des Teils an dem Spalt durch ein Schweißverfahren,
beispielsweise Gas-Wolfram-Lichtbogen (GTA)-Schweißen oder Elektronenstrahl
(E-Strahl)-Walzen, hergestellt werden. Die Teile 40, 42 werden
auf den richtigen Enddurchmesser in ihrer Größe bemessen. In der äußeren Oberfläche von
dem inneren Teil 40 sind Nuten 44 zur Bildung
von Kühlkanälen hergestellt.
Das Innenteil 40 und das Außenteil 42 sind in 2 vor dem Zusammensetzen
gezeigt. Das Außenteil 42 wird
dann durch Schrumpfpassung auf das Innenteil 40 angeordnet,
wobei die Kühlkanäle 46 gebildet werden
(3). Die Geometrie der
entstehenden doppelwandigen Kühlstruktur
ist mit weiteren Einzelheiten in 4 gezeigt.
Die Kühlgeometrie
ist nicht auf die gezeigten einfachen axialen Kanäle 46 begrenzt,
weil angenommen wird,dass kompliziertere verbesserte Kühlgeometrien
geformt werden können,
beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung auf der Wand des Innenteils 40.
Beispielsweise können
in dem Formschritt in Umfangsrichtung verlaufende Querkanäle ausgebildet
werden.
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Das Außenteil 42 ist in
diesem Beispiel so angeordnet, dass der Eingang 52 zu den
Kühlkanälen 46 der
Kühlluft
ausge setzt ist, die durch die Kanäle 46 strömt und die
heiße
Innenwand 56 kühlt.
Während
des Betriebs des Brenners halten die heißen Verbrennungsgase, die durch
den inneren Abschnitt von dem Brenner 18 strömen, das
Innenteil 40 heißer als
das Außenteil 42.
Infolgedessen hält
die unterschiedliche thermische Expansion die Teile 40, 42 fest
zusammen.
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Um die Position des Außenteils 42 während des
Abkühlens
beizubehalten, können
Mittel, wie beispielsweise mechanische Anschläge 60 (siehe 2) auf dem hinteren Ende
von dem Innenteil 40 ausgebildet sein, um das Außenteil 42 gegen
Verschieben sichern. Diese Anschläge können wichtig sein, wenn der
Brenner übertemperiert
wird und sich plastisch verformt und verzerrt (entweder die heiße Wand 56 oder
die kalte Wand 58), was eine anschließende ungleichförmige Passung
von dem Außenteil 42 und
dem Innenteil 40 zur Folge hat.
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Beispiel 1
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Das oben beschriebene Konzept wurde praktisch
ausgeführt
durch Herstellung von doppelwandigen Brennersegmenten im vollen
Maßstab,
die eine Länge
von 178 mm (7 Zoll) und einen Durchmesser von etwa 356 mm (14 Zoll)
hatten und mit einem tatsächlichen
Becherbrenner und einem Übergangsstück verbunden
waren. Die erste Iteration wurde aus Hastelloy-X hergestellt und
verwendete Kühlkanäle, die
etwa 7,6 mm (0,30 Zoll) breit, etwa 0,76 mm (0,030 Zoll) tief und
etwa 165 mm (6,5 Zoll) lang waren getrennt durch Rippen mit einer
Dicke von etwa 5,1 mm (0,20 Zoll), für eine Gesamtzahl von 88 Kanälen 46 in
dem Brenner mit einem Durchmesser von 356 mm (14 Zoll). Das Innenteil 40 hatte
eine minimale Wanddicke von etwa 1,60 mm (0,063 Zoll) unter den
Kühlkanälen, während die
Wand des Außenteils 42 etwa
1,52 mm (0,06 Zoll) dick war. Wenn Kühlmittel bei etwa 385°C (725°F) bei einem
Druck von etwa 1496 kPa (217 PSIA) (absolut) und bei einer Druckdifferenz über den
Kühlkanälen 46 von
58,6 kPa (8,5 PSID) (Druckdifferenz oder Druckabfall) zugeführt wurde,
wurde das Innenteil 40 auf eine Temperatur von etwa 727°C (1340°F) am Einlass
und etwa 899°C
(1650°F)
am Auslaß gekühlt. Dies
erfolgte mit etwa 22,7 kg sec–1 (50 lbm/sec) der Verbrennungsgase,
die durch das Innenteil 40 bei etwa 1593°C (2900°F) strömten, und
etwa 0,00195 kg sec–1 (0,0043 lbm/sec) des
Kühlmittels,
das durch jeden Kanal 46 strömte (etwa 0,172 kg sec–1 (0,38 lbm/sec)
für den
gesamten Brenner). Die Auslasstemperatur von etwa 899°C (1650°F) war höher als erwünscht, und
deshalb wurde eine Neugestaltung des Brenners vorgenommen.
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Beispiel 2
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Eine spätere Iteration des Brenners
verwendete Kühlkanäle 46,
die etwa 9,52 mm (0,375 Zoll) breit, etwa 1,02 mm (0,040 Zoll) tief
und etwa 102 mm (4 Zoll) lang waren bei den gleichen Kühlmittel- und
Verbrennungsgasbedingungen wie im Beispiel 1. Für die gleiche Druckdifferenz
erhöhte
sich die Kühlmittelströmung auf
etwa 0,0041 kg sec–1 (0,0090 lbm/sec) pro
Kanal (etwa 0,358 kg sec–1 (0,79 lb/sec) für die gesamte
Kombination), und die Metalltemperaturen vielen auf weniger als
etwa 760°C
(1400°F) am
Auslass, was in Übereinstimmung
mit der Anforderung für
eine lange Lebensdauer von Gasturbinenkomponenten ist.
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Beispiel 3
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Der letzte unverbundene Brenner 18,
der zusammengesetzt werden soll, hat die gleichen Kanalabmessungen
wie im Beispiel 2, aber er ist aus Nimonic 263 für eine bessere Hochtemperaturfestigkeit hergestellt.
Die minimale Wanddicke des Innenteils 40 war auf etwa 1,90
mm (0,075 Zoll) erhöht,
und die Wanddicke des Außenteils 42 war
auf etwa 1,02 mm (0,040 Zoll) verringert. Ein Umfangskühlkanal
mit einer Breite von etwa 9,52 mm (0,375 Zoll) und einer Tiefe von
etwa 1,02 mm (0,040 Zoll), angeordnet etwa 9,52 mm (0,375 Zoll)
stromabwärts
von dem Kühlmitteleinlass,
wurde vollständig
um den Umfang von dem Innenteil herum ausgebildet (siehe 7). Diese Kombination wurde
unter Verbrennungsbedingungen geprüft und erzielte eine maximale
Temperatur auf der heißen
Seite von etwa 749°C
(1380°F), was
mit dem Erfordernis für
eine lange Lebensdauer von Gasturbinenkomponenten in Übereinstimmung ist.
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Wie in den 5 und 6 gezeigt
ist, kann eine zusätzliche
mögliche
Konstruktion für
Brenner und Übergangsstükke, die
Strukturen mit axialen Kühlkanälen haben,
unter Verwen dung von zwei Teilen 40, 42 gefertigt
werden, die durch Schrumpfpassung zusammengehalten und dann verbunden
werden, beispielsweise durch Schweißen. Wie oben, kann jedes Teil 40, 42 durch
das Ringwalzen von geschmiedetem Blechmaterial auf den gewünschten
Durchmesser und dann Verbinden des Teils an dem Spalt durch ein
Schweißverfahren
hergestellt werden, wie beispielsweise Gas-Wolfram-Lichtbogen (GTA)-Schweißen oder
Elektronenstrahl (E-Strahl-)Schweißen, wie es oben beschrieben
ist. Ebenfalls wie oben wird das Außenteil 42 dann durch
Schrumpfpassung auf dem Innenteil 40 angeordnet, wobei
die Kühlkanäle 46 gebildet
werden. Das Außenteil
wird dann in seiner Lage verbunden, wobei eine Technik wie beispielsweise
Laser- oder E-Strahl-Schweißen verwendet wird.
Die Geometrie dieser doppelwandigen Kühlstruktur und der Ort der
Schweißstellen 61 an
jeder Rippe, die zwischen benachbarten Nuten gebildet sind, sind
mit weiteren Einzelheiten in 6 gezeigt. Wie
zuvor können,
da die Kühlgeometrie
nicht auf die gezeigten einfachen axialen Kanäle begrenzt ist, kompliziertere,
verbesserte Kühlgeometrien
auf der Wand des Innenteils ausgebildet werden, und wie zuvor können in
Umfangsrichtung verlaufende Querströmungskanäle in dem Formschritt ausgebildet werden.
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Das Außenteil 42 ist in
diesem Beispiel so angeordnet, dass der Eingang 42 zu dem
Kühlkanal 46 der
Kühlluft
ausgesetzt ist, die durch die Kanäle 46 strömt und die
heiße
Innenwand 56 kühlt.
Während
des Betriebs des Brenners 18 halten die heißen Verbrennungsgase,
die durch das Innenteil 40 strömen, dieses heißer als
das Außenteil 42.
Diese Temperaturdifferenz hält
die Teile ohne Verbindung fest zusammen, wie es oben beschrieben
wurde. In einigen Fällen
kann jedoch die entstehende Beanspruchung in den Teilen 40, 42 hoch
genug sein, um entweder die heiße
Wand 56 oder die kalte Wand 58 oder beide plastisch
zu verformen und zu verzerren.
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Der verbesserte thermische Kontakt
zwischen dem Innenteil 40 und dem Außenteil 42, der durch
den Verbindungsvorgang hervorgerufen ist, kann die Temperaturdifferenz
zwischen ihnen signifikant verringern, was seinerseits die thermischen
Beanspruchungswerte in den Teilen signifikant verringert, die durch die
Temperaturgradienten über
der doppelwandigen Struktur erzeugt werden, wie es nachfolgend in
Beispiel 4 beschrieben ist.
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Beispiel 4
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Ein 90 Grad Abschnitt von dem doppelwandigen
Hastelloy-X Zylinder wurde im Modell nachgearbeitet, wobei eine
Analyse endlicher Elemente für die
gleichen Verbrennungsgas- und Kühlmittelbedingungen
verwendet wurde. Es wurden die zwei extremen Fälle von keinem thermischen
Kontakt und vollem thermischen Kontakt zwischen den zwei Teilen 40, 42 im
Modell nachgestellt. Die maximale Beanspruchung in dem Fall mit
vollem thermischen Kontakt war 1/3 der maximalen Beanspruchung in
dem Fall ohne thermischen Kontakt. Die unverbundenen Teile 40, 42 haben
selbstverständlich
einen gewissen thermischen Kontakt, und deshalb werden die Beanspruchungswerte
irgendwo zwischen die zwei Extremwerte fallen.
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Eine verwendete Schweißtechnik
bestand darin, dass Nimonic 263 Prüfstücke durch E-Strahl-Schweißen verbunden
wurden. Die Prüfstücke sind
eben anstatt zylindrisch, aber sie haben die gleiche Kanal/Rippen-Konfiguration
wie sie in 6 gezeigt
ist.
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Die niedrigeren Beanspruchungswerte
in einer verbundenen Struktur sorgen für eine längere Lebensdauer für die Komponente,
die die zusätzlichen Kosten
des Verbindungsvorganges rechtfertigen kann.
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Wie oben beschrieben ist, können Strukturen,
wie beispielsweise Brenner mit Kühlkanälen 46, die
axial verlaufen, vor einer Einlassblockade geschützt werden, indem ein in Umfangsrichtung
verlaufender Querströmungskanal 46 vorgesehen
wird, der unmittelbar stromabwärts
von den Kühlkanaleinlässen 52 angeordnet
ist, wie es in 7 gezeigt
ist. Wenn alle axialen Kanäle 46 unblockiert
bleiben, gibt es keine Druckdifferenz über dem Querströmungskanal 65 und
keine Strömung
durch ihn hindurch. Dieser Querströmungskanal 65 kann
in der gleichen Art und Weise ausgebildet werden, wie die axialen
Strömungskanäle 46.
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Beispiel 5
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Eine Strömungskreissimulation wurde
an einem Modell von einer typischen Geometrie des Kühlkanals 46 ausgeführt. Das
Model hat sieben (7) parallele axiale Kanäle, die etwa 9,52 mm (0,375
Zoll) breit, etwa 1,02 mm (0,040 Zoll) hoch und etwa 102 mm (4 Zoll)
lang waren. Wenn die Kühlkanäle unter typischen
Gasturbinenbedingungen (Kühlmitteltemperatur
385°C (725°F), Kühlmitteldruck
etwa 1496 kPa (217 PSIA), Druckabfall über den Kanälen etwa 58,6 kPa (8,5 PSI),
Metalltemperatur etwa 760°C (1400°F)) betrieben
werden, zeigt die Simulation, dass der Querströmungskanal etwa 63% der unblockierten
Strömung
durch einen Kühlkanal
beibehält, wenn
ein Einlass vollständig
blokkiert ist, wie es in 8 gezeigt
ist. 9 zeigt, dass der
Wärmeübertragungs-Koeffizient
in der blockierten Rohrleitung mit etwa 70% ihres unblockierten
Wertes vorhergesagt ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kühlkanäle, die
den blockierten Kanal umgeben, weitgehend unbeeinflusst von der
Strömung
in den blockierten Kanal durch den Querströmungskanal sind.
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Dieser Typ des senkrechten Querströmungskanals 65 kann
auf jede Situation angewendet werden, wo parallele Kühlkanäle 46 in
doppelwandigen Strukturen benutzt werden und blockiert werden könnten. Das
Konzept ist nicht auf zylindrische Brenner begrenzt, sondern könnte auf
komplexere Strukturen angewendet werden, wie beispielsweise Turbinen-Übergangsstücke oder
ringförmige
Brenner.