DE69723495T2 - Kühlung von Gasturbinenbrennkammerwand - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine schematische Darstellung ein Beispiel von einer Gasturbine ist;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 7 eine perspektivische Ansicht von einem Ausführungsbeispiel einer doppelwandigen, axial gekühlten zylindrischen Struktur mit in Umfangsrichtung verlaufendem Querströmungskanal ist;
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiel 1
  • 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.
  • Beispiel 2
  • 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.
  • Beispiel 3
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiel 4
  • 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.
  • 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.
  • Die niedrigeren Beanspruchungswerte in einer verbundenen Struktur sorgen für eine längere Lebensdauer für die Komponente, die die zusätzlichen Kosten des Verbindungsvorganges rechtfertigen kann.
  • 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.
  • Beispiel 5
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Kühlstruktur für den Brennerabschnitt (18) von einem Gasturbinen-Triebwerk, enthaltend: ein im allgemeinen zylindrisches Innenteil (40) mit mehreren Vertiefungen (44), die auf seiner äusseren Oberfläche ausgebildet sind, ein im allgemeinen zylindrischen Aussenteil (42), das operativ über dem Innenteil angeordnet ist, und mehrere axiale Kühlkanäle (46), die operativ zwischen dem Aussenteil und dem Innenteil angeordnet sind, zum Liefern von verdichteter Kühlluft zu der inneren Oberfläche von dem Innenteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussenteil (42) durch Schrumpfpassung auf dem Innenteil (40) angebracht ist.
  2. Kühlstruktur nach Anspruch 1, wobei das Innenteil ferner enthält: mehrere mechanische Anschläge (60), die operativ auf dem hinteren Ende von dem Innenteil (40) angeordnet sind, um ein Verschieben des Aussenteils zu verhindern.
  3. Kühlstruktur nach Anspruch 1, wobei das Aussenteil mit dem Innenteil verbunden ist.
  4. Kühlstruktur nach Anspruch 1, ferner enthaltend: mehrere Umfangs-Querströmungskanäle (65), die operativ stromabwärts von den Kühlmittel Kanaleinlässen angeordnet sind, um für eine Kühlung an den axialen Kühlkanälen (46) zu sorgen, falls wenigstens ein Kühlkanal blockiert werden sollte.
  5. Gasturbinen-Triebwerk (10) enthaltend: einen Verdichterabschnitt (16) zum Erzeugen verdichteter Luft, einen Brennerabschnitt (18), in dem die verdichtete Luft erhitzt wird, wobei der Brennerabschnitt eine Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, eine Einrichtung, die operativ mit dem Verdichterabschnitt und mit dem Brennerabschnitt verbunden ist, zum Liefern von wenigstens einem Teil der verdichteten Luft von dem Verdichterabschnitt zu den Kühlkanälen derart, daß die innere Oberfläche von dem inneren Teil gekühlt wird, und eine Turbineneinrichtung (22), die operativ mit dem Brennerabschnitt verbunden ist, zum Wandeln des heissen Gases aus dem Brennerabschnitt in Energie.
DE69723495T 1996-04-10 1997-04-09 Kühlung von Gasturbinenbrennkammerwand Expired - Lifetime DE69723495T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US627807 1996-04-10
US08/627,807 US5724816A (en) 1996-04-10 1996-04-10 Combustor for a gas turbine with cooling structure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69723495D1 DE69723495D1 (de) 2003-08-21
DE69723495T2 true DE69723495T2 (de) 2004-05-13

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