DE69919298T2

DE69919298T2 - Kühlstruktur für eine Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE69919298T2
Application number: DE69919298T
Authority: DE
Inventors: Yoshichika Takasago-shi Sato; Koichi Takasago-shi Nishida
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: CA2288557C; US6282905B1; EP1001221A2; CA2288557A1; EP1001221A3; EP1001221B1; DE69919298D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Kühlstruktur für eine Gasturbinenbrennkammer und insbesondere auf eine Kühlstruktur, bei der ein zu kühlender Hochtemperaturabschnitt einer Gasturbinenbrennkammer, z. B. ein Wandabschnitt und ein Pilotkonus bzw. Pilotkegel in einem doppelten Aufbau einer äußeren Platte und einer inneren Platte hergestellt ist, so dass ein Kühlmedium wie z. B. Luft oder Dampf darin mit verbesserter Kühlleistung strömt.
Beschreibung des Standes der Technik
5 ist eine schematische, im Schnitt gehaltene Seitenansicht zur Darstellung der Struktur einer Gasturbinenbrennkammer und eines Kühlsystems hierfür nach dem Stand der Technik, wobei 5(a) und 5(b) Beispiele eines luftgekühlten Systems zeigen, und 5(c) ein Beispiel eines dampfgekühlten Systems zeigt. In einer Kurzdarstellung der Beschreibung hierfür bezeichnet in 5(a) die Bezugsziffer 100 eine Pilotdüse, die Pilotbrennstoff zu dessen Verbrennung einspritzt, die Bezugsziffer 101 bezeichnet eine Hauptdüse, die als sogenannter Ringdüsentyp in mehreren Teilen um ein inneres Pilotrohr 102 angeordnet ist und Hauptbrennstoff einspritzt, der durch Verbrennung des Pilotbrennstoffs in dem inneren Pilotrohr 102 zu zünden ist. Die Bezugsziffer 103 bezeichnet ein inneres Hauptrohr, die Bezugsziffer 104 bezeichnet ein Verbindungsrohr, die Bezugsziffer 105 bezeichnet ein Endrohr, und Verbrennungsgas hoher Temperatur, das durch Verbrennung des Hauptbrennstoffs erzeugt wird, strömt durch diese Abschnitte, um in einen Verbrennungsgasweg der Gasturbine geleitet zu werden. Die Bezugsziffer 106 bezeichnet ein Luft-Bypassventil, das bewirkt, dass von einem Kompressor bei niedriger Last kommende überschüssige Luft in das Endrohr 105 über eine Bypass-Leitung eintritt und in den Verbrennungsgasweg entweicht. Bei dieser Art von Brennkammer wird eine Luft in einer Wand des Endrohrs 105 verwendende Kühlstruktur angewandt, wie später mit Bezug auf 6 beschrieben.
In einer Brennkammer gemäß 5(b), die als Mehrdüsentyp bezeichnet wird, bezeichnet die Bezugsziffer 107 eine Pilotdüse, und eine Hauptdüse 108 ist in mehreren Teilen um diese herum angeordnet. Hauptbrennstoff wird von der Hauptdüse 108 in ein inneres Rohr 109 eingespritzt, um durch Verbrennung von Pilotbrennstoff, der von der Pilotdüse 107 eingespritzt wird, gezündet zu werden. Die Bezugsziffer 110 bezeichnet ein Endrohr, und die Bezugsziffer 106 bezeichnet ein Bypassventil. Bei dieser Art von Brennkammer wird ebenfalls ein Wandinneres des Endrohrs 110 durch Luft gekühlt, wie später mit Bezug auf 6 beschrieben wird.
Die Brennkammer der 5(c) ist ein Beispiel, bei dem ein dampfgekühltes System in der Mehrfachdüsen-Brennkammer angewandt wird. In 5(c) bezeichnet die Bezugsziffer 111 eine Pilotdüse, die Bezugsziffer 112 bezeichnet eine Hauptdüse, die in mehreren Teilen um die Struktur der Pilotdüse angeordnet ist, und die Bezugsziffer 113 bezeichnet einen Verwirbelungselementhalter. Die Bezugsziffer 114 bezeichnet ein Endrohr, das integral mit einem inneren Rohr hergestellt und mit dem Verwirbelungselementhalter 113 verbunden ist, so dass Verbrennungsgas hoher Temperatur durch dieses hindurch in den Verbrennungsgasweg der Gasturbine geleitet wird. In einer Wand des Endrohrs 114 sind eine Vielzahl von Dampfdurchgängen zur Kühlung um dieses herum vorgesehen. Die Bezugsziffer 115 bezeichnet einen Dampfzuführdurchgang, die Bezugsziffern 116, 117 bezeichnen jeweils Dampfrückführdurchgänge. Dampf 200 zum Kühlen strömt durch den Dampfzuführdurchgang 115, um den Dampfdurchgängen in der Wand des Endrohrs 114 zur Kühlung von dessen Innenwand zugeführt zu werden, und wird dann in den Dampfrückführdurchgängen 116, 117, die an jeweiligen Endabschnitten des Endrohrs 114 vorgesehen sind, als Dampf 201, 202 zurückge wonnen, um zu einer Dampferzeugungsquelle für dessen wirksame Nutzung zurückgeführt zu werden.
16 ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht der Wand der Brennkammer-Endrohre 105, 110, die in den 15(a), 15(b) gezeigt sind. In 16 ist die Wand in einer Doppelstruktur hergestellt, bei der eine äußere Platte 120 und eine innere Platte 123 durch Übereinanderlappung zusammengefügt sind. Die äußere Platte 120 bildet eine Außenfläche des Endrohrs und hat eine Vielzahl von Rillen bzw. Nuten 121, die jeweils eine gemeinsame Querschnittsform aufweisen, und die darin im wesentlichen längs einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases vorgesehen sind. Die äußere Platte 120 wird mit der inneren Platte 123 so zusammengefügt, dass Öffnungsflächen der Nuten bzw. Rillen 121 der äußeren Platte 120 in der Verbindungsebene geschlossen sind. Ferner sind in die äußere Platte 120 eine Vielzahl von Lufteinlasslöchern 122 gebohrt, die jeweils mit den Nuten bzw. Rillen 121 kommunizieren und um einen vorbestimmten Abstand zwischen den Lufteinlasslöchern 122 entlang jeder der Nuten 2 angeordnet sind.
Die innere Platte 123 weist eine Vielzahl von Luftauslasslöchern 124 auf, die in diese gebohrt sind, um mit den Nuten bzw. Rillen 121 der äußeren Platte 127 zu kommunizieren, wenn die äußere Platte 120 und die innere Platte 123 auf diese Weise zusammengefügt sind. Jedes der Luftauslasslöcher 124 ist so vorgesehen, dass es in einer mittigen Position zwischen zwei aneinandergrenzenden Lufteinlasslöchern 122 entlang jeder der Rillen bzw. Nuten 121 angeordnet ist. Die äußere Platte 120 und die innere Platte 123 sind aus hitzebeständigem Material gefertigt, wie z. B. Hastelloy X, Tomilloy und SUS-Material, und ihre Zusammenfügung wird durch Diffusionsschweißen vorgenommen, wobei ein Heißpressschweißvorgang unter Hitze und Druck stattfindet.
Wegen dem erwähnten Wandaufbau strömt Luft 300 zum Kühlen, die in die Lufteinlasslöcher 122 um das Endrohr herum eintritt, in die jeweiligen Nuten bzw. Rillen 121 zum Kühlen des Wandinneren und strömt aus den Luftauslasslöchern 124 der jeweiligen Nuten 121 aus, um als Luft 301 in das Endrohr einzutreten. Solche Nuten bzw. Rillen 121 und Lufteinlasslöcher 122 und Luftauslasslöcher 124, die beide mit den Nuten 121 kommunizieren, sind in mehreren Teilen in der gesamten Umfangswand des Endrohrs vorgesehen, und die Luft außerhalb des Endrohrs wird in diese eingeleitet, um im Wandinneren zur Kühlung des gesamten Abschnitts der Endrohrwand zu strömen, und strömt aus den jeweiligen Luftauslasslöchern 124 aus, um in dem Endrohr in das Verbrennungsgas gemischt zu werden.
17 ist eine vergrößerte, im Schnitt gehaltene Seitenansicht der in 15(c) gezeigten abgekühlten Brennkammer. Wie dort dargestellt ist, ist der Verwirbelungselementhalter 113 der Brennkammer, der an einen Turbinenzylinder 130 angesetzt ist, mit dem Endrohr 114 gekoppelt, das integral mit der inneren Kammer hergestellt ist. In der gesamten Umfangswand des Endrohrs 114 sind eine Vielzahl von Dampfdurchgängen 118, 119 im wesentlichen entlang einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases vorgesehen. Jeder der Dampfdurchgänge 118, 119 hat eine gemeinsame Querschnittsform und kommuniziert mit dem Dampfzuführdurchgang 115. Ein Teil des Dampfes 200 wird dem Dampfzuführdurchgang 115 mit der Düsenseite über die Dampfdurchgänge 118 zum Kühlen der Wand zugeführt, um in den Dampfrückführdurchgang 116 als Dampf 201 zurückgeführt zu werden. Der Rest des Dampfes 200 wird der stromabwärtigen Seite über die Dampfdurchgänge 119 zum Kühlen der Wand zugeführt, um in dem Dampfrückführdurchgang 117 als Dampf 202 zurückgeführt zu werden.
18 ist eine Schnitt-Seitenansicht eines oberen halben Abschnitts eines Pilotkonus, der an einem Ende jeder der Pilotdüsen der in 15(b) und 15(c) gezeigten Brennkammern angesetzt ist. In 18 ist die Pilotdüse in einem zentralen Abschnitt des inneren Brennkammerrohrs vorgesehen, und ein Pilotkonus 130 ist an einem Ende der Pilotdüse aufgesetzt. Der Pilotkonus 130 öffnet sich in einer trichterartigen Form, wie dort gezeigt ist, und ein Führungsring 131 ist um den Pilotkonus 130 herum zu dessen Halterung vorgesehen. Um den Pilotkonus 130 fest zu haltern, wird eine Schweißung um einen Verbindungsabschnitt 132 zwischen dem Pilotkonus 130 und dem Führungsring 131 mit einem vorbestimmten Abstand zwischen den Schweißstellen aufgebracht.
In dem zentralen Abschnitt des Pilotkonus 131 brennt von der Pilotdüse eingespritzter Pilotbrennstoff, und Verbrennungsgas 140 hoher Temperatur strömt darin. Ein Teil des Verbrennungsgases 140 strömt entlang einer abgeschrägten Innenfläche der Wand des Pilotkonus 130, und diese Wandinnenfläche ist kontinuierlich dem Hochtemperaturgas ausgesetzt. Ferner sind, wie oben erwähnt wurde, die mehreren Hauptdüsen um den Pilotkonus 130 herum angeordnet, und hiervon eingespritzter Brennstoff wird zur Verbrennung durch die Flamme des aus dem Pilotkonus 130 ausströmenden Verbrennungsgases 140 gezündet, womit eine Außenfläche des Pilotkonus 130 und der Führungsring 131 ebenfalls der hohen Temperatur ausgesetzt sind.
Die Bezugsziffer 141 bezeichnet die Luft, die aus einem Zwischenraum zwischen dem Pilotkonus 130 und dem Führungsring 131 strömt. Während diese Luft 141 so ausströmt, dass sie ursprünglich darauf abzielt, eine am Auslassendabschnitt des Pilotkonus 130 erzeugte Flamme zu durchtrennen, so dass sie sich nicht fortsetzen kann, führt die Luft 141 sekundär eine Konvektionskühlung der Wandoberfläche des Pilotkonus 130 im Verlauf des Ausströmens durch den Zwischenraum zwischen einer Außenwandfläche des Pilotkonus 130 und dem Führungsring 131 aus, um dadurch den Pilotkonus 130 gekühlt zu halten. Somit wird in der vorbekannten Gasturbinen-Brennkammer, während das Endrohr durch Luft oder Dampf gekühlt wird, die bzw. der in den in der Doppelstruktur der Brennkammerwand vorgesehenen Nuten zur Kühlung strömt, der Pilotkonus 130 durch die Luft 141 gekühlt, die an dessen Außenwandfläche strömt.
Bei der erwähnten vorbekannten Kühlstruktur eines zu kühlenden Hochtemperaturabschnitts einer Gasturbine, z. B. ein Brennkammer-Endrohr, sind die Nuten bzw. Rillen in der Wand mit einer gemeinsamen Querschnittsform für jede der Nuten versehen und linear sowohl in dem luftgekühlten System als auch dem dampfgekühlten System angeordnet. Aus diesem Grund sind, um einem notwendigen Kühlbereich in einem Abschnitt zu genügen, in dem eine gleichmäßige Kühlung in der Endrohrwand in einem kurzen Abschnitt benötigt wird, eine beträchtliche Anzahl linear angeordneter Kühlnuten notwendigerweise vorgesehen, wobei dennoch das Kühlmedium ausgetragen wird, bevor es wegen des kurzen Kühlabschnitts in seiner Kühlfähigkeit voll genutzt wird, was unweigerlich darin resultiert, dass mehr Kühlmedium als benötigt eingesetzt wird. Ferner wird, da die Querschnittsform der Kühlnut konstant ist, eine Strömungsgeschwindigkeit, ein Druckverlust und eine Wärmeübertragungsrate des Kühlmediums durch die Querschnittsform gesteuert, so dass die Kühlbedingungen des Kühlmediums in den Kühldurchgängen von deren Eingangsloch zum Ausgangsloch einseitig durch die Querschnittsform festgelegt werden, wodurch keine Einstellung bzw. Anpassung hiervon vorgenommen werden kann, was eine optimale Gestaltung erschwert.
In dem Pilotkonus, der ebenfalls zu dem zu kühlenden Hochtemperaturabschnitt gehört, ist zwar dessen Kühlsystem derart, dass die Kühlung durch an seiner Außenwandfläche strömende Luft vorgenommen wird, die Einlass-Gastemperatur einer modernen Gasturbine wird aber allmählich höher, und dadurch die Umweltauflagen bei der Verwendung der Brennkammer von Jahr zu Jahr strenger werden. Insbesondere wird in der Mehrfach-Vorgemisch-Brennkammer eine Verbrennungsvibration zu einem Problem. Während es sich als wirksam erwiesen hat, als eine der Gegenmaßnahmen ein Verhältnis eines Pilotbrennstoffes zur Minderung der Verbrennungsvibration anzuheben, so führt bei einem derartigen Anheben des Pilotbrennstoffverhältnisses dies zu einer Zunahme der thermischen Last in der Pilotkonus-Wandoberfläche und zu einer unzureichenden Kühlfähigkeit, sofern dessen Struktur nicht verbessert wird. Folglich sind Maßnahmen zur Steigerung der Kühlwirkung erwünscht.
US-A-2 617 255 offenbart einen Plattenabschnitt für eine Kühlstruktur, der mehrere Rippen an der Außenfläche trägt, wodurch das Einlassende von zwischen benachbarten Rippen festgelegten Kanälen höher ist als das Auslassende dieser Kanäle. Die Kühlmedium-Strömungsrichtung in diesem Plattenabschnitt ist für alle aneinandergrenzenden Kühlmediumkanäle parallel.
EP-A-0 815 995 hat einen Wandabschnitt, eine zylindrische Kühlstruktur, die Kühlmedium-Strömungsdurchgänge aufweist, die sich axial oder umfangsmäßig erstrecken. Die Kontur der einzelnen Kühldurchgänge ist zickzackförmig, aber die Strömungsrichtung in den verschiedenen Kühlmediumdurchgängen ist gleichmäßig.
US-A-4 302 940 offenbart ein strukturiertes, poröses, beschichtetes Material, das in einer Gasturbinen-Brennkammer-Kühlstruktur verwendet wird, welche mehrere wellenförmige Kühlmediumdurchgänge aufweist, die in dem Material ausgebildet sind. Die Einlass- und Auslassöffnungen zu den Kühlmediumdurchgängen sind so angeordnet, dass die Strömungsrichtung in benachbarten Durchgängen gleichmäßig ist.
Abriss der Erfindung
Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, eine Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur zum Kühlen eines Hochtemperaturabschnitts einer Gasturbinenbrennkammer durch Zuführen eines Kühlmediums zu dem Hochtemperaturabschnitt bereitzustellen, wobei eine Einstellung bzw. Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit, des Druckverlustes oder der Wärmeübertragungsrate des Kühlmediums entsprechend einer Zufuhr von Kühlmedium ermöglicht wird, eine Kühlwirkung verbessert wird, eine Wärmebeanspruchung und die Probleme einer Rissbildung gemindert werden und die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Bei der vorbekannten Kühlstruktur hat der Durchgang eine konstante Querschnittsform, so dass die Strömungsgeschwindigkeit, der Druckverlust und die Wärmeübertragungsrate des Kühlmediums einseitig gemäß der Querschnittsform festgelegt werden und eine Einstellung bzw. Anpassung derselben schwer vorzunehmen ist, um diejenigen Stellen der Wand zu brechen, an denen die Temperaturverteilung unterschiedlich ist.
In der Erfindung wird die Breite oder Tiefe der Durchgangs-Querschnittsform zweidimensional oder dreidimensional verändert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend der Wanddicke geändert werden kann, an der die Temperaturverteilung variiert, und somit der Druckverlust ebenfalls reduziert werden kann und eine Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit, des Druckverlustes und der Wärmeübertragungsrate möglich wird, um die Kühlbedingungen zu erfüllen. Folglich wird eine optimale Gestaltung der Kühldurchgänge möglich, was die Temperaturverteilung verbessert, um eine Wärmebeanspruchung zu mindern und das Auftreten von Rissen etc. zu verhindern, wobei die Zuverlässigkeit der Brennkammer verbessert werden kann.
Wenn die Kühlstruktur auf den Pilotkonus als zu kühlender Hochtemperaturabschnitt angewandt ist, ist die vorbekannte Pilotkonus-Kühlstruktur derart aufgebaut, dass Luft an der Außenwandfläche des Pilotkonus zu dessen Kühlung strömt, und wenn das Pilotbrennstoffverhältnis erhöht werden muss, kommt es zu einer ungenügenden Kühlung. In der Erfindung sind die Kühldurchgänge beispielsweise in der Wand des Pilotkonus vorgesehen, und das Kühlmedium, z. B. Kühlluft, wird zum Strömen in den Kühldurchgängen von der Außenseite des Pilotkonus durch das Lufteinlassloch zum Kühlen des Wandinnern und dann zum Ausströmen in den Pilotkonus durch das Luftauslassloch gebracht. Ferner wird die Querschnittsform des Durchgangs in der Breite oder Tiefe zweidimensional oder dreidimensional geändert, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums wird gemäß denjenigen Stellen der Wand, an denen die Temperaturverteilung unterschiedlich ist, geändert, der Druckverlust wird dadurch ebenfalls reduziert, womit eine Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit, des Druckverlustes und der Wärmeübertragungsrate möglich wird, um die Pilotkonus-Kühlbedingungen zu erfüllen, und es wird eine optimale Gestaltung der Kühldurchgänge möglich, um so die Temperaturverteilung zu verbessern, die Wärmebeanspruchung zu mindern und ein Auftreten von Rissen etc. zu verhindern, womit die Zuverlässigkeit der Brennkammer verbessert wird.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die Kühlluftströmung durch die Wirkung der Verwirbelungselemente oder der Ausnehmungsabschnitte stark bewegt, und dadurch kann die Wärmeübertragungsrate weiter verbessert werden. In einer weiteren Ausführungsform wird die Kühlluft-Strömungsgeschwindigkeit verändert, wodurch die Kühlwirkung verbessert werden kann. In einer noch anderen Ausführungsform wird der Strömungsdurchgang durch die Wirkung der Öffnung gedrosselt oder wird vergrößert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden kann. In einer noch anderen Ausführungsform wird der Durchgang in der Wellenform ausgebildet, wodurch die Länge des Durchgangs vergrößert wird und in dem Fall, in dem eine Verstärkung der Kühlwirkung entsprechend den Stellen, an denen die Kühlung besonders benötigt wird, erwünscht ist, wie z. B. an dem Brennkammer-Wandabschnitt oder dem Pilotkonus, kann eine besonders starke Wirkung erzielt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Luft, wenn sie aus dem Luftauslassloch strömt, zum Strömen entlang der Wandoberfläche in der Verbrennungsgasrichtung zum Durchführen einer wirksamen Kühlung um das Luftauslassloch herum und dann zum Ausströmen in die Brennkammer gebracht. In einer weiteren Ausführungsform kann die gleiche Wirkung wie oben durch Vorsehen der Abdeckung erzielt werden. In der Erfindung sind die Strömungsrichtungen zwischen den aneinandergrenzenden Kühldurchgängen einander entgegengesetzt, wodurch eine Unausgeglichenheit in der Kühlung aufgehoben werden kann. Ferner sind der Brennkammerwandabschnitt, der Pilotkonus etc. allgemein mit geschweißten Verbindungsabschnitten aufgebaut und die Kühldurchgänge enden oft auf ihrem Weg am Verbindungsabschnitt, so dass die Kühlluft dort nicht strömen kann, sondern stagniert. In einer bevorzugten Ausführungsform jedoch ist das Durchgangsloch in den Durchgangs-Endabschnitt gebohrt und die Abdeckung ist von der Außenseite her oder von der Innenseite her vorgesehen, um eine Seite des Lochs zu verschließen, wodurch die Luft von der Außenseite eingesaugt oder in die Brennkammer ausgeblasen werden kann und eine wirksame Kühlung auch am Verbindungsabschnitt stattfinden kann.
In einer Ausführungsform ist der Durchmesser des Luftauslassloches größer gestaltet als der des Lufteinlassloches, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit an der Lufteinlassseite beschleunigt wird, die Kühlluft sicher eingesaugt wird und eine wirksame Kühlung erzielt werden kann. Bei der Erfindung ist einer der grundlegenden Aspekte, der auf das dampfgekühlte System angewandt ist, dass der Dampfdurchgang seine Querschnittsfläche ändert, wodurch eine Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit, des Druckverlustes und der Wärmeübertragungsrate des Dampfes erfolgen kann. D. h., die Querschnittsfläche des Dampfdurchganges wird zweidimensional oder dreidimensional entsprechend denjenigen Stellen der Brennkammerwand geändert, an denen die Temperaturverteilung unterschiedlich ist, wodurch eine optimale Gestaltung der Kühldurchgänge möglich wird, was die Temperaturverteilung verbessert, um die Wärmebeanspruchung zu mindern und ein Auftreten von Rissen etc. zu verhindern, wodurch die Zuverlässigkeit des dampfgekühlten Systems verbessert werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer- Kühlstruktur einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegende Erfindung,
2 eine Schnittansicht längs einer Linie A-A von 1, wobei 2(a) die Wand mit einer ansteigenden Querschnittsform einer Rille zeigt, 2(b) die Wand zeigt, deren Rillentiefe sich zu einem Luftauslassloch hin verringert, 2(c) die Wand zeigt, deren Rillentiefe sich zu dem Luftauslassloch hin vergrößert,
3 eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegende Erfindung, wobei 3(a) ein Beispiel mit Verwirbelungselementen in einer Nut zeigt, und 3(b) ein Beispiel mit Ausnehmungsabschnitten in der Nut zeigt,
4 eine vergrößerte Schnittansicht der Nut bzw. Rille von 3, wobei 4(a) eine Schnittansicht längs einer Linie B-B von 3(a) ist, und 4(b) eine Schnittansicht längs einer Linie C-C von von 3(b) ist,
5 eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 eine Schnittansicht einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegende Erfindung, wobei 6(a) ein Beispiel mit einem schräg vorgesehenen Luftauslassloch zeigt, und 6(b) ein Beispiel mit einer an einem Auslassabschnitt des Luftauslasslochs vorgesehenen Abdeckung zeigt,
7 eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht der Wand von 7,
9 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 9(a) ein Beispiel mit einer Nut bzw. Rille linearer Form zeigt, und 9(b) ein Beispiel mit einer Nut bzw. Rille mit Wellenform zeigt,
10 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer siebten Ausführungsform gemäß der vorliegende Erfindung, wobei 10(a) ein Beispiel zeigt, bei dem ein Luftauslassloch an einem Verbindungsabschnitt der Wand vorgesehen ist, und 10(b) ein Beispiel zeigt, bei dem ein Lufteinlassloch am Verbindungsabschnitt der Wand vorgesehen ist,
11 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils von 10, wobei 11(a) längs einer Linie D-D von 10(a) verläuft, und 11(b) längs einer Linie E-E von 10(b) verläuft,
12 eine Draufsicht auf einen Wandverbindungsabschnitt einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegende Erfindung,
13 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils von 12, wobei 13(a) längs einer Linie F-F von 12 verläuft, und 13(b) längs einer Linie G-G von 12 verläuft.
14 eine Schnitt-Seitenansicht eines halben oberen Abschnitts einer Gasturbinenbrennkammer-Pilotkonus-Kühlstruktur einer neunten Ausführungsform gemäß der vorliegende Erfindung,
15 eine schematische Schnitt-Seitenansicht zur Darstellung der Struktur einer Gasturbinenbrennkammer und eines Kühlsystems derselben nach dem Stand der Technik, wobei 15(a) und 15(b) Beispiele eines luftgekühlten Systems zeigen, und 15(c) ein Beispiel eines dampfgekühlten Systems zeigt,
16 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Endrohr-Wandstruktur der Gasturbinenbrennkammer des luftgekühlten Systems nach dem Stand der Technik,
17 eine vergrößerte Schnitt-Seitenansicht der in 15(c) gezeigten dampfgekühlten Brennkammer, und
18 eine Schnitt-Seitenansicht einer oberen Hälfte eines Pilotkonus der Gasturbinenbrennkammer nach dem Stand der Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachstehend werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung konkret mit Bezug auf die Figuren beschrieben. 1 ist eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer ersten Ausführungsform, und 2 ist eine Schnittansicht längs einer Linie A-A von 1, wobei 2(a) die Wand mit einer konstanten Querschnittsform einer Nut bzw. Rille darin zeigt, und 2(b) und 2(c) modifizierte Formen derselben mit jeweils veränderten Querschnittsformen der Nuten zeigt. Die in 1 gezeigte Wandstruktur ist auf eine Wand der Gasturbinenbrennkammer-Endrohre 105, 110 nach dem Stand der Technik anwendbar, die in Bezug auf 15(a) und 15(b) beschrieben sind, wobei die Brennkammer-Endrohre durch Luft gekühlt werden.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine äußere Platte, die eine Außenwandfläche 1 eines Endrohrs bildet. Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Nut bzw. Rille, die in mehreren Teilen an der äußeren Platte 1 vorgesehen ist und eine Querschnittsform aufweist, deren Breite sich in konisch zulaufender Form ändert. Diese konisch zulaufende bzw. sich verjüngende Form ist linear oder in einer sanften Kurve ausgebildet. Ein Lufteinlassloch 3 ist in mehreren Stücken in die äußere Platte 1 gebohrt, so dass es mit der darin vorgesehenen Nut bzw. Rille in Verbindung steht. Bezugsziffer 4 bezeichnet eine innere Platte. Ein Luftauslassloch 5 ist in mehreren Teilen in diese gebohrt, um sie in Bezug miteinander zu setzen. Die innere Platte 4 und die äußere Platte 1 sind aus hitzebeständigem Material wie Hastelloy X, Tomilloy oder SUS-Material wie beim Stand der Technik gefertigt und sind durch Überlappen zusammengefügt, um so eine Öffnungsseite der Nut bzw. Rille 2 zu bedecken.
Das Luftauslassloch der inneren Platte 4 ist so angeordnet, dass es mit der Nut bzw. Rille 2 der äußeren Platte 1 in Verbindung steht, und dass es mit einem vorbestimmten Abstand von dem Lufteinlassloch 3 der äußeren Platte 1 zwischen zweien der Lufteinlasslöcher 3 entlang der Nut 2 positioniert ist. Die Breite der Nut bzw. Rille 2 vergrößert sich linear vom Lufteinlassloch 3 zum Luftauslassloch 5 hin, so dass sie an der Stelle des Lufteinlasslochs 3 am kleinsten und an der Stelle des Luftauslasslochs 5 am größten ist. Somit steht die Nut 2 mit beiden Löchern 3, 5 in dieser Form in Verbindung. Die jeweiligen Nuten bzw. Rillen 2 erstrecken sich von der stromaufwärtigen Seite des Endrohrs zu einem gasauslassseitigem Endabschnitt desselben und sind in der Umfangswand des Endrohrs mit einem vorbestimmten Abstand zwischen den Nuten 2, beispielsweise einem Abstand von 3,4 mm angeordnet.
In dem Beispiel von 2(a) ist die Nut bzw. Rille 2 mit einer konstanten Tiefe h an der Seite der Außenplatte 1 des Verbindungsabschnitts der Außenplatte 1 und der Innenplatte 4 ausgebildet, und während die Tiefe h konstant ist, vergrößert sich deren Breite linear, wie 1 zeigt. Das Lufteinlassloch 3 ist in die Außenplatte 1 gebohrt, das Luftauslassloch 5 in die Innenplatte 5, und beide Löcher 3, 5 sind mit der Nut 2 kommunizierend vorgesehen. Ein Durchmesser des Luftauslasslochs ist größer gestaltet als der des Einlasslochs 3, so dass ein Ausströmen des Kühlmediums gewährleistet und entsprechend dem vergrößerten Volumen der Nut bzw. Rille 2 erleichtert wird. Konkrete Abmessungen der obigen Struktur sind beispielsweise etwa 3,2 mm Dicke der äußeren Platte 1, etwa 0,6 mm Dicke der inneren Platte 4 und etwa 1,6 mm der Tiefe h.
In dem Beispiel der 2(b) verringert sich die Höhe der Nut 2(a) linear vom Lufteinlassloch 3 zum Luftauslassloch 5 hin, und ihre Breite vergrößert sich in konischer Form, wie in 1 gezeigt ist. Ferner ist gemäß 2(c) die Tiefe der Nut 2 am Lufteinlassloch 3 umgekehrt zum Fall der 2(b) gering, um sich dann in konischer Form zu vergrößern und am Luftauslassloch 5 größer zu werden, und ihre Breite vergrößert sich ebenfalls in konischer Form, wie in 1 gezeigt ist. Es ist anzumerken, dass die erwähnte konisch zulaufende Form, die sich in der Tiefenrichtung verändert, auch linear oder in einer sanften Kurve gestaltet sein kann.
Die Beispiele der 2(b) und 2(c) sind solche, bei denen sich die Form der Nut 2 dreidimensional ändert, und ihre Kühlstrukturen können durch Einstellen der konisch zulaufenden Form in geeigneter Weise gestaltet werden, so dass eine Strömungsgeschwindigkeit und ein Druckverlust, der in der Nut bzw. Rille 2 strömenden Kühlluft entsprechend der Position und durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckverlustes auf geeignete Werte gemäß dem Verteilungszustand der Temperatur und der Wärmebeanspruchung in dem Endrohr einstellbar bzw. anpassbar sein können. Eine Bearbeitung der Nut 2, die kaum durch Fräsen vorgenommen wird, wird durch eine Elektroentladungsbearbeitung oder eine elektrochemische Bearbeitung vorgenommen.
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, strömt Kühlluft 300 in die Nut 2, 2a oder 2b durch das in mehreren Teilen in der Umfangswand des Endrohrs vorgesehene Lufteinlassloch 3, um in einander entgegengesetzten Richtungen zur Kühlung der Wand getrennt zu strömen, und strömt aus dem Luftauslassloch 5 aus, das in gleichen Abständen zwischen den Luftlöchern in der Nutenrichtung vorgesehen ist, um in das Endrohr einzutreten. Die in das Lufteinlassloch 3 eintretende Luft weist eine Temperatur von 350 bis 400°C auf, und während sie die Wand kühlt, wird sie auf etwa 600°C erwärmt, wenn sie in das Endrohr ausströmt.
Während die von dem Lufteinlassloch 3 aufgenommene Luft durch die Nut 2, 2a oder 2b strömt, wird sie erwärmt und expandiert zu einem größeren Volumen, so dass ihre Strömungsgeschwindigkeit am Luftauslassloch 5 zunimmt, um dadurch den Druckverlust der Luft zu erhöhen, wenn der Querschnitt der Nut konstant ist, wie im vorbekannten Fall. In der vorliegenden ersten Ausführungsform jedoch vergrößert sich die Querschnittsform der Nut 2 zweidimensional oder dreidimensional, wenn sie sich dem Luftauslassloch 5 annähert, womit die Strömungsgeschwindigkeitszunahme gemindert wird und der Druckverlust verringert werden kann.
In der vorliegenden ersten Ausführungsform ist zwar das Beispiel so beschrieben, dass das Lufteinlassloch 3 und das Luftauslassloch 5 jeweils in mehreren Teilen vorgesehen sind und die Querschnittsform der Nut 2, 2a oder 2b sich zweidimensional oder dreidimensional ändert, die Querschnittsform der in den 1 und 2 gezeigten Nut kann aber auch als die Querschnittsform der dampfgekühlten Nut in dem dampfgekühlten System ohne Lufteinlass- oder -auslassloch, aber mit dem Dampfzuführdurchgang 115 und den Dampfrückführdurchgängen 116, 117, wie in den 15c oder 17 gezeigt ist, angewandt werden, und auch in diesem Fall kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie bei dem luftgekühlten System.
3 ist eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer zweiten Ausführungsform, wobei 3(a) ein Beispiel mit Verwirbelungselementen und einer Nut zeigt, und 3(b) ein Beispiel mit Ausnehmungsabschnitten in einer Nut zeigt. In 3 bezeichnen die Bezugsziffern 1 bis 5 jeweils gleiche Teile wie die der in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform. Die Kühlstruktur in 3(a) hat ein Verwirbelungselement 6, das in mehreren von einer Innenwandfläche der Nut 2 vorstehenden Teilen vorgesehen und orthogonal zur Strömungsrichtung der Kühlluft angeordnet ist, wodurch die Strömung der Kühlluft verwirbelt wird und die Wärmeübertragungsrate verbessert wird. Das Beispiel der 3(b) hat einen Ausnehmungsabschnitt 7 anstelle des Verwirbelungselements 6, der in mehreren Teilen in der Innenwandfläche der Nut 2 auch als Aussparung ausgebildet ist, wodurch die Strömung der Kühlluft ebenfalls verwirbelt wird und die Wärmeübertragungsrate verbessert wird. Es ist anzumerken, dass das Verwirbelungselement 6 oder der Ausnehmungsabschnitt 7 entlang der gesamten Länge der Nut 2 oder teilweise entsprechend den benötigten Abschnitten vorgesehen sein kann.
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Nut 2 der 3, wobei 4(a) eine Schnittansicht längs einer Linie B-B der 3(a) ist, und 4(b) eine Schnittansicht längs einer Linie C-C von 3(b). Wie in 4(a) gezeigt ist, ist das Verwirbelungselement 6 entlang der Innenwandfläche der Nut 2 von dieser vorstehend ausgebildet. In 4(b) ist der Ausnehmungsabschnitt 7 entlang der Innenwandfläche der Nut 2 darin eingelassen ausgebildet. Durch diese Bereitstellung des Verwirbelungselements 6 oder des Ausnehmungsabschnitts 7 orthogonal zur Strömungsrichtung der Kühlluft wird deren Strömung turbulent bzw. verwirbelt, und die Wärmeübertragungsrate wird verbessert.
In der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform vergrößert sich die Querschnittsform der Nut 2 allmählich von dem Einlassloch 3 zum Auslassloch 5 hin, um dadurch eine durch die Wärmedehnung der Kühlluft verursachte Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit zu mindern und den Druckverlust zu reduzieren, andererseits aber wird die Kühlleistung nahe dem Luftauslassloch 5 reduziert. In der vorliegenden zweiten Ausführungsform ist das Verwirbelungselement 6 oder der Ausnehmungsabschnitt 7 so vorgesehen, das die Wärmeübertragungsrate verbessert wird, wodurch die auf diese Weise reduzierte Kühlleistung zurückgewonnen werden kann. Es ist anzumerken, dass die Struktur der zweiten Ausführungsform auch auf die Nut des in 17 gezeigten dampfgekühlten Systems angewandt werden kann.
5 ist eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer dritten Ausführungsform. In 5 ist ein Lufteinlassloch 3 in mehreren Teilen in die äußere Platte 1 wie beim vorbekannten Fall gebohrt. Während eine Nut bzw. Rille 12 ebenfalls in mehreren Teilen in der äußeren Platte 1 vorgesehen ist, ist die Querschnittsform der Nut 12 in zwei konstanten Formen ausgebildet, wobei eine in einer Öffnung 12a mit einer geringeren Breite mit einer vorbestimmten Länge auf beiden Seiten der Strömungsrichtung der Kühlluft des Lufteinlasslochs 3 ausgebildet ist, und die andere mit einer größeren Breite auf einer Seite des Luftauslasslochs 5, wobei das Luftauslassloch 5 wie beim vorbekannten Fall in die innere Platte 4 gebohrt ist.
In der dritten Ausführungsform nach obigem Aufbau tritt Kühlluft, die um einen Außenumfang des Endrohrs strömt, in das Lufteinlassloch 3 ein, um in die Öffnung 12a der Nut 12 zu strömen. Dann wird die Luft getrennt, um in einander entgegengesetzten Richtungen entlang der Nut 12 jeweils zum Luftauslassloch 5 zur Kühlung der Wand zu strömen, und während die Luft erwärmt wird und expandiert, vergrößert sich die Breite der Nut 12 nahe dem Luftauslassloch 5, um den Querschnittsbereich der Nut 12 zu erhöhen, wodurch die Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit der Luft gemindert wird, eine Zunahme des Druckverlustes verhindert wird und die gleiche Wirkung erzielt werden kann wie bei der ersten Ausführungsform.
In der dritten Ausführungsform der 5 ist zwar die Querschnittsform der Nut 12 so beschrieben, dass sie zwei konstante Formen aufweist, sie kann aber auch so verändert werden, dass sie sich allmählich zweidimensional in einer Tiefenrichtung der Nut 12 zum Luftauslassloch 5 hin verändert. Falls das Verwirbelungselement oder der Ausnehmungsabschnitt in der Nut 12 vorgesehen ist, wird ferner die Wärmeübertragungsrate verbessert und die Kühlleistung kann verbessert werden. Außerdem kann selbstverständlich die Struktur der dritten Ausführungsform auch auf die Nuten- bzw. Rillenform des in 13 gezeigten dampfgekühlten Systems angewandt und die gleiche Wirkung erzielt werden.
6 ist eine Schnittansicht einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer vierten Ausführungsform, wobei 6(a) ein Beispiel mit einem schräg bzw. geneigt vorgesehenen Luftauslassloch zeigt, und 6(b) ein Beispiel mit einer am Auslassabschnitt des Luftauslasslochs vorgesehenen Abdeckung zeigt. In 6(a) ist im Unterschied zu den ersten und zweiten Ausführungsformen, die in den 1 und 2 gezeigt sind, und der dritten Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, ein Aufbau gezeigt, der ein schräg zur Verbrennungsgas-Strömungsrichtung G vorgesehenes Luftauslassloch 15 aufweist, wobei die anderen Teile die gleichen sind, wie die in 1 und 2 gezeigten.
Bei diesem Aufbau tritt Kühlluft 300 um das Endrohr herum in die Nut 2 oder 12 durch das Lufteinlassloch 3 ein, um darin zur Kühlung der Wand zu strömen, und strömt aus dem Luftauslassloch 15 schräg in das Endrohr. Dann strömt die Luft entlang der inneren Platte 4 in der Verbrennungsgas-Strömungsrichtung G, womit die Wandfläche nahe dem Luftauslassloch 15 gekühlt und die Kühlwirkung verstärkt wird.
In 6(b) ist das Luftauslassloch 5 nicht ein schräggestelltes wie das Luftauslassloch 15, sondern das gleiche Loch wie das der 1, 2 und 5, und hat eine Abdeckung 8, die am Auslassabschnitt vorgesehen ist. Der Aufbau der anderen Abschnitte ist der gleiche wie der in den 1, 2 und 5 gezeigte. Auch bei dieser Struktur strömt aus dem Luftauslassloch 5 in das Endrohrstück ausströmende Luft in der Verbrennungsgas-Strömungsrichtung G entlang der inneren Platte 4, womit die gleiche Wirkung wie bei 6(a) erzielt werden kann und die Kühlwirkung verbessert wird.
7 ist eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer- Kühlstruktur einer fünften Ausführungsform. 8 ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht der Wand in 7. In den 7 und 8 ist ein Lufteinlassloch 3 in mehreren Teilen in die äußere Platte 1 gebohrt, und eine Nut 9 ist in mehreren Teilen darin vorgesehen. Ferner ist ein Luftauslassloch 5 oder 15 in mehreren Teilen in die innere Platte 4 gebohrt. Die Nut 9 ist in einer Wellenform in der Form des Buchstabens S ausgebildet, wie dort gezeigt ist, und steht mit dem Lufteinlassloch 3 und dem Luftauslassloch 5 oder 15 in Verbindung. Das Luftauslassloch 5 oder 15 ist an den betreffenden Seiten des Lufteinlasslochs 3 in der Richtung der Nut 9 im gleichen Abstand vom Lufteinlassloch 3 angeordnet.
In der fünften Ausführungsform nach obigem Aufbau strömt die Kühlluft in der Nut 9 vom Außenumfang des Endrohrs durch das Lufteinlassloch 3, um in der Wellenform des Buchstaben S zur Kühlung der Wand zu strömen, und strömt aus dem Luftauslassloch 5 oder 15 in das Endrohr aus. Da die Nut 9 in der Wellenform hergestellt ist, wird die Strömungslänge der Nut 9 länger als eine Nut linearer Form, und der Kühldurchgang derselben kann verlängert werden, speziell in einem kurzen Abschnitt der Länge, wodurch eine Gestaltung zur Erzielung einer notwendigen Kühlwirkung mit der minimalen Kühlluft möglich wird, eine Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit, des Druckverlustes und der Wärmeübertragung der Kühlluft hinsichtlich der Temperaturverteilung und der Kühldurchgangslänge vorgenommen werden kann, die Wärmebeanspruchung gemindert wird, um Risse zu verhindern, etc., und die Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
Es ist anzumerken, dass das Verwirbelungselement 6 oder der Außenumfangsabschnitt 7 gemäß den 3 und 4 in der in 7 und 8 dargestellten Nut 9 vorgesehen werden kann, und auch die in 5 gezeigte Öffnung 12a in einem gegebenen Abschnitt auf beiden Seiten des Lufteinlasslochs in der Nutrichtung vorgesehen sein kann, oder eine zweidimensionale oder dreidimensionale Änderung des Querschnitts gemäß 1 je nach Fall vorgesehen sein kann. Ferner kann die Form der Nut 9 auch auf den Dampfdurchgang des dampfgekühlten Systems gemäß 17 angewandt werden, wobei die gleiche Wirkung erzielt werden kann.
9 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer sechsten Ausführungsform, wobei 9(a) ein Beispiel mit einer Nut von linearer Form zeigt, und 9(b) ein Beispiel mit einer Nut von Wellenform zeigt. Das Beispiel der 9(a) ist so aufgebaut, dass die Struktur der 1 derart modifiziert ist, dass ein Lufteinlassloch 3 und ein Luftauslassloch 5 aneinandergrenzend zwischen aneinandergrenzenden Nuten 2 angeordnet sind, und die beiden Strömungsrichtungen der Kühlluft 300, die in den aneinandergrenzenden Nuten bzw. Rillen 2 strömt, einander entgegengesetzt sind.
Ferner ist das Beispiel in 9(b) so aufgebaut, dass ein Lufteinlassloch 3 und ein Luftauslassloch 5 aneinandergrenzend zwischen aneinandergrenzenden Nuten bzw. Rillen 9 angeordnet sind, so dass die beiden Strömungsrichtungen der in den aneinandergrenzenden Nuten 9 strömenden Kühlluft einander entgegengesetzt sind. Es ist anzumerken, dass, obwohl dies nicht dargestellt ist, die in 5 gezeigte Struktur auch so aufgebaut sein kann, dass die Kühlluft auf die gleiche Weise wie in 9 strömt. Ferner können die Beispiele der 9 mit dem Verwirbelungselement 6 oder dem Ausnehmungsabschnitt 7 gemäß 2 versehen sein und auch mit dem Luftauslassloch 15 oder der Abdeckung 8 gemäß 6 versehen sein.
In der sechsten Ausführungsform nach obigem Aufbau strömt die Kühlluft 300 in entgegengesetzten Richtungen zwischen einander benachbarten Nuten, wodurch der gesamte Abschnitt der Wand gleichmäßig gekühlt werden kann, eine Temperaturverteilung in der Kühlung des Endrohrs vereinheitlicht werden kann und eine Unausgeglichenheit des Auftretens einer Wärmebeanspruchung aufgehoben wird. Es ist anzumerken, dass die in 9 gezeigte Kühlstruktur auch auf den Dampfdurchgang in dem dampfgekühlten System gemäß 17 angewandt werden kann, so dass Kühldampf in entgegengesetzten Richtungen zwischen aneinandergrenzenden Dampfdurchgängen strömt, um dadurch eine Unausgeglichenheit in der Kühlung aufzuheben.
10 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Wand einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer siebten Ausführungsform, wobei 10(a) ein Beispiel zeigt, bei dem ein Luftauslassloch an einem Verbindungsabschnitt der Wand vorgesehen ist, und 10(b) zeigt ein Beispiel, bei dem ein Lufteinlassloch an dem Verbindungsabschnitt der Wand vorgesehen ist. Diese Kühlstrukturen des Verbindungsabschnitts der Wand können auf alle geschweißten Verbindungsabschnitte der Wand in den Kühlstrukturen der ersten bis sechsten oben beschriebenen Ausführungsformen angewandt werden.
In 10(a) bezeichnet die Bezugsziffer 20 den Verbindungsabschnitt, wobei die das Endrohr bildenden Wände durch Verschweißung miteinander verbunden sind, um das Endrohr zu bilden. Eine Nut bzw. Rille 2 ist in mehreren Teilen in einer äußeren Platte 1 ausgebildet, und ein Lufteinlassloch 3 ist in mehreren Teilen mit einem vorbestimmten Abstand von Loch zu Loch entlang der Nutenrichtung angeordnet. In einer inneren Platte 4, die mit der äußeren Platte 1 verbunden ist, ist ein Luftauslassloch 5 in mehreren Teilen auf beiden Seiten des Lufteinlasslochs 3 entlang der Nutenrichtung mit einem vorbestimmten Abstand vom Lufteinlassloch 3 angeordnet. Somit sind an dem Verbindungsabschnitt 20 diese Löcher 3, 5 nicht immer mit den vorbestimmten Dimensionen relativ zu einem Ende der Nut 2 angeordnet.
Wie in 10(a) gezeigt ist, ist ein Durchgangsloch 10 an einem Ende der Nut 2 in der Verbindungsrichtung 20 der Wand gebohrt, um die äußere Platte 1 und die innere Platte 4 zu durchsetzen. Kühlluft strömt vom Lufteinlassloch 3 in das Durchgangsloch 10, und damit diese Kühlluft in das Endrohr strömt, ist eine Abdeckung 11 in das Durchgangsloch 10 von außerhalb der äußeren Platte 1 eingesetzt, um die Außenseite hiervon zu verschließen. Somit strömt die Luft zur gegenüberliegenden Seite der inneren Platte 4, um vom Ende der Nut 2 in das Endrohr zu strömen.
11 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts von 10, wobei 11(a) längs einer Linie D-D von 10(a) verläuft, und 11(b) längs einer Linie E-E von 10 verläuft.
In 11(a) ist das Durchgangsloch 10 so gebohrt, dass es die äußere Platte 1 und die innere Platte 4 durchsetzt, und die Abdeckung 11 ist in den Abschnitt der äußeren Platte 1 des Durchgangslochs 10 so eingesetzt, dass die durch die Nut 2 strömende Kühlluft zur Seite der inneren Platte 4 hin strömt, um vom Ende der Nut 2 in das Endrohr als Luft 301 auszuströmen.
In 10(b) ist ein Durchgangsloch 10 auf ähnliche Weise am Ende der Nut 2 in dem Verbindungsabschnitt 20 der Wand vorgesehen. Das Durchgangsloch 10 steht in Verbindung mit der Nut 2, und ein Luftauslassloch 5 ist stromauf des Durchgangslochs 10 in der Richtung der Nut 2 vorgesehen, wobei beabsichtigt ist, dass in das Durchgangsloch 10 eintretende Kühlluft aus diesem stromaufwärtigen Luftauslassloch 5 in das Endrohr ausströmt. Für diesen Zweck ist eine Abdeckung 11 in das Durchgangsloch 10 von der Seite der Innenplatte 4 her eingesetzt, so dass die in das Durchgangsloch 10 am Ende der Nut 2 um das Endrohr herum eintretende Kühlluft durch die Nut 2 strömt und aus dem stromaufwärtigen Luftauslassloch 5 in das Endrohr ausströmt.
In 11b ist das Durchgangsloch 10 so gebohrt, dass es die äußere Platte 1 und die innere Platte 4 durchsetzt, die Abdeckung 11 ist in den Abschnitt der inneren Platte 4 eingesetzt, und die Luft 300 strömt in das Durchgangsloch 10 vom Außenumfang des Endrohrs ein, um durch die Nut bzw. Rille 2 zu strömen. Durch Anwenden der Struktur des Verbindungsabschnitts der siebten Ausführungsform auf die Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur strömt die Kühlluft durch alle Endabschnitte der Nuten bzw. Rillen in dem Verbindungsabschnitt der Endrohrwand, wodurch die Wand des Verbindungsabschnitts 20 gleichmäßig gekühlt werden kann.
12 ist eine Draufsicht auf einen Wandverbindungsabschnitt einer Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur einer achten Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist ein auf ein Endrohr eines dampfgekühlten Systems angewandtes Beispiel. In 12 bezeichnet die Bezugsziffer 20 einen Verbindungsabschnitt von inneren Platten 1, die durch Verschweißen miteinander verbunden sind, um das Endrohr zu bilden. Dampfdurchgänge 118, 119 sind jeweils in mehreren Teilen in einer äußeren Platte 1 vorgesehen, und wie in 17 beschrieben ist, wird Dampf 200 zugeführt, um über diese Dampfdurchgänge 118, 119 aus dem Dampfzuführdurchgang 115 auszuströmen. Während der Dampf durch diese Dampfdurchgänge 118, 119 strömt, kühlt er die Wand, und der dadurch erwärmte Dampf sammelt sich in den Dampfrückführdurchgängen 201, 202, um zurückgeführt zu werden. Folglich müssen die Dampfdurchgänge 118, 119 mit stromabseitigen Dampfdurchgängen (nicht dargestellt) am Verbindungsabschnitt 20 der Wand kommunizieren, und für diesen Zweck ist eine Verbindungsabschnittsnut bzw -rille 21 in dem Verbindungsabschnitt 20 der Wand ausgebildet, so dass die jeweiligen Dampfdurchgänge 118, 119 mit der Verbindungsabschnittsnut 121 in Verbindung stehen.
13 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils von 12, wobei 113(a) längs einer Linie F-F von 12 und 13(b) längs einer Linie G-G von 12 verläuft. In 13 sind die inneren Platten 4 durch Verschweißen miteinander verbunden, um den Verbindungsabschnitt 20 zu bilden, und die Verbindungsabschnittsnut 21 ist mit einer vorbestimmten Breite im Verbindungsabschnitt 20 der inneren Platten 1 ausgebildet. Eine Abdeckung 16 ist in die Verbindungsabschnittsnut 21 von der Seite der äußeren Platte 1 her eingesetzt, um die Nut zu verschließen, um darin ein Dampfreservoir zu bilden. Der in die Verbindungsabschnittsnut 21 aus den mehreren Dampfdurchgängen 118, 119 eintretende Dampf wird dann den (nicht dargestellten) Dampfdurchgängen in den angrenzenden Wänden zugeführt oder aus diesen zurückgeführt.
Der Verbindungsabschnitt der oben beschriebenen achten Ausführungsform kann auf Wandverbinduncisabschnitte der Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur des dampfgekühlten Systems mit den Querschnittsformen und Nutenanordnungen der ersten bis dritten, fünften und sechsten Ausführungsformen angewandt werden, und die Struktur der Dampfdurchgänge in dem Verbindungsabschnitt kann einfach hergestellt werden.
14 ist eine Schnitt-Seitenansicht eines oberen halben Abschnitts einer Gasturbinenbrennkammer-Pilotkonus-Kühlstruktur einer neunten Ausführungsform. Diese Kühlstruktur ist auf eine Wand des Pilotkonus, wie er in 18 beschrieben ist, der in den 15b und 15c gezeigten Brennkammer angewandt. In 14 bezeichnet die Bezugsziffer 30 einen Pilotkonus bzw. Pilotkegel, und die Kühlstruktur der vorliegenden Erfindung ist auf eine Wand des Pilotkonus 30 angewandt. Die Bezugsziffer 131 bezeichnet einen Führungsring, welcher der gleiche ist, wie beim Stand der Technik, um die Wand des Pilotkonus 30 am Verbindungsabschnitt 132 zu haltern. Die Bezugsziffer 300 bezeichnet Kühlluft, die entlang einer Außenfläche der Wand des Pilotkonus 30 in der Strömungsrichtung des Pilot-Verbrennungsgases G zum Kühlen der Wand strömt, und, wie durch einen Pfeil 301 gezeigt ist, ausströmt. Die Kühlstruktur der neunten Ausführungsform ist mittels irgendeiner der Kühlstrukturen der ersten bis achten Ausführungsformen gemäß den 1 bis 11 aufgebaut und auf die Wand des Pilotkonus 30 angewandt. D. h., während die Kühlstrukturen der ersten bis achten Ausführungsformen auf die Wand des Brennkammer-Endrohrs, etc. als die zu kühlenden Hochtemperaturabschnitte der Gasturbinenbrennkammer angewandt sind, ist die Kühlstruktur der neunten Ausführungsform mittels der gleichen Kühlstrukturen aufgebaut, die auf die Wand des Pilotkonus angewandt sind, ebenso wie der zu kühlende Hochtemperaturabschnitt der Gasturbinenbrennkammer, da die Basisstruktur zur Durchführung der Kühlung allgemein auch auf die neunte Ausführungsform angewandt werden kann.
Deshalb ist, wenn die Wand des Pilotkonus 30 von 14 in einer Draufsicht gezeigt ist, diese die gleiche wie die Drauf sichten auf die in den 1 bis 11 gezeigte Wand, und die Beschreibung hierzu ist ebenfalls die gleiche und fällt weg.

Claims

Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur zum Kühlen eines Hochtemperaturabschnitts einer Gasturbinenbrennkammer, wie z. B. eines Wandabschnitts oder eines Steuerkonus, durch Zuführen eines Kühlmediums in den Hochtemperaturabschnitt, umfassend: mehrere Kühlmediumdurchgänge (2, 2a, 2b; 9; 118, 119), die in mehreren Reihen entlang einer Verbrennungsgas-Strömungsrichtung (G) in einer Komponente (1, 4) des Hochtemperaturabschnitts vorgesehen sind; wobei die Kühlmediumdurchgänge (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) jeweils eine Kühlmedium-Einlaßöffnung (3; 115), durch die das Kühlmedium in den Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) zugeführt wird, und eine Kühlmedium-Auslaßöffnung (5; 116, 117), von der das Kühlmedium aus dem Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) zurückgeführt bzw. zurückgewonnen wird, aufweisen, wobei die Kühlmedium-Einlaßöffnung (3; 115) und -auslaßöffnung (5; 116, 117) miteinander kommunizieren und mit einem vorbestimmten Intervall dazwischen entlang dem Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) angeordnet sind, wobei das Intervall der Kühlmediumdurchgänge (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) zwischen der Kühlmedium-Einlaßöffnung (3; 125) und -auslassöffnung (5; 116, 117) einen vorbestimmten Abschnitt umfasst, der eine Durchgangs-Querschnittsbreite oder -tiefe oder eine Durchgangsform aufweist, die sich in einer vorbestimmten Form entlang einer Kühlmedium-Strömungsrichtung ändert, und wobei die Kühlmedium-Einlaßöffnung (3; 115) und Auslassöffnung (5; 116, 117) in den Kühlmediumdurchgängen (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) so angeordnet sind, dass die Kühlmedium-Strömungsrichtungen in aneinandergrenzenden Kühlmediumdurchgängen (2, 2a, 2b; 9; 118, 119) einander entgegengesetzt sind.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 1, wobei Kühlluft als das Kühlmedium verwendet wird, der Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b; 9) eine Vielzahl von Lufteinlasslöchern (3) aufweist, die als die Kühlmedium-Einlaßöffnung dienen, sowie mehrere Luftauslasslöcher (5), die als die Kühlmedium-Auslaßöffnung dienen, und die miteinander kommunizieren und sequentiell mit einem vorbestimmten Intervall dazwischen entlang des Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b; 9) angeordnet sind, und wobei die Kühlluft von den Lufteinlasslöchern (3) in dem Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b; 9) hinein sowie aus den Luftauslasslöchern (5) herauas in die Gasturbinenbrennkammer strömen kann.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 2, wobei das Luftauslassloch (15) schräg vorgesehen ist, so dass das Kühlmedium aus diesem in den Kombustor entlang der Verbrennungsgas-Strömungsrichtung (G) strömen kann.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 2, wobei das Luftauslassloch (5) eine Abdeckung (8) aufweist, die in der Umgebung eines Auslasses desselben vorgesehen ist, so dass das Kühlmedium (301) entlang der Verbrennungsgas-Strömungsrichtung (G) ausströmen kann.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 2, wobei der Kühlmediumdurchgang (2, 2a, 2b) einen Endabschnitt aufweist, der mit einem mittleren Abschnitt eines Lochs (10) kommuniziert, welches in einer solchen Position vorgesehen ist, dass es dem Endabschnitt des Kühlmediumdurchgangs (2, 2a, 2b) entspricht, so dass es den Hochtemperaturabschnitt von einer Außenseite zu einer Innenseite desselben durchsetzt, und wobei das Loch (10) eine Abdeckung (11) aufweist, die in das Loch (10) eingesetzt vorgesehen ist, um dieses entweder von der Außenseite oder der Innenseite des Hochtemperaturabschnitts zu verschließen.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 2, wobei ein Durchmesser des Luftauslasslochs (5) größer als der des Lufteinlasslochs (3) gestaltet ist.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 1, wobei Kühldampf als Kühlmedium eingesetzt wird, und der Kühlmediumdurchgang (118, 119) eine Dampfzuführöffnung (15) aufweist, die als die Kühlmedium-Einlaßöffnung dient, sowie eine Dampfrückführöffnung (116, 117), die als die Kühlmedium-Auslaßöffnung dient.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach Anspruch 7, wobei die Gasturbinenbrennkammer an einem Wandverbindungsabschnitt (20) eine Verbindungsabschnittsrille bzw. -nut (21) aufweist, die darin so vorgesehen ist, dass der Kühlmediumdurchgang (118, 119) mit der Verbindungsabschnittsrille bzw. -nut (21) kommuniziert.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Durchgangsquerschnittsbreite oder -tiefe oder die Durchgangsform in dem vorbestimmten Abschnitt sich allmählich entlang der Kühlmedium-Strömungsrichtung ändert.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der vorbestimmte Abschnitt, in dem sich die Durchgangs-Querschnittsbreite oder -tiefe oder die Durchgangsform ändert, einen Abschnitt (12) umfasst, dessen Durchgangs-Querschnittsfläche konstant ist, sowie einen Abschnitt (12a) dessen Durchgangs-Querschnittsfläche kleiner ist als die konstante, wobei die Abschnitte (12, 12a) alternierend so angeordnet sind, dass sie miteinander kommunizieren.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kühlmediumdurchgang (2; 118, 119) mehrere Turbulatoren bzw. Verwirbelungselemente (6) aufweist, die in dem vorbestimmten Abschnitt des Kühlmediumdurchgangs (2; 118, 119) vorgesehen sind.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kühlmediumdurchgang (2; 118, 119) mehrere zurückversetzte Nuten bzw. Rillen (7) aufweist, die in einer Wand (1, 4) des vorbestimmten Abschnitts des Kühlmediumdurchgangs (2; 118, 119) so vorgesehen sind, dass sie orthogonal zu der Kühlmedium-Strömungsrichtung angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Kühlmediumdurchgang (2) eine Durchgangs-Querschnittsfläche aufweist, die sich allmählich entlang der Kühlmedium-Strömungsrichtung vergrößert.
Gasturbinenbrennkammer-Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Kühlmediumdurchgang (9) eine Wellenform entlang der Kühlmedium-Strömungsrichtung aufweist.