EP0599055B1 - Gasturbinenbrennkammer - Google Patents

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EP0599055B1
EP0599055B1 EP93116942A EP93116942A EP0599055B1 EP 0599055 B1 EP0599055 B1 EP 0599055B1 EP 93116942 A EP93116942 A EP 93116942A EP 93116942 A EP93116942 A EP 93116942A EP 0599055 B1 EP0599055 B1 EP 0599055B1
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EP
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cooling
tubes
combustion chamber
impingement
height
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EP93116942A
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English (en)
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Burkhard Dr. Schulte-Werning
Roger Suter
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/54—Reverse-flow combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine combustion chamber in which the combustion chamber wall is cooled by means of impingement cooling.
  • Such gas turbine combustors are known.
  • a perforated plate is used which generates a cooling gas jet in such a way that it strikes the underlying surface perpendicularly and cools it.
  • the perforated plate and the baffle surface together form a channel in which the incoming cooling air mass is transported on.
  • the heat transfer coefficient is greatest for the first cooling jet. It then decreases along the length of the impingement cooling duct, since the influence of the increasing cross-flow speed leads to an increasing deflection of the impingement jet.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of designing the cooling channel between the outer and inner jacket in a gas turbine combustion chamber for cooling the combustion chamber wall by means of impingement cooling in such a way that the cross-flow velocity in the cooling channel is constant and a uniform cooling effect is achieved. Furthermore is based on the additional task of achieving targeted control of the cooling effect.
  • tubes are arranged on the holes of the perforated plate in the cooling duct in such a way that the impinging air strikes the impingement surface perpendicularly, and that Perforated plate and the baffle form the cooling channel, achieved in that the height of the cooling channel in the cross-flow direction is continuously increasing in accordance with the cooling air supply, and the undesired cross-flow is thereby kept small.
  • the height of the tubes in the cross-flow direction is increasing so that the distance of the tubes from the impact surface is constant over the entire length of the cooling channel.
  • the diameter of the holes, the spacing of the holes from one another and the height of the tubes are selected as a function of the desired cooling effect. So z. B. at the end of countercurrent cooling of an annular combustion chamber, the cooling can be intensified locally in order to dissipate the high heat flows near the burner.
  • a gas turbine combustion chamber 1 part of a gas turbine combustion chamber 1 is shown. It is an annular combustion chamber with environmentally friendly burners 2 (double cone burners).
  • the inner wall of the gas turbine combustion chamber 1 is cooled by convective cooling with subsequent impingement cooling, i.e. the impact cooling section II connects to the convective cooling section I.
  • the transition to the burner inflow is designed as a small diffuser 8.
  • the cooling channel 5 between the perforated plate 3 and the baffle surface 4 has a linearly increasing height in the cross-flow direction.
  • This divergent cooling channel 5 causes a constant cross-flow velocity to arise, i.e. the mass supply via the perforated plate 3 is compensated for by a cross-sectional expansion. This measure leads to a reduction in the viscous pressure loss in the cooling channel 5 and a constant impact jet speed due to the now constant pressure difference across the perforated plate 3.
  • the heat transfer coefficient along the impingement cooling section II is kept constant and thus a very uniform heat dissipation is achieved.
  • the cooling effect can be influenced in a targeted manner by a suitable choice of the height of the tubes 7 and the diameter as well as the spacing of the holes 6, so that, for example, towards the end of countercurrent cooling of the combustion chamber 1 with environmentally friendly burners 2, the cooling can be intensified locally in order to accommodate the high heat flows dissipate near the burner 2.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer, bei welcher die Brennkammerwand mittels Prallkühlung gekühlt wird.
    • Stand der Technik
  • Derartige Gasturbinenbrennkammern sind bekannt. Zur Realisierung des Prallkühlungskonzepts, z. B. zur Kühlung einer Ringbrennkammerwand, wird mit einer Lochplatte gearbeitet, die einen Kühlgasstrahl derart erzeugt, dass er senkrecht auf die darunter liegende Oberfläche trifft und diese kühlt. Die Lochplatte und die Prallfläche bilden zusammen einen Kanal, in dem die einströmende Kühlluftmasse weitertransportiert wird.
  • Der Wärmeübergangskoeffizient ist für den ersten Kühlstrahl am grössten. Er nimmt dann entlang der Lauflänge des Prallkühlungskanals ab, da der Einfluss der wachsenden Querströmungsgeschwindigkeit zu einer zunehmenden Ablenkung des Prallstrahles führt.
  • Nach einer längeren Laufstrecke ist deshalb die Kühlwirkung bei dieser Prallkühlung nur noch geringfügig besser als bei einer reinen Konvektivkühlung.
  • Um dennoch über eine bestimmte Distanz eine einigermassen gleichmässige Kühlwirkung zu erreichen, wurden bisher die Prallkühlungsströmungen jeweils neu gestartet, so dass für den Wärmeübergangskoeffizienten in etwa ein sägezahnartiger Verlauf um einen geforderten Mittelwert erreicht wird.
  • Die Nachteile des Standes der Technik bestehen darin, dass keine gleichmässige Kühlwirkung über die gesamte Länge der Kühlstrecke erzielt wird und dass ein zusätzlicher Aufwand zum Neustart der Prallkühlungsströmungen getrieben werden muss.
  • Diese Nachteile können auch nicht mit der bekannten technischen Lösung aus DE-OS 28 36 539, bei der zur Verbesserung der Prallkühlwirkung in einem Heissgasgehäuse für Gasturbinen in die Öffnungen der Lochplatte Kühlluftführungen in Form von Röhrchen einer konstanten Länge eingesetzt werden, beseitigt werden.
  • Aus EP-A-0 239 020 ist eine Gasturbinenbrennkammer bekannt, bei der die Höhe des Prallkühlungskanals in Richtung des Brenners in dem Masse zunimmt, wie die Menge der Prallkühlluft ansteigt. Dadurch wird zwar der Druckverlust im Kühlkanal verringert, aber gleichzeitig wird der Weg des Kühlstrahles bis zum Auftreffen auf die Prallfläche vergrössert, so dass sich die Kühlwirkung verringert.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenbrennkammer zur Kühlung der Brennkammerwand mittels Prallkühlung den Kühlkanal zwischen Aussen- und Innenmantel so zu gestalten, dass die Querströmungsgeschwindigkeit im Kühlkanal konstant ist und eine gleichmässige Kühlwirkung erzielt wird. Desweiteren liegt ihr die zusätzliche Aufgabe zugrunde, eine gezielte Steuerung der Kühlwirkung zu erreichen.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einer Gasturbinenbrennkammer, bei welcher die Brennkammerwand mittels Prallkühlung kühlbar ist, wobei der Kühlgasstrahl durch eine Lochplatte auf die Prallfläche trifft, auf den Löchern der Lochplatte im Kühlkanal Röhrchen derart angeordnet sind, dass die Pralluft senkrecht auf die Prallfläche auftrifft, und die Lochplatte und die Prallfläche den Kühlkanal bilden, dadurch erreicht, dass die Höhe des Kühlkanals in Querströmungsrichtung entsprechend der Kühlluftzufuhr stetig zunehmend ist und dadurch die unerwünschte Querströmung klein gehalten wird. Ausserdem ist die Höhe der Röhrchen in Querströmungsrichtung so zunehmend, dass der Abstand der Röhrchen von der Prallfläche über die gesamte Länge des Kühlkanals konstant ist.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass im Kühlkanal eine konstante Querströmungsgeschwindigkeit herrscht, der viskose Druckverlust im Kühlkanal verringert wird und sich eine konstante Prallstrahlgeschwindigkeit einstellt. Entlang der Prallkühlstrecke wird der Wärmeübergangskoeffizient konstant gehalten, so dass eine sehr gleichmässige Wärmeabfuhr ermöglicht wird.
  • Es ist zweckmässig, wenn die Höhe des Kühlkanals und die Höhe der Röhrchen linear zunehmend sind.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Löcher, der Abstand der Löcher voneinander und die Höhe der Röhrchen in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlwirkung gewählt werden. So kann z. B. am Ende der Gegenstromkühlung einer Ringbrennkammer die Kühlung lokal intensiviert werden, um die hohen Wärmeströme in Brennernähe abzuführen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch eine Ringbrennkammer mit umweltfreundlichen Brennern (Doppelkegelbrenner). Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Figur ist ein Teil einer Gasturbinenbrennkammer 1 dargestellt. Es ist eine Ringbrennkammer mit umweltfreundlichen Brennern 2 (Doppelkegelbrenner). Die Innenwand der Gasturbinenbrennkammer 1 wird durch eine Konvektivkühlung mit anschliessender Prallkühlung gekühlt, d.h. an die Konvektivkühlstrecke I schliesst sich die Prallkühlstrecke II an. Um den Gesamtdruckverlust zu reduzieren, ist der Übergang zur Brennereinströmung als Kleindiffusor 8 ausgebildet.
  • Der Kühlkanal 5 zwischen Lochplatte 3 und Prallfläche 4 weist eine in Querströmungsrichtung linear zunehmende Höhe auf. Dieser divergente Kühlkanal 5 bewirkt, dass eine konstante Querströmungsgeschwindigkeit entsteht, d.h. die Massenzufuhr über die Lochplatte 3 wird durch eine Querschnittserweiterung ausgeglichen. Diese Massnahme führt zu einer Verringerung des viskosen Druckverlustes im Kühlkanal 5 sowie einer konstanten Prallstrahlgeschwindigkeit auf Grund der nun konstanten Druckdifferenz über die Lochplatte 3.
  • Allerdings verlängert sich dadurch auch der Weg des Kühlstrahles bis zum Auftreffen auf die Prallfläche 4, so dass auch eine geringe, entlang dieses Weges wirkende Querströmung den Kühlstrahl ablenken und damit die Kühlwirkung vermindern kann. Eine Kompensation wird dadurch erreicht, dass auf der Lochplatte 3 auf den Löchern 6 die Röhrchen 7 so aufgebracht werden, dass der Abstand zur Prallfläche 4 im Kühlkanal 5 konstant ist und die Pralluft in den Kanälen der Röhrchen 7 bis nahe an die Kühloberfläche (Prallfläche 4) herangebracht wird und dann senkrecht auf die Prallfläche 4 auftrifft.
  • Durch die Kombination der beiden Massnahmen wird der Wärmeübergangskoeffizient entlang der Prallkühlstrecke II konstant gehalten und damit eine sehr gleichmässige Wärmeabfuhr erzielt.
  • Durch geeignete Wahl der Höhe der Röhrchen 7 und des Durchmessers sowie des Abstandes der Löcher 6 voneinander kann die Kühlwirkung gezielt beeinflusst werden, so dass beispielsweise gegen Ende der Gegenstromkühlung der Brennkammer 1 mit umweltfreundlichen Brennern 2 die Kühlung lokal intensiviert werden kann, um die hohen Wärmeströme in der Nähe der Brenner 2 abzuführen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 Gasturbinenbrennkammer
    • 2 Brenner
    • 3 Lochplatte
    • 4 Prallfläche
    • 5 Kühlkanal
    • 6 Löcher
    • 7 Röhrchen
    • 8 Kleindiffusor
    • I Konvektivkühlstrecke
    • II Prallkühlstrecke

Claims (3)

  1. Gasturbinenbrennkammer, bei welcher die Brennkammerwand mittels Prallkühlung kühlbar ist, wobei der Kühlgasstrahl durch eine Lochplatte (3) auf die Prallfläche (4) trifft, auf den Löchern (6) der Lochplatte (3) im Kühlkanal Röhrchen (7) derart angeordnet sind, dass die Pralluft senkrecht auf die Prallfläche (4) auftrifft, und die Lochplatte (3) und die Prallfläche (4) den Kühlkanal (5) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Kühlkanals (5) in Querströmungsrichtung entsprechend der Kühlluftzufuhr stetig zunehmend ist und die Höhe der Röhrchen (6) in Querströmungsrichtung so zunehmend ist, dass der Abstand der Röhrchen (7) von der Prallfläche (4) über die gesamte Länge des Kühlkanals (5) konstant ist.
  2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Kühlkanals (5) und die Höhe der Röhrchen (7) linear zunehmend sind.
  3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Löcher (6), der Abstand der Löcher (6) voneinander und die Höhe der Röhrchen (7) in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlwirkung wählbar sind.
EP93116942A 1992-11-27 1993-10-20 Gasturbinenbrennkammer Expired - Lifetime EP0599055B1 (de)

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