EP0807211A1 - Ringdiffusor für eine gasturbinen-brennkammer - Google Patents

Ringdiffusor für eine gasturbinen-brennkammer

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EP0807211A1
EP0807211A1 EP96902919A EP96902919A EP0807211A1 EP 0807211 A1 EP0807211 A1 EP 0807211A1 EP 96902919 A EP96902919 A EP 96902919A EP 96902919 A EP96902919 A EP 96902919A EP 0807211 A1 EP0807211 A1 EP 0807211A1
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diffuser
ring
struts
gas turbine
turbine combustion
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William Kwan
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BMW Rolls Royce GmbH
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air

Definitions

  • the invention relates to an annular diffuser for a gas turbine combustion chamber with at least two annular diffuser channels which are essentially adjacent to one another in the radial direction and which, viewed in the circumferential direction, have a large number of air outlets separated from one another by struts.
  • Such a ring diffuser is known for supplying, in particular, staged gas turbine combustion chambers, ie. H. such combustion chambers, which in addition to main burners also have pilot burners, from US Pat. No. 5,077,967.
  • the diffuser channel located in the radial direction serves to supply the individual pilot burners, while the diffuser channel located in the radial direction supplies the main burner with air in particular.
  • the two annular diffuser channels are viewed in the circumferential direction, as usual, divided by a plurality of struts.
  • These struts extend between the inner and outer walls of the respective diffuser channel and serve on the one hand to support these channel walls, and on the other hand also to improve the air flow or distribution of the air flow among the several torches which are also arranged in a ring.
  • the struts of the diffuser channels which are adjacent to one another in the radial direction are arranged offset with respect to one another.
  • FIG. 1 shows a partial section through a ring diffuser
  • FIG. 2 shows the partial view X from FIG. 1.
  • the combustion air delivered by an axial compressor, not shown, is fed via an annular diffuser 1 to an annular gas turbine combustion chamber, also not shown.
  • annular diffuser 1 Between the inner wall 2a and the outer wall 2b of the ring diffuser 1, a plurality of guide vanes 4 are initially provided in the air flow direction (arrow direction 3), downstream of which the ring diffuser 1 branches into two annular diffuser channels 5a, 5b which are essentially adjacent to one another in the radial direction R.
  • the radially inner diffuser channel can, for example, supply the pilot burners of the stepped combustion chamber (not shown), while the outer diffuser channel 5b can be assigned to the respective main burners.
  • the diffuser channels 5a, 5b have a multiplicity of adjacent air outlets 6a and 6b, which are separated from one another by struts 7. These struts extend between the walls 2a, 2a 'and 2b, 2b' delimiting the respective diffuser channels 5a, 5b in the radial direction.
  • each strut 7 of the diffuser channel 5a is arranged offset to one another. This means that, viewed in the circumferential direction U, each strut 7 of the diffuser channel 5a is essentially between two struts 7 of the diffuser channel 5b and vice versa.
  • Another advantage of the strut arrangement shown is that the stresses in the component caused by temperature peaks or an uneven temperature distribution are reduced.
  • the walls of the outer diffuser duct 5b are still relatively cold, while the walls of the inner diffuser duct 5a are already warmed up by the hot air flow conveyed by the compressor part of the gas turbine according to arrow direction 3.
  • This different temperature distribution can lead to stress cracks, particularly in the area where the walls 2a 'and 2b' are brought together, in particular if this join or the two walls 2a ', 2b' are themselves relatively stiff.
  • the struts 7 - as shown - are arranged offset between the walls 2b and 2b 'or 2a and 2a' in the circumferential direction, this gives this entire component structure a certain softness which promotes the reduction of stress peaks. Possible stresses resulting from temperature peaks or an uneven temperature distribution can be derived therewith, so that the probability of cracks in the component due to the offset arrangement of the struts 7 is significantly reduced.
  • the same inventive effects can also be achieved if, for example, the struts 7 of the inner diffuser channel 5a do not lie exactly between the two struts 7 of the outer diffuser channel 5b, but more or less off-center with respect to the respective other air outlet 6b.

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Abstract

Ein Ringdiffusor (1) zur Versorgung beispielsweise der Pilotbrenner und der Hauptbrenner einer ringförmigen Gasturbinen-Brennkammer besitzt zumindest zwei in radialer Richtung im wesentlichen nebeneinanderliegende ringförmige Diffusorkanäle (5a, 5b). Diese Diffusorkanäle (5a, 5b) sind in Umfangsrichtung betrachtet durch eine Vielzahl von Streben (7) in nebeneinanderliegende Luftaustritte (6a, 6b) unterteilt. Dabei sind die Streben (7) der in radialer Richtung nenbeneinanderliegenden Diffusorkanäle (5a, 5b) zueinander versetzt angeordnet.

Description

Ringdiffusor für eine Gasturbinen-Brennkammer
Die Erfindung betrifft einen Ringdiffusor für eine Gasturbinen-Brennkammer mit zumindest zwei in radialer Richtung im wesentlichen nebeneinanderiie- genden ringförmigen Diffusorkanälen, die in Umfangsrichtung betrachtet eine Vielzahl von durch Streben voneinander getrennte Luftaustritte aufweisen.
Bekannt ist ein derartiger Ringdiffusor zur Versorgung insbesondere gestuf- ter Gasturbinen-Brennkammern, d. h. solcher Brennkammern, die neben Hauptbrennern auch Pilot-Brenner aufweisen, aus der US 5 077 967. Dabei dient beispielsweise der in radialer Richtung innenliegende Diffusorkanal zur Versorgung der einzelnen Pilotbrenner, während der in radialer Richtung außenliegende Diffusorkanal insbesondere die Hauptbrenner mit Luft ver- sorgt. Im bekannten Stand der Technik sind dabei die beiden ringförmigen Diffusorkanale in Umfangsrichtung betrachtet wie üblich durch eine Vielzahl von Streben unterteilt. Diese Streben erstrecken sich dabei zwischen den Innen- und Außenwänden des jeweiligen Diffusorkanales und dienen einer¬ seits zur Abstützung dieser Kanalwände, andererseits auch zur verbesserten Luftführung bzw. Aufteilung des Luftstromes auf die ebenfalls ringförmig an¬ geordneten mehreren Brenner.
Wenngleich sich die bekannte Anordnung technisch grundsätzlich bewährt, so sind doch Verbesserungen wünschenswert, die aufzuzeigen sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt hat. Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Streben der in radialer Richtung nebeneinanderliegenden Diffusorkanale zueinander versetzt an¬ geordnet sind.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines lediglich in zwei Prinzipskiz¬ zen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles. Dabei zeigt Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Ringdiffusor, sowie Fig. 2 die Teilansicht X aus Fig. 1.
Wie üblich und bekannt wird die von einem nicht gezeigten Axialverdichter geförderte Verbrennungsluft über einen Ringdiffusor 1 einer ebenfalls nicht gezeigten ringförmigen Gasturbinen-Brennkammer zugeführt. Zwischen der Innenwand 2a sowie der Außenwand 2b des Ringdiffusors 1 sind in Luft- Strömungsrichtung (Pfeilrichtung 3) zunächst mehrere Leitschaufeln 4 vor- gesehen, stromab derer sich der Ringdiffusor 1 in zwei in radialer Richtung R im wesentlichen nebeneinanderliegende ringförmige Diffusorkanale 5a, 5b verzweigt. Dabei kann der radial innenliegende Diffusorkanal beispielsweise die Pilotbrenner der nicht gezeigten, gestuften Brennkammer versorgen, während der außenliegende Diffusorkanal 5b den jeweiligen Hauptbrennern zugeordnet sein kann.
In Umfangsrichtung U betrachtet (vgl. Fig. 2) weisen die Diffusorkanale 5a, 5b eine Vielzahl nebeneinanderliegender Luftaustritte 6a bzw. 6b auf, die durch Streben 7 voneinander getrennt sind. Diese Streben erstrecken sich dabei zwischen den die jeweiligen Diffusorkanale 5a, 5b in radialer Richtung begrenzenden Wänden 2a, 2a' bzw. 2b, 2b'.
Um die Ausströmverhältnisse dieses Ringdiffusors 1 zu optimieren, d. h. um einerseits die Anströmung der nicht gezeigten ringförmig angeordneten Pilot- und Hauptbrenner möglichst günstig zu gestalten und andererseits Verwirbe- lungsverluste im Austrittsbereich des Ringdiffusors, d. h. zwischen den ein¬ zelnen Luftaustritten 6a, 6b gering zu halten, sind die Streben 7 der beiden Diffusorkanale 5a, 5b versetzt zueinander angeordnet. Dies bedeutet, daß sich in Umfangsrichtung U betrachtet jede Strebe 7 des Diffusorkanais 5a im wesentlichen zwischen zwei Streben 7 des Diffusorkanals 5b befindet und umgekehrt. Die nicht nur im Hinblick auf die Stabilität der einzelnen Wände 2a, 2a', 2b, 2b' benötigten Streben 7, die nämlich zusätzlich eine ge¬ wünschte weitere Luftaufteilung auf die einzelnen Brenner der Brennkammer vornehmen, verursachen nämlich auch geringfügige ungünstige Strö- mungswirbel. Ungünstige Auswirkungen dieser Wirbel werden mit der ge¬ zeigten Streben-Anordnung so gering als möglich gehalten. Würden hinge¬ gen die Streben 7 der beiden Diffusorkanale 5a, 5b jeweils direkt übereinan- derliegen, so würden sich die Wirbelstörungen, die an den einzelnen über- einanderliegenden Streben 7 hervorgerufen werden, nicht nur aufsummie- ren, sondern sogar vervielfachen. Dieser Effekt wird dadurch vermieden, daß die Streben 7 der in radialer Richtung nebeneinanderliegenden Diffusorka¬ nale 5a, 5b wie gezeigt zueinander versetzt angeordnet sind.
Ein weiterer Vorteil der gezeigten Streben-Anordnung besteht darin, daß die durch Temperaturspitzen bzw. eine ungleiche Temperaturverteilung hervor¬ gerufenen Spannungen im Bauteil reduziert werden. Insbesondere bis zum Erreichen einer stationären Temperaturverteilung sind die Wände des äuße¬ ren Diffusorkanales 5b noch relativ kalt, während die Wände des inneren Diffusorkanales 5a durch die heiße gemäß Pfeilrichtung 3 vom Kompressor- teil der Gasturbine herangeförderte Luftströmung bereits erwärmt sind. Diese unterschiedliche Temperaturverteilung kann insbesondere im Bereich der Zusammenführung der Wände 2a' und 2b' zu Spannungsrissen führen, ins¬ besondere wenn diese Zusammenführung bzw. die beiden Wände 2a', 2b' selbst relativ steif gestaltet sind. Sind nun die Streben 7 - wie gezeigt - zwi- sehen den Wänden 2b und 2b' bzw. 2a und 2a' in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so wird hierdurch dieser gesamten Bauteilstruktur eine gewisse Weichheit verliehen, die den Abbau von Spannungsspitzen förderlich ist. Mögliche Spannungen, resultierend aus Temperaturspitzen bzw. einer ungleichen Temperaturverteilung können hiermit abgeleitet wer- den, so daß die Wahrscheinlichkeit für Risse im Bauteil aufgrund der versetzten Anordnung der Streben 7 deutlich herabgesetzt wird.
Noch ein weiterer Vorteil dieser Strebenanordnung liegt in der vereinfachten
Herstellbarkeit, insbesondere beim Gießen. Aufgrund der gleichmäßigeren Materialverteilung, hervorgerufen durch die versetzte Streben-Anordnung, läuft der Erstarrungsprozeß des flüssigen Gießmateriales gleichmäßiger und besser ab, so daß die Ausschußquote wesentlich geringer ist. Auch können die nötigen Toleranzen mit der beschriebenen Strebenanordnung besser eingehalten werden.
Selbstverständlich sind die gleichen erfinderischen Effekte auch erzielbar, wenn beispielsweise die Streben 7 des inneren Diffusorkanales 5a nicht exakt zwischen den beiden Streben 7 des äußeren Diffusorkanales 5b lie¬ gen, sondern mehr oder minder außermittig bezüglich des jeweiligen ande¬ ren Luftaustrittes 6b.

Claims

Patentanspruch
Ringdiffusor für eine Gasturbinen-Brennkammer mit zumindest zwei in radia- ler Richtung (R) im wesentlichen nebeneinanderliegenden ringförmigen Diffusorkanälen (5a, 5b), die in Umfangsrichtung (U) betrachtet eine Vielzahl von durch Streben (7) voneinander getrennte Luftaustritte (6a, 6b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (7) der in radialer Richtung (R) nebeneinanderliegenden Diffusorkanale (5a, 5b) zueinander versetzt ange¬ ordnet sind.
EP96902919A 1995-02-03 1996-01-25 Ringdiffusor für eine gasturbinen-brennkammer Expired - Lifetime EP0807211B1 (de)

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