EP1351021A2 - Turbine combustor with starting film cooling - Google Patents

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Publication number
EP1351021A2
EP1351021A2 EP03001783A EP03001783A EP1351021A2 EP 1351021 A2 EP1351021 A2 EP 1351021A2 EP 03001783 A EP03001783 A EP 03001783A EP 03001783 A EP03001783 A EP 03001783A EP 1351021 A2 EP1351021 A2 EP 1351021A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
chamber according
starter film
openings
starter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03001783A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1351021A3 (en
Inventor
Miklos Dr.-Ing. Gerendas
Michael Ebel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP1351021A2 publication Critical patent/EP1351021A2/en
Publication of EP1351021A3 publication Critical patent/EP1351021A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber of a gas turbine with starter film cooling of one combustion chamber wall for several circular burners.
  • the combustion chamber wall of a combustion chamber forms the wall of one Space in which fuel with the compressed by the compressor Air is burned before it is expanded in the turbine and doing work. Because the gas temperatures in the combustion chamber usually above the melting temperature of the material the combustion chamber wall, it must be cooled accordingly become. To achieve a long lifespan correspondingly low temperature values are observed.
  • the combustion chamber wall can be equipped with cooling rings (US 4,566,280), effusion bores (US 5,181,379), donated Shingles (EP 1 098 141 A1) or impact and effusion-cooled Shingles (US 5,435,139).
  • This starter film protects the wall until the actual cooling for the Combustion chamber wall shows enough effect.
  • the one for this starter film Air needed can come from within a cover and a base plate formed space or from one Annulus between the combustion chamber wall and a combustion chamber housing are fed.
  • the flow openings through the The combustion chamber wall is mostly circular, regularly distributed Holes of constant cross-section without chamfer or radius the inlet side.
  • the starter film is mostly parallel blown along the combustion chamber wall.
  • the air for the starter film is only on one side a component belonging to the combustion chamber wall, while them on the other side from a flow surface of the heat shield is limited.
  • the starter film is blown out of the combustion chamber wall, around this part of the combustion chamber from the hot gases of the To protect combustion. This is usually done through an evenly distributed number of circular holes without chamfer or radius on the inflow side on a certain pitch circle.
  • To even out the individual rays first be blown onto the back of the heat shield.
  • starter film At the Impact of the rays cool the heat shield and unite become a homogeneous film (starter film), which then flows along the combustion chamber wall.
  • starter film homogeneous film
  • the single-walled or with additional impact-cooled shingles can be executed first A protective cooling film for a certain distance downstream built up. Without such a starter film, the opening part would be the combustion chamber wall is not adequately protected.
  • the invention has for its object a combustion chamber to create the type mentioned above, which with a simple structure and easier, less expensive to manufacture an optimized Cooling and associated long life.
  • the object is characterized by the features of Main claim solved, the sub-claims show further advantageous Embodiments of the invention.
  • the combustion chamber according to the invention is characterized by a number significant benefits.
  • the temperature gradient drops the combustion chamber wall in the circumferential direction.
  • the take thermally induced voltages in the combustion chamber wall this drastically decreases, so that the service life at a given Temperature for a certain material increased significantly can be.
  • the operating temperature the combustion chamber with the same service life and increase the specified material.
  • Another advantage is that at the same temperature the combustion chamber wall and with the same service life weaker and / or cheaper material can be avoided can.
  • the starter film is thus in the circumferential direction the combustion chamber varies so that in the combustion chamber wall uniform temperature arises.
  • a number of maxima or minima that are the same can be the number of burners or an integer multiple the number of burners can be.
  • the flow openings for the passage of Cooling air and to form the starter film must be according to the invention not necessarily circular holes. Because these openings they can usually be cut with a laser take any shape. Also the cross section of the respective opening not at any point along the hole axis opening must be constant. According to the invention, it is crucial that a predetermined amount of air through this opening flows. This means that an opening with a certain Area and a certain flow coefficient provided is. In the case of irregular openings, the description of the Air volume to be carried out the equivalent or hydraulic Diameter used as a comparison value. To the following Simplifying the discussion and making it clearer will hereinafter referred to as openings or holes, respectively these do not necessarily have a circular cross section must have.
  • One way of varying the flow rate per circumferential length the combustion chamber can be done in that the equivalent diameter of the evenly distributed starter film holes is varied.
  • An alternative embodiment of the invention provides that with the same equivalent diameter of the starter film openings or holes the hole spacing is varied.
  • the variation in the amount of air in the starter film can be continuous be or refer to discrete states, for example two or reduce three. This is discussed below in conjunction with an embodiment will be explained in more detail.
  • the invention it is also possible to use the methods of variation the amount of air to form the starter film or for training to combine the respective maxima or minima. Also it is possible according to the invention between individual burners on a limited piece of the circumference of the combustion chamber wall to completely do without a starter film.
  • the invention can also provide for the variation the cooling by the starter film is not symmetrical train the respective burner axis, i.e. the maximum cooling exactly on the axis of symmetry of the burner and the minimal cooling to be placed exactly between the axes of symmetry. Because the maximum and minimal load on the combustion chamber wall is displaced in the circumferential direction by the burner swirl, it can be cheap, also the variation of the starter film thickness to shift accordingly in the circumferential direction. This will the strength of the starter film always on the locally necessary Quantity limited. This leads to a further saving of Cooling air, which is then used, for example, to reduce pollutant emissions be used in mixture preparation can.
  • Fig. 1 shows a section in schematic side view by a gas turbine combustion chamber according to the invention.
  • This includes a cover 1 of a combustion chamber head and a Base plate 2.
  • the reference numeral 4 is a combustion chamber wall shown in a schematically illustrated turbine guide vane 8 opens.
  • the reference number 10 shows a Combustion chamber outer casing, a combustion chamber inner casing is included provided with the reference number 11.
  • the reference number 7 shows a burner with a burner arm and swirl generator.
  • the gas turbine combustor also includes a heat shield 9 with a hole for the burner 7 as well as individual, later openings 6 to be described for forming a starter film 3.
  • the air for the starter film 3 from within the Cover 1 and the base plate 2 formed space or from the annulus between the combustion chamber wall and the combustion chamber housing 10, 11 supplied.
  • the air for the starter film 3rd only on one side by one belonging to the combustion chamber wall 4 Component guided, on the other side of a flow surface of the heat shield 5 limited.
  • the starter film 3 blown out around this part of the combustion chamber wall 4 to protect against the hot gases of combustion. This is usually done by an equally distributed number on circular bores without chamfer or radius on the Inflow side on a certain pitch circle.
  • the arrangement of the Prior art openings 6 are shown in Figure 3.
  • the reference numeral 14 the burner axis (line of symmetry of the burner) shows while the pitch circle of the starter film 3 is provided with the reference number 13.
  • the pitch circle the burner is illustrated by reference number 16.
  • the individual openings 6 have a distance x and a Diameter D on.
  • the openings are therefore circular bores without chamfer or radius on the inflow side on a certain pitch circle 13 arranged.
  • the individual can Air jets first on the back of the heat shield 5 be blown out. When the rays hit, they cool down the heat shield 5 and combine to form a homogeneous film, which then flows along the combustion chamber wall 4 (see Fig. 2).
  • the sub-areas of the starter film or the individual sub-circles are indicated by 13a and 13b.
  • the reference number 12 shows the further cooling of the combustion chamber wall 4 through effusion cooling.
  • the Combustion chamber wall 4 single-walled or with additionally impact-cooled Combustion chamber shingles.
  • Fig. 4 shows a first embodiment of the invention, in which initially, as in the following illustrations it can be seen that a line of symmetry 15 of the maximum Starter film in the circumferential direction to the line of symmetry of the burner 7 (burner axis 14) is offset.
  • FIG. 4 to 7 are also in the exemplary embodiments Pitch circles 13 of the starter film 3 are shown, as is the pitch circle 16 the burner 7.
  • the reference number 4 shows the inner one Combustion chamber wall, Figs. 4 to 7 are each in the direction of view B-B according to Fig. 2.
  • Fig. 6 shows another embodiment, in which the variation of the starter film 3 by differently assigned Pitch circles 13a and 13b.
  • Fig. 7 shows another embodiment, in which the starter film 3 by varying the contour K1 or K2 Openings 6 takes place.
  • contour K1 (detail K1) there is a chamfer or a radius of curvature b is provided.
  • K2 can also be designed without a chamfer or radius of curvature be provided.
  • moves the diameter varying on the circumference for example, in one Range of 0.5 - 5 mm, preferably 1 - 2.5 mm.
  • the most Scope varying ratio of center distance to diameter the openings 6 is preferably in a range of 1.5 - 10 mm, preferably 2 - 5 mm.
  • the width of the chamfer is, for example, in the range of 0-5 mm, preferably in the range of 0.5 - 2 mm.
  • the angle of the chamfer is, for example 15 ° - 75 °, preferably 30 ° to 60 °, ideally almost 45 °.
  • the entry radius is conveniently in one Range from 0 - 5 mm, preferably from 0.5 - 2 mm.
  • the variation can be continuous or refer to discrete states, e.g. reduce two or three.
  • the shift in starter film thickness in the circumferential direction can be, for example, 4 °, such as this is shown in Figs. 4 to 7.

Abstract

The combustion chamber has a starter film (3) for cooling the combustion chamber wall (4), and several circularly arranged burners (7). The local maxima and minima in intensity of the starter film are provided around the circumference of the combustion chamber wall.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbine mit Starterfilmkühlung einer Brennkammerwand bei mehreren kreisförmig angeordneten Brennern.The invention relates to a combustion chamber of a gas turbine with starter film cooling of one combustion chamber wall for several circular burners.

Die Brennkammerwand einer Brennkammer bildet die Wandung eines Raumes, in dem Brennstoff mit der vom Verdichter komprimierten Luft verbrannt wird, bevor diese in der Turbine entspannt wird und dabei Arbeit leistet. Da die Gastemperaturen in der Brennkammer üblicherweise oberhalb der Schmelztemperatur des Materials der Brennkammerwand liegen, muss diese entsprechend gekühlt werden. Zur Erzielung einer langen Lebensdauer müssen entsprechend niedrige Temperaturwerte eingehalten werden. Die Brennkammerwand kann zum Beispiel mit Kühlringen (US 4,566,280), Effusionsbohrungen (US 5,181,379), bestifteten Schindeln (EP 1 098 141 A1) oder prall- und effusionsgekühlten Schindeln (US 5,435,139) ausgestattet sein.The combustion chamber wall of a combustion chamber forms the wall of one Space in which fuel with the compressed by the compressor Air is burned before it is expanded in the turbine and doing work. Because the gas temperatures in the combustion chamber usually above the melting temperature of the material the combustion chamber wall, it must be cooled accordingly become. To achieve a long lifespan correspondingly low temperature values are observed. The For example, the combustion chamber wall can be equipped with cooling rings (US 4,566,280), effusion bores (US 5,181,379), donated Shingles (EP 1 098 141 A1) or impact and effusion-cooled Shingles (US 5,435,139).

Unabhängig von der jeweils gewählten Kühlmethode besteht das Problem, die Brennkammerwand stromauf des ersten Kühllufteinlasses zu schützen, da eine rückseitige Kühlung alleine nicht ausreichend ist, um unterhalb des jeweiligen Temperaturlimits zu bleiben. Daher wird üblicherweise am Anfang der Brennkammerwand ein sogenannter Starterfilm aufgebracht. Dieser Starterfilm schützt die Wand, bis die eigentliche Kühlung für die Brennkammerwand genügend Wirkung zeigt. Die für diesen Starterfilm benötigte Luft kann von innerhalb des von einer Abdekkung und einer Grundplatte gebildeten Raumes oder aus einem Annulus zwischen der Brennkammerwand und einem Brennkammergehäuse zugeführt werden. Die Durchströmöffnungen durch die Brennkammerwand sind meistens kreisrunde, regelmäßig verteilte Bohrungen konstanten Querschnitts ohne Fase oder Radius auf der Einlaufseite. Der Starterfilm wird hauptsächlich parallel zur Brennkammerwand an dieser entlang eingeblasen.Regardless of the cooling method chosen in each case, there is Problem, the combustion chamber wall upstream of the first cooling air inlet to protect, since back cooling alone is not is sufficient to be below the respective temperature limit to stay. Therefore, usually at the beginning of the combustion chamber wall a so-called starter film is applied. This starter film protects the wall until the actual cooling for the Combustion chamber wall shows enough effect. The one for this starter film Air needed can come from within a cover and a base plate formed space or from one Annulus between the combustion chamber wall and a combustion chamber housing are fed. The flow openings through the The combustion chamber wall is mostly circular, regularly distributed Holes of constant cross-section without chamfer or radius the inlet side. The starter film is mostly parallel blown along the combustion chamber wall.

Ein derartiger Starterfilm für eine effusionsgekühlte Brennkammerwand ist in US 5,279,127 dargestellt. Dieses Patent beschreibt jedoch lediglich eine einwandige Konstruktion. Der Spalt, aus dem der gleichförmig am Umfang verteilte Kühlfilm (Starterfilm) austritt, wird durch einen Kühlring gebildet.Such a starter film for an effusion-cooled combustion chamber wall is shown in US 5,279,127. This patent describes but only a single-walled construction. The Gap from which the cooling film uniformly distributed around the circumference (Starter film) emerges, is formed by a cooling ring.

In einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Bauart wird die Luft für den Starterfilm nur auf einer Seite durch ein zur Brennkammerwand gehörendes Bauelement geführt, während sie auf der anderen Seite von einer Strömungsfläche des Hitzeschildes begrenzt wird. Zwischen dem Hitzeschild und dem Anfangsteil der Brennkammerwand wird der Starterfilm ausgeblasen, um diesen Teil der Brennkammer vor den heißen Gasen der Verbrennung zu schützen. Dies geschieht üblicherweise durch eine gleich verteilte Anzahl an kreisrunden Bohrungen ohne Fase oder Radius auf der Zuströmseite auf einem bestimmten Teilkreis. Zur Vergleichmäßigung können die einzelnen Strahlen zuerst auf die Rückseite des Hitzeschildes geblasen werden. Beim Aufprall der Strahlen kühlen diese das Hitzeschild und vereinigen sich zu einem homogenen Film (Starterfilm), der dann entlang der Brennkammerwand strömt. Insbesondere bei Effusionskühlung der Brennkammerwand, die einwandig oder mit zusätzlich prallgekühlten Schindeln ausgeführt sein kann, wird zunächst eine gewisse Strecke stromab ein schützender Kühlfilm aufgebaut. Ohne einen derartigen Starterfilm wäre der Anfangsteil der Brennkammerwand nicht genügend geschützt.In another design known from the prior art the air for the starter film is only on one side a component belonging to the combustion chamber wall, while them on the other side from a flow surface of the heat shield is limited. Between the heat shield and the initial part the starter film is blown out of the combustion chamber wall, around this part of the combustion chamber from the hot gases of the To protect combustion. This is usually done through an evenly distributed number of circular holes without chamfer or radius on the inflow side on a certain pitch circle. To even out the individual rays first be blown onto the back of the heat shield. At the Impact of the rays cool the heat shield and unite become a homogeneous film (starter film), which then flows along the combustion chamber wall. Especially with effusion cooling the combustion chamber wall, the single-walled or with additional impact-cooled shingles can be executed first A protective cooling film for a certain distance downstream built up. Without such a starter film, the opening part would be the combustion chamber wall is not adequately protected.

Bei den bekannten Konstruktionen erweist es sich als nachteilig, dass der Starterfilm gleichmäßig über den gesamten Umfang der Brennkammerwand verteilt ist. Hieraus ergibt sich eine gleich verteilte Intensität der Kühlung durch den Starterfilm. In the known constructions, it proves to be disadvantageous that the starter film is even across the entire circumference the combustion chamber wall is distributed. This results in a equally distributed intensity of cooling through the starter film.

Da jedoch der Wärmeeintrag in die Brennkammerwand periodisch mit jedem Brenner ansteigt und in den Zwischenräumen abfällt, entsteht zwangsläufig eine Temperaturvariation in Umfangsrichtung in der Brennkammerwand. Auch an der Stelle der höchsten thermischen Belastung der Brennkammerwand darf das Temperaturlimit des Materials der Brennkammerwand nicht überschritten werden. Somit wird die Luftmenge des Starterfilms von der höchstbelasteten Stelle am Umfang der Brennkammerwand bestimmt, welche üblicherweise in der Nähe der Brennerachse liegt. Zwischen den Brennern wird dabei allerdings deutlich zu viel Kühlluft mit dem Starterfilm auf die Brennkammerwand geleitet. Die Folge ist eine unnötig starke Kühlung der Brennkammerwand in diesem Bereich. Durch diese unangepasste Kühlung entsteht eine deutliche Temperaturschwankung in der Brennkammerwand in Umfangsrichtung. Diese wiederum hat zur Folge, dass starke mechanische Spannungen in der Brennkammerwand auftreten. Diese Spannungen führen insbesondere bei der Anwendung der Effusionskühlung zu einer deutlich verminderten Lebensdauer der Brennkammerwand.However, since the heat input into the combustion chamber wall is periodic increases with each burner and decreases in the gaps, a temperature variation inevitably arises in the circumferential direction in the combustion chamber wall. Even at the highest point thermal load on the combustion chamber wall may exceed the temperature limit of the material of the combustion chamber wall is not exceeded become. Thus, the amount of air in the starter film from the determines the most stressed point on the circumference of the combustion chamber wall, which is usually near the burner axis lies. Between the burners, however, becomes clear a lot of cooling air with the starter film is directed onto the combustion chamber wall. The result is an unnecessarily strong cooling of the combustion chamber wall in this area. Because of this inappropriate cooling there is a significant temperature fluctuation in the combustion chamber wall in the circumferential direction. This in turn means that strong mechanical stresses occur in the combustion chamber wall. These tensions lead especially when used Effusion cooling for a significantly reduced lifespan the combustion chamber wall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine optimierte Kühlung und damit verbunden eine lange Lebensdauer aufweist.The invention has for its object a combustion chamber to create the type mentioned above, which with a simple structure and easier, less expensive to manufacture an optimized Cooling and associated long life.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention, the object is characterized by the features of Main claim solved, the sub-claims show further advantageous Embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass um den Umfang der Brennkammerwand lokale Maxima und Minima in der Intensität des Starterfilms ausgebildet sind. According to the invention it is thus provided that the scope of the Combustion chamber wall local maxima and minima in the intensity of the Starter films are trained.

Die erfindungsgemäße Brennkammer zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Erfindungsgemäß sinkt der Temperaturgradient der Brennkammerwand in Umfangsrichtung. Die thermisch induzierten Spannungen in der Brennkammerwand nehmen hierdurch drastisch ab, so dass die Lebensdauer bei vorgegebener Temperatur für ein bestimmtes Material deutlich gesteigert werden kann.The combustion chamber according to the invention is characterized by a number significant benefits. According to the invention, the temperature gradient drops the combustion chamber wall in the circumferential direction. The take thermally induced voltages in the combustion chamber wall this drastically decreases, so that the service life at a given Temperature for a certain material increased significantly can be.

Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, die Betriebstemperatur der Brennkammer (Brennkammerwand) bei gleicher Lebensdauer und vorgegebenem Material zu erhöhen.However, it is also possible according to the invention, the operating temperature the combustion chamber (combustion chamber wall) with the same service life and increase the specified material.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei gleicher Temperatur der Brennkammerwand und bei gleicher Lebensdauer auf ein schwächeres und/oder preiswerteres Material ausgewichen werden kann.Another advantage is that at the same temperature the combustion chamber wall and with the same service life weaker and / or cheaper material can be avoided can.

Erfindungsgemäß wird somit der Starterfilm in Umfangsrichtung der Brennkammer so variiert, dass in der Brennkammerwand eine gleichmäßige Temperatur entsteht.According to the invention, the starter film is thus in the circumferential direction the combustion chamber varies so that in the combustion chamber wall uniform temperature arises.

Durch die Variation der Intensität des Starterfilms ergibt sich somit eine Anzahl von Maxima bzw. Minima, die gleich sein kann der Anzahl der Brenner oder die ein ganzzahliges Vielfaches der Brenneranzahl betragen kann.By varying the intensity of the starter film thus a number of maxima or minima that are the same can be the number of burners or an integer multiple the number of burners can be.

Erfindungsgemäß ist es zur Variation der Intensität des Starterfilms möglich, den Starterfilm auf unterschiedlichste Weise zu erzeugen. Die Durchströmöffnungen zur Durchleitung von Kühlluft und zur Bildung des Starterfilms müssen erfindungsgemäß nicht unbedingt kreisrunde Bohrungen sein. Da diese Öffnungen zumeist mit einem Laser geschnitten werden, können sie jede beliebige Form annehmen. Auch muss der Querschnitt der jeweiligen Öffnung nicht an jedem Punkt entlang der Lochachse der Öffnung konstant sein. Erfindungsgemäß ist entscheidend, dass eine vorher festgelegte Luftmenge durch diese Öffnung strömt. Dies bedeutet, dass eine Öffnung mit einer bestimmten Fläche und einem bestimmten Durchflusskoeffizienten vorgesehen ist. Bei unregelmäßigen Öffnungen wird zur Beschreibung der durchzuführenden Luftmenge der äquivalente oder hydraulische Durchmesser als Vergleichswert herangezogen. Um die nachfolgende Diskussion zu vereinfachen und klarer zu gestalten, wird nachfolgend jeweils von Öffnungen oder Löchern gesprochen, obwohl diese nicht zwangsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen müssen.According to the invention, it is used to vary the intensity of the starter film possible the starter film in different ways to create. The flow openings for the passage of Cooling air and to form the starter film must be according to the invention not necessarily circular holes. Because these openings they can usually be cut with a laser take any shape. Also the cross section of the respective opening not at any point along the hole axis opening must be constant. According to the invention, it is crucial that a predetermined amount of air through this opening flows. This means that an opening with a certain Area and a certain flow coefficient provided is. In the case of irregular openings, the description of the Air volume to be carried out the equivalent or hydraulic Diameter used as a comparison value. To the following Simplifying the discussion and making it clearer will hereinafter referred to as openings or holes, respectively these do not necessarily have a circular cross section must have.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Variation der Luftmenge zur Bildung des Starterfilms auf unterschiedliche Weise zu erzeugen.According to the invention, it is possible to vary the amount of air to create the starter film in different ways.

Eine Möglichkeit der Variation der Durchflussmenge pro Umfangslänge der Brennkammer kann dadurch geschehen, dass der äquivalente Durchmesser der gleichmäßig verteilten Starterfilmlöcher variiert wird.One way of varying the flow rate per circumferential length the combustion chamber can be done in that the equivalent diameter of the evenly distributed starter film holes is varied.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei gleichem äquivalentem Durchmesser der Starterfilm-Öffnungen oder -Löcher der Lochabstand variiert wird.An alternative embodiment of the invention provides that with the same equivalent diameter of the starter film openings or holes the hole spacing is varied.

Es ist auch möglich, die Starterfilm-Löcher auf einer variierenden Anzahl von Teilkreisen anzuordnen.It is also possible to vary the starter film holes on a Arrange number of partial circles.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es günstig sein, den Durchflusskoeffizienten der Öffnungen bei fester Geometrie der Austrittsöffnung und konstantem Querschnitt der Öffnungen zu variieren, beispielsweise durch unterschiedliches Ausrunden oder Anfasen der stromaufwärts liegenden Kante der Öffnung. In a further embodiment of the invention, it can be inexpensive be the flow coefficient of the openings at fixed Geometry of the outlet opening and constant cross section of the Vary openings, for example by different Fillet or chamfer the upstream edge of the Opening.

Die Variation der Luftmenge des Starterfilms kann kontinuierlich sein oder sich auf diskrete Zustände, beispielsweise zwei oder drei reduzieren. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The variation in the amount of air in the starter film can be continuous be or refer to discrete states, for example two or reduce three. This is discussed below in conjunction with an embodiment will be explained in more detail.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Methoden der Variation der Luftmenge zur Bildung des Starterfilms bzw. zur Ausbildung der jeweiligen Maxima oder Minima zu kombinieren. Auch ist es erfindungsgemäß möglich, zwischen einzelnen Brennern auf einem beschränkten Stück des Umfangs der Brennkammerwand vollständig auf einen Starterfilm zu verzichten. In einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, die Variation der Kühlung durch den Starterfilm nicht symmetrisch zur jeweiligen Brennerachse auszubilden, also die maximale Kühlung genau auf der Symmetrieachse der Brenner und die minimale Kühlung genau zwischen den Symmetrieachsen anzuordnen. Da die maximale und minimale Belastung der Brennkammerwand, bedingt durch den Brennerdrall, in Umfangsrichtung verschoben ist, kann es günstig sein, auch die Variation der Starterfilmstärke in Umfangsrichtung entsprechend zu verschieben. Hierdurch wird die Stärke des Starterfilms immer auf die lokal notwendige Menge beschränkt. Dies führt zu einer weiteren Einsparung von Kühlluft, die dann beispielsweise zur Verminderung der Schadstoffemissionen in der Gemischaufbereitung eingesetzt werden kann.According to the invention, it is also possible to use the methods of variation the amount of air to form the starter film or for training to combine the respective maxima or minima. Also it is possible according to the invention between individual burners on a limited piece of the circumference of the combustion chamber wall to completely do without a starter film. In a training course The invention can also provide for the variation the cooling by the starter film is not symmetrical train the respective burner axis, i.e. the maximum cooling exactly on the axis of symmetry of the burner and the minimal cooling to be placed exactly between the axes of symmetry. Because the maximum and minimal load on the combustion chamber wall is displaced in the circumferential direction by the burner swirl, it can be cheap, also the variation of the starter film thickness to shift accordingly in the circumferential direction. This will the strength of the starter film always on the locally necessary Quantity limited. This leads to a further saving of Cooling air, which is then used, for example, to reduce pollutant emissions be used in mixture preparation can.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Abb. 1
einen Querschnitt einer Gasturbinenbrennkammer,
Abb. 2
ein Detail des Brennkammerkopfes mit Darstellung der Kühlung und des Starterfilms,
Abb. 3
die Anordnung von Starterfilm-Öffnungen in Blickrichtung B-B gemäß Abb. 2 gemäß dem Stand der Technik,
Abb. 4
ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Starterfilm-Öffnungen analog zu Abb. 3,
Abb. 5
eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Starterfilm-Öffnungen, analog der Abb. 4,
Abb. 6
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Starterfilm-Öffnungen,
Abb. 7
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Starterfilm-Öffnungen mit Darstellung von Details in der unteren Hälfte der Abbildung.
The invention is described below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawing. It shows:
Fig. 1
a cross section of a gas turbine combustion chamber,
Fig. 2
a detail of the combustion chamber head showing the cooling and the starter film,
Fig. 3
the arrangement of starter film openings in the viewing direction BB according to FIG. 2 according to the prior art,
Fig. 4
a first embodiment of the starter film openings according to the invention analogous to Fig. 3,
Fig. 5
a further embodiment of the starter film openings according to the invention, analogous to FIG. 4,
Fig. 6
another embodiment of the starter film openings,
Fig. 7
a further embodiment of the starter film openings according to the invention with details in the lower half of the figure.

Die Abb. 1 zeigt in schematischer Seitenansicht einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer. Diese umfasst eine Abdeckung 1 eines Brennkammerkopfes sowie eine Grundplatte 2. Mit dem Bezugszeichen 4 ist eine Brennkammerwand dargestellt, die in eine schematisch dargestellte Turbinenleitschaufel 8 mündet. Das Bezugszeichen 10 zeigt ein Brennkammeraußengehäuse, ein Brennkammerinnengehäuse ist mit dem Bezugszeichen 11 versehen. Im Einströmbereich ist eine Leitschaufel 9 im Verdichterauslass dargestellt. Das Bezugszeichen 7 zeigt einen Brenner mit Brennerarm und Drallerzeuger. Weiterhin umfasst die Gasturbinenbrennkammer ein Hitzeschild 9 mit einem Loch für den Brenner 7 sowie einzelne, später zu beschreibende Öffnungen 6 zur Ausbildung eines Starterfilms 3. Wie sich aus dem in Abb. 2 gezeigten Detail A ergibt, wird die Luft für den Starterfilm 3 von innerhalb des von der Abdeckung 1 und der Grundplatte 2 gebildeten Raums oder aus dem Annulus zwischen der Brennkammerwand und dem Brennkammergehäuse 10, 11 zugeführt. In einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Bauart wird die Luft für den Starterfilm 3 nur auf einer Seite durch ein zur Brennkammerwand 4 gehörendes Bauelement geführt, auf der anderen Seite von einer Strömungsfläche des Hitzeschildes 5 begrenzt. Zwischen dem Hitzeschild 5 und dem Anfangsteil der Brennkammerwand 4 wird der Starterfilm 3 ausgeblasen (siehe Abb. 1) um diesen Teil der Brennkammerwand 4 vor den heißen Gasen der Verbrennung zu schützen. Dies geschieht üblicherweise durch eine gleich verteilte Anzahl an kreisrunden Bohrungen ohne Fase oder Radius auf der Zuströmseite auf einem bestimmten Teilkreis. Die Anordnung der Öffnungen 6 gemäß dem Stand der Technik ist in Abbildung 3 gezeigt, wobei das Bezugszeichen 14 die Brennerachse (Symmetrielinie des Brenners) zeigt, während der Teilkreis des Starterfilms 3 mit dem Bezugszeichen 13 versehen ist. Der Teilkreis des Brenners ist durch das Bezugszeichen 16 verdeutlicht. Die einzelnen Öffnungen 6 weisen einen Abstand x sowie einen Durchmesser D auf.Fig. 1 shows a section in schematic side view by a gas turbine combustion chamber according to the invention. This includes a cover 1 of a combustion chamber head and a Base plate 2. With the reference numeral 4 is a combustion chamber wall shown in a schematically illustrated turbine guide vane 8 opens. The reference number 10 shows a Combustion chamber outer casing, a combustion chamber inner casing is included provided with the reference number 11. There is one in the inflow area Guide vane 9 shown in the compressor outlet. The reference number 7 shows a burner with a burner arm and swirl generator. The gas turbine combustor also includes a heat shield 9 with a hole for the burner 7 as well as individual, later openings 6 to be described for forming a starter film 3. As can be seen from detail A shown in Fig. 2, the air for the starter film 3 from within the Cover 1 and the base plate 2 formed space or from the annulus between the combustion chamber wall and the combustion chamber housing 10, 11 supplied. In another from the state of the Known technology is the air for the starter film 3rd only on one side by one belonging to the combustion chamber wall 4 Component guided, on the other side of a flow surface of the heat shield 5 limited. Between the heat shield 5 and the initial part of the combustion chamber wall 4 becomes the starter film 3 blown out (see Fig. 1) around this part of the combustion chamber wall 4 to protect against the hot gases of combustion. This is usually done by an equally distributed number on circular bores without chamfer or radius on the Inflow side on a certain pitch circle. The arrangement of the Prior art openings 6 are shown in Figure 3. the reference numeral 14 the burner axis (line of symmetry of the burner) shows while the pitch circle of the starter film 3 is provided with the reference number 13. The pitch circle the burner is illustrated by reference number 16. The individual openings 6 have a distance x and a Diameter D on.

Die Öffnungen sind somit als kreisrunde Bohrungen ohne Fase oder Radius auf der Zuströmseite auf einem bestimmten Teilkreis 13 angeordnet. Zur Vergleichmäßigung können die einzelnen Luft-Strahlen zuerst auf der Rückseite des Hitzeschilds 5 ausgeblasen werden. Beim Aufprall der Strahlen kühlen diese das Hitzeschild 5 und vereinigen sich zu einem homogenen Film, der dann entlang der Brennkammerwand 4 strömt (siehe Abb. 2). Die Teilbereiche des Starterfilms bzw. die einzelnen Teilkreise sind mit 13a und 13b angegeben.The openings are therefore circular bores without chamfer or radius on the inflow side on a certain pitch circle 13 arranged. The individual can Air jets first on the back of the heat shield 5 be blown out. When the rays hit, they cool down the heat shield 5 and combine to form a homogeneous film, which then flows along the combustion chamber wall 4 (see Fig. 2). The sub-areas of the starter film or the individual sub-circles are indicated by 13a and 13b.

Das Bezugszeichen 12 zeigt die weitere Kühlung der Brennkammerwand 4 durch Effusionskühlung. In diesem Bereich kann die Brennkammerwand 4 einwandig oder mit zusätzlich prallgekühlten Brennkammerschindeln versehen sein. The reference number 12 shows the further cooling of the combustion chamber wall 4 through effusion cooling. In this area the Combustion chamber wall 4 single-walled or with additionally impact-cooled Combustion chamber shingles.

Die Abb. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher zunächst, wie auch in den nachfolgenden Abbildungen ersichtlich ist, dass eine Symmetrielinie 15 des maximalen Starterfilms in Umfangsrichtung zur Symmetrielinie des Brenners 7 (Brennerachse 14) versetzt ist.Fig. 4 shows a first embodiment of the invention, in which initially, as in the following illustrations it can be seen that a line of symmetry 15 of the maximum Starter film in the circumferential direction to the line of symmetry of the burner 7 (burner axis 14) is offset.

Auch bei den Ausführungsbeispielen der Abb. 4 bis 7 sind die Teilkreise 13 des Starterfilms 3 ebenso gezeigt, wie der Teilkreis 16 der Brenner 7. Das Bezugszeichen 4 zeigt die innere Brennkammerwand, die Abb. 4 bis 7 sind jeweils in Blickrichtung B-B gemäß Abb. 2.4 to 7 are also in the exemplary embodiments Pitch circles 13 of the starter film 3 are shown, as is the pitch circle 16 the burner 7. The reference number 4 shows the inner one Combustion chamber wall, Figs. 4 to 7 are each in the direction of view B-B according to Fig. 2.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 4 erfolgt eine Variation der Durchflussmenge pro Umfangslänge durch eine Variation des äquivalenten Durchmessers D der gleichmäßig verteilten Starterfilm-Löcher 6. Die entsprechenden Durchmesser D1 und D2 beziehen sich auf Gruppen von Starterfilm-Öffnungen 6.In the embodiment of Fig. 4 there is a variation the flow rate per circumferential length by varying the equivalent diameter D of the evenly distributed starter film holes 6. Obtain the corresponding diameters D1 and D2 groups of starter film openings 6.

Bei dem in Abb. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Variation des Lochabstands der Starterfilm-Öffnungen 6 bei gleichem äquivalentem Durchmesser. Die unterschiedlichen Gruppierungen des Lochabstandes sind mit x1 bzw. x2 wiedergegeben.In the embodiment shown in Fig. 5 there is a Variation of the hole spacing of the starter film openings 6 at same equivalent diameter. The different groups of the hole spacing are shown with x1 or x2.

Die Abb. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die Variation des Starterfilms 3 durch unterschiedlich belegte Teilkreise 13a und 13b erfolgt.Fig. 6 shows another embodiment, in which the variation of the starter film 3 by differently assigned Pitch circles 13a and 13b.

Die Abb. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der Starterfilm 3 durch Variation der Kontur K1 bzw. K2 der Öffnungen 6 erfolgt. Bei Kontur K1 (Detail K1) ist eine Fase bzw. ein Rundungsradius b vorgesehen. Wie in Detail K2 gezeigt, kann auch eine Ausbildung ohne Fase bzw. Rundungsradius vorgesehen sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel bewegt sich der am Umfang variierende Durchmesser beispielsweise in einem Bereich von 0,5 - 5 mm, vorzugsweise von 1 - 2,5 mm. Das am Umfang variierende Verhältnis von Mittenabstand zu Durchmesser der Öffnungen 6 liegt bevorzugterweise in einem Bereich von 1,5 - 10 mm, vorzugsweise von 2 - 5 mm. Die Breite der Fase liegt beispielsweise im Bereich von 0 - 5 mm, bevorzugterweise im Bereich von 0,5 - 2 mm. Der Winkel der Fase beträgt beispielsweise 15° - 75°, vorzugsweise 30° bis 60°, idealerweise nahezu 45°. Der Eintrittsradius liegt günstigerweise in einem Bereich von 0 - 5 mm, vorzugsweise von 0,5 - 2 mm.Fig. 7 shows another embodiment, in which the starter film 3 by varying the contour K1 or K2 Openings 6 takes place. With contour K1 (detail K1) there is a chamfer or a radius of curvature b is provided. As shown in detail K2, can also be designed without a chamfer or radius of curvature be provided. In this embodiment, moves the diameter varying on the circumference, for example, in one Range of 0.5 - 5 mm, preferably 1 - 2.5 mm. The most Scope varying ratio of center distance to diameter the openings 6 is preferably in a range of 1.5 - 10 mm, preferably 2 - 5 mm. The width of the chamfer is, for example, in the range of 0-5 mm, preferably in the range of 0.5 - 2 mm. The angle of the chamfer is, for example 15 ° - 75 °, preferably 30 ° to 60 °, ideally almost 45 °. The entry radius is conveniently in one Range from 0 - 5 mm, preferably from 0.5 - 2 mm.

Wie in Abb. 7 gezeigt, kann die Variation kontinuierlich sein oder sich auf diskrete Zustände, z.B. zwei oder drei reduzieren. Beispielsweise können Durchmesser D der Starterfilm-Öffnungen 6 von D1 = 2,5 mm und D2 = 1 mm (siehe Abb. 3) oder normierte Abstände in Umfangsrichtung vorgesehen sein, siehe beispielsweise Abb. 4, dort können Werte von x1/D = 2 und x2/D = 4 vorgesehen sein. Es können auch Starterfilm-Öffnungen 6 mit gleichem Durchmesser D und gleichem Abstand x auf zwei Teilkreisen 13a und 13b oder nur auf einem Teilkreis 13a oder 13b (siehe Abb. 6), Fasen, beispielsweise 1 mm x 45°, oder Radien, beispielsweise R = 0,5 mm, vorgesehen sein (siehe Abb. 7).As shown in Fig. 7, the variation can be continuous or refer to discrete states, e.g. reduce two or three. For example, diameter D of the starter film openings 6 of D1 = 2.5 mm and D2 = 1 mm (see Fig. 3) or standardized distances in the circumferential direction can be provided, see For example Fig. 4, there can be values of x1 / D = 2 and x2 / D = 4 can be provided. Starter film openings 6 can also be used with the same diameter D and the same distance x on two Pitch circles 13a and 13b or only on a pitch circle 13a or 13b (see Fig. 6), chamfers, e.g. 1 mm x 45 °, or radii, for example R = 0.5 mm (see Fig. 7).

Die Verschiebung der Starterfilmstärke in Umfangsrichtung (Symmetrielinie 15) kann beispielsweise 4° betragen, so wie dies in den Abb. 4 bis 7 dargestellt ist.The shift in starter film thickness in the circumferential direction (Line of symmetry 15) can be, for example, 4 °, such as this is shown in Figs. 4 to 7.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. The invention is not based on the exemplary embodiments shown limited, rather arise within the scope of the invention diverse options for modification and modification.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Abdeckung des BrennkammerkopfesCover of the combustion chamber head
22
Grundplattebaseplate
33
Starterfilmstarter film
44
innere Brennkammerwandinner combustion chamber wall
55
Hitzeschild mit Loch für Brenner 7Heat shield with hole for burner 7
66
Starterfilm-ÖffnungenStarter film openings
77
Brenner mit Brennerarm und DrallerzeugerBurner with burner arm and swirl generator
88th
Turbinenleitschaufelturbine vane
99
Leitschaufel im VerdichterauslassGuide vane in the compressor outlet
1010
BrennkammeraußengehäuseCombustion chamber outer housing
1111
BrennkammerinnengehäuseCombustion chamber inner housing
1212
Wandkühlungwall cooling
1313
Teilkreis des Starterfilms 3Pitch circle of starter film 3
1414
Symmetrielinie des Brenners 7 (Brennerachse)Line of symmetry of burner 7 (burner axis)
1515
Symmetrielinie des maximalen Starterfilms 3Line of symmetry of the maximum starter film 3
1616
Teilkreis der Brenner 7Partial circle of burners 7
DD
Durchmesser der Starterfilm-Öffnung 6Diameter of the starter film opening 6
xx
Abstand der Bohrungsmitten der Öffnungen 6Distance between the hole centers of the openings 6

Claims (14)

Brennkammer einer Gasturbine mit Starterfilm-Kühlung einer Brennkammerwand (4) bei mehreren kreisförmig angeordneten Brennern (7), dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang der Brennkammerwand (4) lokale Maxima und Minima in der Intensität des Starterfilms (3) ausgebildet sind.Combustion chamber of a gas turbine with starter film cooling of a combustion chamber wall (4) in the case of a plurality of burners (7) arranged in a circle, characterized in that local maxima and minima in the intensity of the starter film (3) are formed around the circumference of the combustion chamber wall (4). Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Maxima (15) bzw. Minima gleich ist der Anzahl der Brenner (7).Combustion chamber according to claim 1, characterized in that the number of maxima (15) or minima is equal to the number of burners (7). Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Maxima (15) bzw. Minima ein ganzzahliges Vielfaches der Brenner (7) ist.Combustion chamber according to claim 1, characterized in that the number of maxima (15) or minima is an integral multiple of the burners (7). Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Maxima und Minima durch unterschiedliche Starterfilm-Öffnungen (6) geleitete Luftmengen gebildet werden.Combustion chamber according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the local maxima and minima are formed by different amounts of air conducted through different starter film openings (6). Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Starterfilm-Öffnungen (6) unterschiedliche äquivalente Durchmesser (D) aufweisen.Combustion chamber according to claim 4, characterized in that the starter film openings (6) have different equivalent diameters (D). Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Starterfilm-Öffnungen (6) gleichmäßig verteilt sind und unterschiedliche äquivalente Durchmesser (D) aufweisen.Combustion chamber according to claim 5, characterized in that the starter film openings (6) are evenly distributed and have different equivalent diameters (D). Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Starterfilm-Öffnungen (6) bei gleichem äquivalentem Durchmesser (D) unterschiedliche Lochabstände haben. Combustion chamber according to Claim 5, characterized in that the starter film openings (6) have different hole spacings with the same equivalent diameter (D). Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6) auf einem variierenden Anteil von Teilkreisen (13) angeordnet sind.Combustion chamber according to claim 5, characterized in that the openings (6) are arranged on a varying proportion of partial circles (13). Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6) unterschiedliche Durchlasskoeffizienten aufweisen.Combustion chamber according to claim 5, characterized in that the openings (6) have different passage coefficients . Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen unterschiedliche Einlaufkonturen aufweisen.Combustion chamber according to claim 5, characterized in that the openings have different inlet contours. Brennkammer nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Starterfilm-Öffnungen (6) kontinuierlich ausgebildet ist.Combustion chamber according to one of claims 4 to 10, characterized in that the variation of the starter film openings (6) is continuous. Brennkammer nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Starterfilm-Öffnungen (6) auf diskrete Zustände bezogen ist.Combustion chamber according to one of claims 4 to 10, characterized in that the variation of the starter film openings (6) is related to discrete states. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Maxima (15) auf der Symmetrieachse der Brennerachse (14) angeordnet sind.Combustion chamber according to one of claims 1 to 12, characterized in that the maxima (15) are arranged on the axis of symmetry of the burner axis (14). Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Maxima (15) in Umfangsrichtung zur Brennerachse (14) verschoben angeordnet sind.Combustion chamber according to one of claims 1 to 12, characterized in that the maxima (15) are arranged displaced in the circumferential direction to the burner axis (14).
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