EP2093487A2 - Gasturbinenbrennkammer mit keramischen Flammenrohr - Google Patents

Gasturbinenbrennkammer mit keramischen Flammenrohr Download PDF

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EP2093487A2
EP2093487A2 EP09002226A EP09002226A EP2093487A2 EP 2093487 A2 EP2093487 A2 EP 2093487A2 EP 09002226 A EP09002226 A EP 09002226A EP 09002226 A EP09002226 A EP 09002226A EP 2093487 A2 EP2093487 A2 EP 2093487A2
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flame tube
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turbine combustor
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Miklos Dr. Gerendás
Sermed Sadig
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    • 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
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    • 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
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine combustor having a substantially cylindrical flame tube.
  • the GB-A 1 450 894 describes the construction of a gas turbine combustor with monolithic ceramic shingles.
  • the shingles are used for thermal insulation and are attached to a structural metal housing component. Since ceramic and metal have different thermal expansions, attention must be paid to their connection.
  • the bearing surface between metallic and ceramic component is in a special angle, which is characterized in that the clamping force remains constant even at elevated temperatures.
  • a disadvantage of the gas turbine combustor is the direct connection of the shingles to the housing, which is not suitable for axial combustion chambers with a high mass flow rate, since the radial cross section is not sufficient to bring the pressure loss in the annulus to a sufficiently low level. Due to the segmented structure of the flame tube, there is the additional problem of keeping the gap between the individual shingles, which leave the support structure unprotected, from hot gas.
  • the US-A 6,397,603 describes a gas turbine combustor whose flame tube is made entirely of CMC (ceramic matrix composite material).
  • the combustion chamber is held at the head with studs in their appropriate position.
  • the combustion chamber structure has the disadvantage that the connection of the flame tube with the combustion chamber head via a bolt that allows large radial movements. Due to the type of connection, however, a large radial clearance is required, its control within the operation as very is considered difficult.
  • the gap results from the resulting relative thermal expansions of the CMC tube relative to the metallic combustion chamber head and the housing. During pressure oscillations or impacts in the engine mount, the CMC component beats due to the necessary play on the metal fasteners. Furthermore, the production of the entire flame tube from one piece involves high costs, since the volume of an autoclave is not fully utilized due to the hollow cylinder shape.
  • the invention has for its object to provide a gas turbine combustor of the type mentioned, which allows the use of fiber-reinforced ceramic materials with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability.
  • the flame tube is made of a ceramic material and divided in the circumferential direction into a plurality of peripheral elements.
  • the peripheral elements are connected to each other by axial flanges.
  • the axial flanges are preferably connected or coupled by means of articulated coupling elements with the associated components, so that, on the one hand, a statically unambiguous assignment is created and, on the other hand, thermal expansion can be absorbed without damaging the components.
  • the extended center lines of the coupling elements preferably intersect with the engine axis.
  • a flame tube 2 of a combustion chamber of a fiber-reinforced ceramic ceramic material
  • the combustion chamber is composed of an outer flame tube 2, an inner flame tube 8, and the combustion chamber head 7. Outer and inner flame tubes are divided circumferentially into three or more parts.
  • the flame tube 2 is divided circumferentially into three or more parts.
  • the individual segments are connected to each other by axial flanges 1, 9, 201 by means of fastening elements 106.
  • the holder of the flame tube 2 to a combustion chamber housing 3 is carried out with a hinged rigid support in the form of a chain link 104, which with the axial flange 1 on Flame tube 2 and a projection for attachment to the combustion chamber housing 3 is connected.
  • the imaginary extensions 304 of the chain links 104 intersect on an engine axis 301 at an angle that is greater than 0 ° and less than 180 °.
  • the flame tube 2 is guided and positioned on an angled bearing surface 208.
  • the flame tube 2 can rest on the support surface 208, so that the holder allows a constant clamping force during operation, or it can be set to a desired cooling gap, which is held constant during operation by the holder.
  • a flexible high temperature resistant sealing element 209 may additionally be positioned.
  • connection between the flame tube 2 and the combustion chamber head 7 also takes place via an articulated support 4, 204, which attaches both to the axial flange 1, 201 of the flame tube 2 and to a projection 101, 203 for attachment to the combustion chamber housing 3, 101.
  • the extensions 302, 303 of the chain links 104 intersect on the engine axis 301 at an angle greater than 0 ° and less than 180 °.
  • the projections 101, 203 may be integrally formed or joined with the combustion chamber head 7.
  • the projection 103 may be integrally formed or joined to the combustion chamber housing 3.
  • the function of the holder 4, 204 and the projections 103, 203 is independent of their shape.
  • the connecting elements may be made of metallic or ceramic materials.
  • the holder according to the invention makes it possible, at high temperatures, to move the ceramic housing relative to the combustion chamber housing and the combustion chamber head in a stress-free manner.
  • the relative movements are intercepted by the articulated mounting of the flame tube.
  • the segmentation of the flame tube makes it possible to keep the manufacturing costs low compared to a full-ring design, since the volume of an autoclave is better utilized by stacking the individual segments. Nevertheless, the introduction of the Axialflanschs no leaks, as in shingles after GB-A 1 450 894 are common, up.
  • Fig. 6 shows a schematic overall view of a combustion chamber according to the invention in a gas turbine.
  • a combustion chamber 401 a burner 402 with arm and head, bypass 403, fan 404, compressor 405, inner and outer combustion chamber housing 407 and 408, Turbinenleitrad 409, turbine runner 410, drive shaft 411 and 412 combustion chamber head are provided.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit einem im Wesentlichen zylindrischen Flammenrohr (2), welches aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist und in Umfangsrichtung in mehrere Umfangselemente (10,11,12) unterteilt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit einem im Wesentlichen zylindrischen Flammenrohr.
  • Die GB-A 1 450 894 beschreibt den Aufbau einer Gasturbinenbrennkammer mit monolithischen Keramikschindeln. Die Schindeln dienen zur Wärmeisolierung und werden an einem strukturtragenden metallischen Gehäusebauteil befestigt. Da Keramik und Metall unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufweisen, muss auf deren Verbindung besondere Acht gegeben werden. Die Auflagefläche zwischen metallischem und keramischem Bauteil liegt in einem speziellen Winkel vor, der sich dadurch auszeichnet, dass die Klemmkraft auch bei erhöhten Temperaturen konstant bleibt.
  • Ein Nachteil der Gasturbinenbrennkammer ist die direkte Verbindung der Schindeln am Gehäuse, die sich für axiale Brennkammern mit einem hohen Massendurchsatz nicht eignet, da der radiale Querschnitt nicht ausreicht, um den Druckverlust im Annulus auf ein ausreichend niedriges Niveau zu bringen. Durch den segmentierten Aufbau des Flammenrohrs, ergibt sich zusätzlich das Problem, die Spalte zwischen den einzelnen Schindeln, welche die Tragstruktur ungeschützt lassen, vor Heißgas zu bewahren.
  • Die US-A 6,397,603 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer, deren Flammenrohr voll aus CMC (ceramic matrix composite material) gefertigt wird. Die Brennkammer wird am Kopf mit Stehbolzen in ihrer entsprechenden Position gehalten.
  • Der Brennkammeraufbau hat zum Nachteil, dass die Verbindung des Flammenrohrs mit dem Brennkammerkopf über einen Bolzen erfolgt, der große radiale Bewegungen erlaubt. Aufgrund der Verbindungsart ist jedoch ein großes radiales Spaltmaß erforderlich, dessen Kontrolle innerhalb des Betriebs als sehr schwierig erachtet wird. Das Spaltmaß ergibt sich aus den durch unterschiedliche thermische Dehnungen resultierenden Relativbewegungen des CMC-Rohrs zum metallischen Brennkammerkopf und zum Gehäuse. Bei Druckschwingungen oder Stößen in der Triebwerksaufhängung schlägt das CMC-Bauteil wegen des notwendigen Spiels auf die metallenen Befestigungselemente. Weiterhin bringt die Fertigung des gesamten Flammenrohrs aus einem Stück hohe Kosten mit sich, da das Volumen eines Autoklaven aufgrund der Hohlzylinderform nicht voll ausgenutzt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Verwendung von faserverstärkten Keramikwerkstoffen ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das Flammenrohr aus einem keramischen Werkstoff gefertigt und in Umfangsrichtung in mehrere Umfangselemente unterteilt ist. Die Umfangselemente sind jeweils durch Axialflansche miteinander verbunden. Die Axialflansche sind bevorzugterweise mittels gelenkiger Kopplungselemente mit den zugeordneten Bauteilen verbunden oder gekoppelt, so dass zum einen eine statisch eindeutige Zuordnung geschaffen ist und dass zum anderen Wärmeausdehnungen ohne Beschädigung der Bauelemente aufgefangen werden können. Hierzu schneiden sich die verlängerten Mittellinien der Kopplungselemente bevorzugterweise mit der Triebwerksachse.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Flammenrohrs,
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung einer Teilansicht gemäß Fig. 1,
    Fig. 3
    eine weitere perspektivische Teilansicht,
    Fig. 4
    eine vereinfachte schematische Axial-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Flammenrohrs mit Brennkammergehäuse,
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung, analog Fig. 4, mit Zuordnung zur Triebwerksachse, und
    Fig. 6
    eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer in einer Gasturbine.
  • Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein Flammenrohr 2 einer Brennkammer aus einer faserverstärkten Keramik (keramischer Werkstoff) zu fertigen, die sowohl die mechanischen wie auch die thermischen Lasten des Flammenrohres 2 aufnimmt. Die Brennkammer besteht aus einem äußeren Flammenrohr 2, einem inneren Flammenrohr 8, und dem Brennkammerkopf 7. Äußeres und inneres Flammenrohr sind in Umfangsrichtung in drei oder mehr Teile aufgeteilt.
  • Das Flammenrohr 2 ist in Umfangsrichtung in drei oder mehr Teile aufgeteilt. Die einzelnen Segmente werden durch Axialflansche 1, 9, 201 mit Hilfe von Befestigungselementen 106 miteinander verbunden.
  • Die Halterung des Flammenrohrs 2 an einem Brennkammergehäuse 3 erfolgt mit einer gelenkig gelagerten steifen Halterung in Form eines Kettengliedes 104, welches mit dem Axialflansch 1 am Flammenrohr 2 und einem Vorsprung zur Befestigung am Brennkammergehäuse 3 verbunden ist. Hierbei schneiden sich die gedachten Verlängerungen 304 der Kettenglieder 104 auf einer Triebwerksachse 301 in einem Winkel, der größer 0° und kleiner 180° ist.
  • Das Flammenrohr 2 wird auf einer angewinkelten Auflagefläche 208 geführt und positioniert. Je nach Auslegung kann das Flammenrohr 2 auf der Auflagefläche 208 aufliegen, so dass die Halterung eine konstante Klemmkraft im Betrieb ermöglicht, oder es kann ein zur Kühlung gewünschter Spalt eingestellt werden, der im Laufe des Betriebs durch die Halterung konstant gehalten wird.
  • Zwischen der Auflagefläche 208 und dem Flammenrohr 2 kann zusätzlich ein flexibles hochtemperaturfestes Dichtelement 209 positioniert sein.
  • Die Verbindung zwischen Flammenrohr 2 und Brennkammerkopf 7 erfolgt ebenfalls über eine gelenkige Halterung 4, 204, die sowohl am Axialflansch 1, 201 des Flammenrohrs 2 und an einem Vorsprung 101, 203 zur Befestigung am Brennkammergehäuse 3, 101 ansetzt. Auch hier schneiden sich die Verlängerungen 302, 303 der Kettenglieder 104 auf der Triebwerksachse 301 unter einem Winkel, der größer 0° und kleiner 180° ist.
  • Die Vorsprünge 101, 203 können mit Brennkammerkopf 7 einstückig ausgebildet oder gefügt sein.
  • Der Vorsprung 103 kann mit dem Brennkammergehäuse 3 einstückig ausgebildet oder gefügt sein.
  • Die Funktion der Halterung 4, 204 und der Vorsprünge 103, 203 ist unabhängig von ihrer Form.
  • Die Verbindungselemente (Befestigungselement 106, Kettenglied 104) können aus metallischen oder keramischen Werkstoffen sein.
  • Durch die Einführung der gelenkigen Halterung unter Verwendung der angewinkelten Auflagefläche wird im Laufe des Betriebszyklus eine spannungsarme Verbindung des Flammenrohrs am Gehäuse und am Brennkammerkopf ermöglicht. Je nach Auslegungsvariante lassen sich damit entweder die Spaltmaße besser kontrollieren oder die Klemmkräfte über den gesamten Betriebszyklus konstant halten.
  • Die erfindungsgemäße Halterung ermöglicht es bei hohen Temperaturen dem keramischen Gehäuse, sich spannungsfrei relativ zum Brennkammergehäuse und zum Brennkammerkopf zu bewegen. Die Relativbewegungen werden durch die gelenkige Lagerung des Flammenrohrs abgefangen.
  • Die Segmentierung des Flammenrohrs ermöglicht es, die Fertigungskosten gegenüber einer Vollringbauweise gering zu halten, da das Volumen eines Autoklaven durch Stapeln der einzelnen Segmente besser ausgenutzt wird. Dennoch treten durch die Einführung des Axialflanschs keine Leckagen, wie sie bei Schindeln nach der GB-A 1 450 894 üblich sind, auf.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer in einer Gasturbine. Dabei sind eine Brennkammer 401, ein Brenner 402 mit Arm und Kopf, Nebenstrom 403, Fan 404, Verdichter 405, inneres und äußeres Brennkammergehäuse 407 und 408, Turbinenleitrad 409, Turbinenlaufrad 410, Antriebswelle 411 sowie Brennkammerkopf 412 vorgesehen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Axialflansch
    2
    Flammenrohr (aus 10, 11, 12 gebildet)
    3
    Äußeres Brennkammergehäuse
    4
    Gelenkige Halterung/Kopplungselement
    5
    Innere Plattform der Turbinenleitschaufel
    6
    Brennerloch
    7
    Brennkammerkopf
    8
    Inneres Flammenrohr
    9
    Innere Axialflansch
    10
    Umfangselement
    11
    Umfangselement
    12
    Umfangselement
    13
    Äußere Plattform der Turbinenleitschaufel
    101
    Vorsprung
    102
    Befestigungselement
    103
    Vorsprung
    104
    Kettenglied/Kopplungselement
    105
    Äußere Plattform der Turbinenleitschaufel
    106
    Befestigungselement des Axialflansches
    107
    Befestigungselement des Kettengliedes
    201
    Axialflansch
    203
    Vorsprung
    204
    Gelenkige Halterung/Kopplungselement
    205
    Inneres Brennkammergehäuse
    206
    Diffusor
    207
    Turbinenleitschaufel
    208
    Auflagefläche
    209
    Dichtelement
    301
    Triebwerksachse
    302
    Verlängerung/Verlängerte Mittellinie
    303
    Verlängerung/Verlängerte Mittellinie
    304
    Verlängerung/Verlängerte Mittellinie
    401
    Brennkammer
    402
    Brenner mit Arm und Kopf
    403
    Nebenstrom
    404
    Fan
    405
    Verdichter
    407
    Inneres Brennkammergehäuse
    408
    Äußeres Brennkammergehäuse
    409
    Turbinenleitrad
    410
    Turbinenlaufrad
    411
    Antriebswelle
    412
    Brennkammerkopf

Claims (8)

  1. Gasturbinenbrennkammer mit einem im Wesentlichen zylindrischen Flammenrohr (2), welches aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist und in Umfangsrichtung in mehrere Umfangselemente (10, 11, 12) unterteilt ist.
  2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangselemente (10, 11, 12) jeweils durch Axialflansche (1, 9) verbunden sind.
  3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflansche (1, 9) jeweils mittels gelenkiger Kopplungselemente (4, 104, 204) gelagert sind.
  4. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial äußerer Axialflansch (1) des Flammenrohrs (2) mittels des Kopplungselements (104) an einem äußeren Brennkammergehäuse (3) gelagert ist.
  5. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Axialflansch (201) des Flammenrohrs (8) mittels des Kopplungselements an einem inneren Brennkammergehäuse (205) gelagert ist.
  6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Axialflansch (8) des Flammenrohrs (2) mittels des Kopplungselements (204) an einem Brennkammerkopf (7) gelagert ist.
  7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial äußerer Axialflansch (1) des Flammenrohrs (2) mittels des Kopplungselements (4) an einem Brennkammerkopf (7) gelagert ist.
  8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass verlängerte Mittellinien (302, 303, 304) der Kopplungselemente (4, 104, 204) sich mit einer Triebwerksachse (301) schneiden.
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