EP2270397A1 - Gasturbinenbrennkammer und Gasturbine - Google Patents

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EP2270397A1
EP2270397A1 EP09162305A EP09162305A EP2270397A1 EP 2270397 A1 EP2270397 A1 EP 2270397A1 EP 09162305 A EP09162305 A EP 09162305A EP 09162305 A EP09162305 A EP 09162305A EP 2270397 A1 EP2270397 A1 EP 2270397A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
gas turbine
turbine combustor
combustion chamber
composite
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Withdrawn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
EP09162305A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Buse
Alessandro Casu
Giacomo Colmegna
Werner Stamm
Stefan Völker
Ulrich Wörz
Adam Zimmermann
Tilman Auf Dem Kampe
Jaap Van Kampen
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09162305A priority Critical patent/EP2270397A1/de
Publication of EP2270397A1 publication Critical patent/EP2270397A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F23R3/002—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
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • 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
    • F23R2900/03041—Effusion cooled combustion chamber walls or domes

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine combustor having a substantially rotationally symmetrical cross section and at least one axial section, which has an inner wall with an outer side and an outer wall with an inner side facing away from the inner wall and spaced from the inner side, so that between the outer side and the Inside a at least one cooling fluid channel forming space is present.
  • the present invention relates to a gas turbine.
  • a gas turbine comprises as essential components a compressor, a turbine with blades and guide vanes and at least one combustion chamber.
  • the blades of the turbine are arranged on a shaft extending mostly through the entire gas turbine, which is coupled to a consumer, such as a generator for power generation.
  • the shaft provided with the blades is also called turbine runner or rotor
  • combustion chambers of so-called diffusion combustion systems in which a fuel-rich fuel-air mixture is burned, are exposed to very high temperatures during operation of the gas turbine.
  • the combustion chamber is in this case a mechanical container, which serves to stabilize the flame and to ensure the transfer of the heated by the combustion compressor cooling air K in the turbine. Since this mechanical container is located near the flame, it is exposed to temperatures that exceed even the melting temperature of superalloys. Therefore, in order to prevent the combustion chambers from melting, they are often equipped with complex double-walled cooling systems and cooling fins between the walls.
  • a combustion chamber for a diffusion flame, which has a double wall, is, for example, in WO 99/17057 A1 described.
  • the first object is achieved by a gas turbine combustor according to claim 1, the second object by a gas turbine according to claim 11.
  • the appended claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • a gas turbine combustor according to the invention has a substantially rotationally symmetrical cross-section and has at least one axial section which has an inner wall with an outer side and an outer wall with an inner side facing the inner wall and spaced from the inner side.
  • a gap forming at least one cooling fluid channel.
  • the inner wall is at least partially made of composite.
  • the composite may partially comprise an envelope, e.g. made of metal.
  • the composite inner wall has the advantages of being much faster than the planed fins used in the prior art. Another advantage is that the heat transfer is increased and thus has a more efficient cooling as a result.
  • the composite is metallic or ceramic. This has the necessary temperature resistance.
  • the composite is formed as a foam. This has several advantages.
  • a disadvantage of using the planed cooling fins customary in the prior art is namely that the inner wall of the combustion chamber undergoes a significant radial thermal expansion due to the very high temperatures prevailing during operation. This thermal expansion is large enough to reduce the flow area through the space between the inner wall with the prior art cooling fins and the outer wall. reason for this is that the cooling fins bring about no rigidity of the inner wall, which would oppose a radial expansion of the inner wall.
  • the inner wall is given a stiffness, which precludes a radial expansion.
  • Straight metal or ceramic foam is characterized by a particularly high rigidity.
  • foams have the advantage that it is easy to work and thus again contributes to the simplified production.
  • foams have a high temperature resistance. They can therefore be used in combustion chambers.
  • Metal or ceramic foam also has a good acoustic property.
  • the inner wall made of foam can also be used to dampen combustion chamber vibrations, e.g. by means of mounted in the wall cooling holes that can serve as a sound absorber.
  • the foam texture e.g. large or small pores on different areas of the walls to be matched to the required damping.
  • Foam is also characterized by a high energy absorption capacity.
  • the heat transfer is increased and the cooling made even more efficient. This results in a greater reduction of the temperature and thus a life extension.
  • an Invar alloy is provided as the composite.
  • This alloy has abnormally small or sometimes negative coefficients of thermal expansion in certain temperature ranges.
  • deformation can be e.g. the buckling of the boundaries, so the TBC combustion chamber side and the outside of the inner wall counteracted.
  • the height of the inner wall can be arbitrary, that is also such that it adjoins the outer wall on the combustion chamber side.
  • the TBC can be a metallic or ceramic protective layer.
  • the composite has cooling air holes. These holes can be realized as holes.
  • the cooling air holes can be placed arbitrarily deep in the composite.
  • the cooling air holes may be attached through the inner wall, for example.
  • the compressor cooling air K thus guided into the combustion chamber settles as a film between the combustion gases and the combustion chamber wall and thus produces a film cooling.
  • the composite is designed as a foam, then the compressor cooling air K can also flow away through the foam in the flow direction and thus cause efficient cooling. Therefore, the porous structure allows more efficient cooling than film cooling or impingement cooling alone because the porous structure is highly surface-enlarging. It allows a kind of transpiration cooling.
  • the diffusion flow of compressor cooling air K through the foam allows the use of a relatively small number of holes through the surface layer.
  • the inner wall may in particular have a downstream end at which the intermediate space between the outer side of the inner wall and the inner side of the outer wall is open toward the interior of the combustion chamber.
  • the cooling fluid can then be supplied to the combustion chamber interior, which is used in particular for diffusion flames.
  • compressor cooling air K or steam can be used as cooling fluid.
  • the outer wall has steps in the axial direction of the gas turbine combustor.
  • This embodiment also makes it possible to attach cooling air ducts and cooling fins between the different inner walls and the outer wall and in each case to design them differently, either with different flow cross sections and / or with different pitches of the fins and / or with different fin geometries.
  • each of the outer walls of the inner walls which are partially pushed into one another, may be fastened to a fastening section of the outer wall in their section surrounding the inner of the inner walls pushed one inside the other.
  • the inlet openings of the outer wall then adjoin these fastening sections.
  • Each intermediate space formed between an inner wall and the outer wall can then be supplied with cooling fluid individually.
  • each of the axially arranged in succession inner walls have a downstream end on which the existing between the outside of the respective inner wall and the inside of the outer wall gap to the combustion chamber interior is open.
  • a further inner wall arranged in the axial direction behind an inner wall is further cooled by means of film cooling by the compressor cooling air K entering the combustion chamber, which flows along the inside of the following inner wall.
  • the compressor cooling air K remains significantly longer in the wall designed as a composite than in the case of the planed used in the prior art or milled cooling fins. The efficiency of the cooling can be increased thereby.
  • a gas turbine according to the invention is equipped with at least one combustion chamber according to the invention.
  • a plurality of combustion chambers according to the invention for example six, eight or twelve combustion chambers, may be arranged around the rotor.
  • the advantages described with reference to the gas turbine combustor according to the invention also result in the gas turbine according to the invention. Reference is therefore made to the advantages described with reference to the gas turbine combustor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal section.
  • This comprises a compressor section 3, a combustion chamber section 5 and a turbine section 7.
  • a shaft extends through all sections of the gas turbine 1.
  • the shaft 9 is provided with rings of compressor blades 11 and in the turbine section 7 with rings of turbine blades 13.
  • Wheels of compressor vanes 15 are located in the compressor section 3 between the rotor blade rings and rings of turbine vanes 17 in the turbine section.
  • the guide vanes extend extending from the housing 19 of the gas turbine plant 1 substantially in the radial direction to the shaft.
  • FIG. 2 shows a combustion chamber 25 of the gas turbine 1 in a schematic sectional view.
  • the combustion chamber 25 includes a burner end 31 to which at least one burner 27 is disposed and through which both the fuel and compressor air are introduced into the combustion chamber.
  • the combustion chamber 25 comprises a turbine-side outlet end 33, through which the hot combustion exhaust gases exit the combustion chamber 25 in the direction of the turbine section 7.
  • the flame present in the combustion chamber 25 during operation of the gas turbine 1 results in very high temperatures in a section 35 of the combustion chamber which necessitate cooling of the combustion chamber wall, in particular when the flame is a diffusion flame.
  • the combustion chamber wall at least in this section 35, has a double-walled structure with an outer wall 37 and one or more inner walls 39A, 39B, 39C. Between the inner walls 39A, 39B, 39C and the outer wall 37 are interspaces 41A, 41B, 41C, the cooling air channels for a cooling fluid, in the present embodiment compressor cooling air K, form.
  • a cooling fluid in the present embodiment compressor cooling air K
  • the foam can be an Ivar alloy.
  • Invar is an iron-nickel alloy with 36% nickel content (FeNi36).
  • Invar alloys have the property of having abnormally small or sometimes negative coefficients of thermal expansion (CTE) in certain temperature ranges. The name thus results from the invariance of the strain with respect to a temperature change.
  • the inner walls 39 each have a mounting portion 45, in which they are attached to a mounting portion 46 of the outer wall 37.
  • the inner walls 39 have slightly different radii, wherein the radii in the flow direction 47 of the combustion gases increase.
  • the fastening portions 45 remote from the ends 40 of the inner walls 39 are inserted into a part in the downstream adjacent inner wall 39. This leaves a gap between the outside the inner inner wall (eg 39A) and the inner side of the outer Innwand (eg 39B) or the outer wall 37 so that downstream of the combustion chamber inside open annular opening 42 is formed.
  • the outer wall 37 has, in the vicinity of the fixing portions 46 to which the inner walls 39 are fixed with their fixing portions 45, through holes 49 serving as inlet openings for compressor cooling air K into the spaces 41.
  • the compressor cooling air K then flows along the outside of the inner walls 39 to cool them. Finally, the compressor cooling air K flows through the annular opening 42 into the combustion chamber interior.
  • the compressor cooling air K thus serves in the present case in several ways as compressor cooling air K, namely on the one hand by first the outside of the inner wall 39 A, 39 B, 39 C, and then the inner wall of the subsequent outer wall 37 cools.
  • the wall 39A, 39B, 39C is designed as foam, cooling by means of compressor cooling air K also takes place in the interior of the wall itself.
  • the preferably designed as a foam inner wall 39A, 39B, 39C is provided with cooling air drilling.
  • Compressor cooling air K enters this wall through the cooling air holes as well as through the pore-shaped foam structure of the inner wall 39A, 39B, 39C and flows toward the combustion chamber. Due to the pore structure, the heat transfer is substantially increased because the pore structure greatly increases the surface available for cooling.
  • the foam-formed inner wall 39A, 39B, 39C also has the advantage that it has a substantially higher rigidity than the inner wall mentioned in the prior art.
  • the foam may comprise a so-called Invar alloy, which substantially reduces the risk of deformation of the inner wall 39A, 39B, 39C due to heat.
  • the production of the composite preferably foam-made inner wall 39A, 39B, 39C is much faster than the planed in the prior art ribs. This saves time and thus costs.

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Abstract

Es wird eine Gasturbinenbrennkammer (25) mit im Wesentlichen rotationssymmetrischem Querschnitt zur Verfügung gestellt. Sie weist eine innere Wand (39) mit einer Außenseite und eine äußere Wand (37) mit einer der Außenseite der inneren Wand zugewandten und von dieser beabstandeten Innenseite auf, so dass zwischen der Außenseite der inneren Wand (39) und der Innenseite der äußeren Wand (37) ein wenigstens einen Kühlfluidkanal bildender Zwischenraum (41) vorhanden ist und wobei die Außenwand (37) zum Zwischenraum (41) führende Eintrittsöffnungen (49) für ein Kühlfluid aufweist. Erfindungsgemäß ist die innere Wand (39) zumindest teilweise aus einem Komposit gebildet und zumindest brennkammerseitig mit einer Schutzschicht (TBC=Thermal Barrier Coating) versehen.

Description

    Gasturbinenbrennkammer und Gasturbine
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit im Wesentlichen rotationssymmetrischem Querschnitt und wenigstens einem axialen Abschnitt, welcher eine innere Wand mit einer Außenseite und eine äußere Wand mit einer der Außenseite der inneren Wand zugewandten und von dieser beabstandeten Innenseite aufweist, so dass zwischen der Außenseite und der Innenseite ein wenigstens einen Kühlfluidkanal bildender Zwischenraum vorhanden ist. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine.
  • Eine Gasturbine umfasst als wesentliche Bestandteile einen Verdichter, eine Turbine mit Laufschaufeln und Leitschaufeln sowie wenigstens eine Brennkammer. Die Laufschaufeln der Turbine sind an einer sich zumeist durch die gesamte Gasturbine erstreckende Welle angeordnet, die mit einem Verbraucher, etwa einem Generator zur Stromerzeugung, gekoppelt ist. Die mit den Laufschaufeln versehene Welle wird auch Turbinenläufer oder Rotor genannt
  • Im Betrieb der Gasturbine wird der Brennkammer verdichtete Luft aus dem Verdichter zugeführt. Die verdichtete Luft wird mit einem Brennstoff, beispielsweise Öl oder Gas, vermischt und in der Brennkammer verbrannt. Die heißen Verbrennungsabgase werden schließlich über einen Brennkammerausgang der Turbine zugeführt, wo sie unter Entspannung und Abkühlung Impuls auf die Laufschaufeln übertragen und so Arbeit leisten.
  • Insbesondere die Brennkammern von sogenannten Diffusions-Verbrennungssystemen, in denen ein brennstoffreiches Brennstoff-Luftgemisch verbrannt wird, sind im Betrieb der Gasturbine sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Die Brennkammer ist hierbei ein mechanischer Behälter, der dazu dient, die Flamme zu stabilisieren und die Überleitung der durch die Verbrennung erhitzten Verdichterkühlluft K in die Turbine zu gewährleisten. Da dieser mechanische Behälter nahe der Flamme liegt, ist er Temperaturen ausgesetzt, die selbst die Schmelztemperatur von Superlegierungen übersteigen. Um das Schmelzen der Brennkammern zu verhindern, sind diese daher häufig mit komplexen Kühlsystemen mit doppelter Wandung und Kühlrippen zwischen den Wänden ausgestattet. Eine Brennkammer für eine Diffusionsflamme, die eine doppelte Wandung aufweist, ist bspw. in WO 99/17057 A1 beschrieben. Ebenfalls eine Brennkammer mit doppelter Wandung, die aber in Verbindung mit einer Vormischflamme, d.h. einem vor der Zündung verwirbelten Luft-Brennstoff-Gemisch, Verwendung findet, ist in WO 97/14875 A1 beschrieben. Mit ansteigender Temperatur nimmt jedoch bei einem derartig ausgestalteten Kühlsystem der effektive Strömungsquerschnitt des Kühlfluidkanals ab. Aufgrund der höheren Dehnung der inneren Wand, wenn diese während des Betriebs wärmer wird, verringert sich der Abstand zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand und somit die Querschnittsfläche des Kühlluftkanals. Die Außenseite der inneren Wand weist in Richtung auf die Innenseite der äußeren Wand vorstehende Kühlrippen auf. Die Kühlrippen können gehobelt oder gefräst sein. Die Änderung der Querschnittsfläche erschwert außerdem das Steuern der durch den Kühlfluidkanal strömenden Kühlfluidmenge. Ein einfaches Schließen und Öffnen von Kühlfluideintrittsöffnungen ist zum Steuern der Kühlfluidmenge nicht möglich, da diese hauptsächlich durch die Querschnittsfläche des Kühlfluidkanals bestimmt wird.
  • Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Gasturbinenbrennkammer zur Verfügung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Aufgabe wird durch eine Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Gasturbine nach Anspruch 11. Die anhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer weist einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Querschnitt auf und besitzt wenigstens einen axialen Abschnitt, der eine innere Wand mit einer Außenseite und eine äußere Wand mit einer der Außenseite der inneren Wand zugewandten und von dieser beabstandeten Innenseite aufweist. Somit ist zwischen der Außenseite der Innenwand und der Innenseite der Außenwand ein wenigstens einen Kühlfluidkanal bildender Zwischenraum vorhanden. Außerdem weist die Außenwand zum Zwischenraum führende Eintrittsöffnungen für ein Kühlfluid, vorzugsweise Verdichterkühlluft K auf. Erfindungsgemäß ist die innere Wand dabei zumindest teilweise aus Komosit gebildet. Dabei kann das Komposit teilweise eine Umhüllung z.B. aus Metall aufweisen. Die innere Wand ist zumindest brennkammerseitig mit einer Schutzschicht(TBC=Thermal Barrier Coating)versehen.
  • Im Vergleich zu gehobelten oder eingefrästen Kühlrippen, welche im Stand der Technik zur Anwendung kommen, weist die aus Komposit gebildete innere Wand den Vorteile auf, dass die Herstellung wesentlich schneller erfolgt als die im Stand der Technik verwendeten gehobelten Kühlrippen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Wärmeübergang erhöht wird und somit eine effizientere Kühlung als Folge aufweist.
  • Vorteilhafterweise ist das Komposit metallisch oder keramisch. Dieses weist die notwendige Temperaturbeständigkeit auf.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Komposit als Schaum ausgebildet. Dieser weist mehrere Vorteile auf.
  • Ein Nachteil bei Verwendung bei den im Stand der Technik üblichen gehobelten Kühlrippen ist nämlich, dass die innere Wand der Brennkammer aufgrund der beim Betrieb herrschenden sehr hohen Temperaturen eine signifikante radiale thermische Ausdehnung erfährt. Diese thermische Ausdehnung ist groß genug, um den Strömungsquerschnitt durch den Zwischenraum zwischen der inneren Wand mit den im Stand der Technik verwendeten Kühlrippen und der äußeren Wand zu verringern. Ursache hierfür ist, dass die Kühlrippen keine Steifigkeit der inneren Wand herbeiführen, die einer radialen Ausdehnung der inneren Wand entgegenstehen würde.
  • Wird ein Komposit, z.B. Schaum verwenden, so wird der inneren Wand hingegen eine Steifigkeit verliehen, die einer radialen Ausdehnung entgegensteht. Gerade Metall oder Keramikschaum zeichnet sich durch eine besonders hohe Steifigkeit aus.
  • Die radiale Ausdehnung aufgrund der herrschenden hohen Temperaturen ist daher im Vergleich zu Brennkammern nach Stand der Technik, d.h. einer Brennkammer mit gehobelten Kühlrippen, deutlich reduziert. Somit ist eine bessere Kontrolle sowie eine bessere Gleichförmigkeit des Kühlfluidstroms vorzugsweise Verdichterkühlluft K bei verschiedenen in der Brennkammer herrschenden Temperaturen möglich.
  • Auch haben Schäume den Vorteil, dass er leicht bearbeitbar ist und somit nochmals zur vereinfachten Herstellung beiträgt.
  • Zudem weisen Schäume eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Sie können daher in Brennkammern verwendet werden.
  • Metall- oder Keramikschaum weist zudem eine gute akustische Eigenschaft auf. Somit kann die aus Schaum hergestellte innere Wand auch dahingehend verwendet werden, um Brennkammerschwingungen zu dämpfen, z.B. mittels in die Wand angebrachter Kühlbohrungen die als Schallabsorber dienen können. So kann beispielsweise auch die Schaumbeschaffenheit, z.B. große oder kleine Poren an unterschiedlichen Bereichen der Wände auf die benötige Dämpfung abgestimmt sein.
  • Schaum zeichnet sich weiterhin durch ein hohes Energieabsorptionsvermögen aus. Somit wird der Wärmeübergang erhöht und die Kühlung nochmals effizienter gestaltet. Dadurch erfolgt ein stärkere Absenkung der Temperatur und somit eine Laufzeitverlängerung.
  • Vorteilhafterweise ist als Komposit eine Invar - Legierung vorgesehen. Diese Legierung weist in bestimmten Temperaturbereichen anomal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Somit kann einer Deformation z.B. der Verbeulung der Begrenzungen, also der TBC brennkammerseitig und der Außenseite der inneren Wand entgegen gewirkt werden. Dadurch kann die Höhe der inneren Wand beliebig sein, also auch dergestalt, dass sie brennkammerabseitig an die Außenwand angrenzt. Die TBC kann eine metallische oder keramische Schutzschicht sein.
  • Vorteilhafterweise weist das Komposit Kühlluftlöcher auf. Diese Löcher können als Bohrungen realisiert sein. Die Kühlluftlöcher können beliebig tief in das Komposit eingebracht werden. Die Kühlluftlöcher können beispielsweise durch die innere Wand hindurch angebracht werden. Die so in die Brennkammer geleitete Verdichterkühlluft K legt sich als Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand und erzeugt somit eine Filmkühlung. Ist das Komposit als Schaum ausgeführt, so kann die Verdichterkühlluft K durch den Schaum hindurch auch in Strömungsrichtung abfließen und somit eine effiziente Kühlung hervorrufen. Die poröse Struktur erlaubt daher eine effizientere Kühlung als Filmkühlung oder Prallkühlung alleine, da die poröse Struktur stark oberflächenvergrößernd ist. Es wird eine Art Transpirationskühlung ermöglicht. Die Diffusionsströmung von Verdichterkühlluft K durch den Schaum erlaubt die Verwendung einer relativ kleinen Anzahl von Bohrungen durch die Oberflächenschicht.
  • In der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer kann die innere Wand insbesondere ein abströmseitiges Ende aufweisen, an dem der zwischen der Außenseite der inneren Wand und der Innenseite der äußeren Wand vorhandene Zwischenraum zum Brennkammerinneren hin offen ist. Das Kühlfluid kann dann dem Brennkammerinneren zugeleitet werden, was insbesondere bei Diffusionsflammen zur Anwendung kommt. Als Kühlfluid kann hierbei beispielsweise Verdichterkühlluft K oder Dampf Verwendung finden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer weist die äußere Wand in Axialrichtung der Gasturbinenbrennkammer Stufen auf. Es ist eine Anzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten inneren Wänden vorhanden, wobei die inneren Wände ringförmig ausgebildet sind und die Durchmesser von in Axialrichtung hintereinander angeordneten ringförmigen inneren Wänden zunehmen. Benachbarte ringförmige innere Wände sind hierbei teilweise ineinander geschoben. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, zumdem noch Kühlluftkanäle und Kühlrippen zwischen den unterschiedlichen inneren Wänden und der äußeren Wand anzubringen und jeweils unterschiedlich auszugestalten, sei es mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten und/oder mit unterschiedlichen Steigungen der Rippen und/oder mit unterschiedlichen Rippengeometrien.
  • Weiterhin kann in der vorteilhaften Ausgestaltung die jeweils äußere der teilweise ineinander geschobenen inneren Wände in ihrem die innere der ineinander geschobenen inneren Wände umgebenden Abschnitt an einem Befestigungsabschnitt der äußeren Wand befestigt sein. Die Eintrittsöffnungen der äußeren Wand grenzen dann an diese Befestigungsabschnitte an. Jedem zwischen einer inneren Wand und der äußeren Wand gebildeten Zwischenraum kann dann individuell Kühlfluid zugeführt werden. Insbesondere kann hierbei jede der in Axialrichtung hintereinander angeordneten inneren Wände ein abströmseitiges Ende aufweisen, an dem der zwischen der Außenseite der jeweiligen inneren Wand und der Innenseite der äußeren Wand vorhandene Zwischenraum zum Brennkammerinneren hin offen ist. Auf diese Weise wird eine in Axialrichtung hinter einer inneren Wand angeordnete weitere innere Wand durch die in die Brennkammer eintretende Verdichterkühlluft K, welche an der Innenseite der nachfolgenden inneren Wand entlang strömt, mittels Filmkühlung weiter gekühlt. Die Verdichterkühlluft K verbleibt in der als Komposit ausgestalteten Wand signifikant länger als bei den im Stand der Technik Verwendung findenden gehobelten oder gefrästen Kühlrippen. Die Effizienz der Kühlung kann dadurch erhöht werden.
  • Eine erfindungsgemäße Gasturbine ist mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Brennkammer ausgestattet. Insbesondere kann eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Brennkammern, beispielsweise sechs, acht oder zwölf Brennkammern, um den Rotor herum angeordnet sein. Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer beschriebenen Vorteile ergeben sich auch bei der erfindungsgemäßen Gasturbine. Es wird daher auf die mit Bezug die erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer beschriebenen Vorteile verwiesen.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
    • Figur 1
    zeigt eine erfindungsgemäße Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
    Figur 2
    zeigt eine erfindungsgemäße Brennkammer in einem Längsschnitt,
    Figur 3
    zeigt einen vergrößerten Abschnitt einer inneren Wand 39A,39B,39C mit Schutzschicht (TBC).
  • Figur 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsschnitt. Diese umfasst einen Verdichterabschnitt 3, einen Brennkammerabschnitt 5 und einen Turbinenabschnitt 7. Eine Welle erstreckt sich durch alle Abschnitte der Gasturbine 1. Im Verdichterabschnitt 3 ist die Welle 9 mit Kränzen von Verdichterlaufschaufeln 11 und im Turbinenabschnitt 7 mit Kränzen von Turbinenlaufschaufeln 13 ausgestattet. Zwischen den Laufschaufelkränzen befinden sich im Verdichterabschnitt 3 Kränze von Verdichterleitschaufeln 15 und im Turbinenabschnitt 7 Kränze von Turbinenleitschaufeln 17. Die Leitschaufeln erstrecken sich vom Gehäuse 19 der Gasturbinenanlage 1 im Wesentlichen in Radialrichtung zur Welle.
  • Im Betrieb der Gasturbine 1 wird Luft durch einen Lufteinlass 21 des Verdichterabschnittes 3 eingesaugt und von den Verdichterlaufschaufeln 11 komprimiert. Die komprimierte Luft wird im Brennkammerabschnitt 5 angeordneten Brennkammern 25 zugeleitet, in die auch ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff über wenigstens einen Brenner 27 eingedüst wird. Das dadurch entstehende Luft-Brennstoff-Gemisch wird gezündet und in den Brennkammern 25 verbrannt. Entlang des Strömungspfades 29 strömen die heißen Verbrennungsabgase von der Brennkammer 25 in den Turbinenabschnitt 7, wo sie expandieren und abkühlen und dabei Impuls auf die Turbinenlaufschaufeln 13 übertragen. Die Turbinenleitschaufeln 17 dienen dabei als Düsen zum Optimieren des Impulsübertrages auf die Laufschaufeln 13. Die durch den Impulsübertrag herbeigeführte Rotation der Welle 9 wird dazu genutzt, einen Verbraucher wie beispielsweise einen elektrischen Generator anzutreiben. Die entspannten und abgekühlten Verbrennungsgase werden schließlich durch einen Auslass 23 aus der Gasturbine 1 abgeleitet.
  • Figur 2 zeigt eine Brennkammer 25 der Gasturbine 1 in einer schematischen Schnittansicht. Die Brennkammer 25 umfasst ein brennerseitiges Ende 31, an dem wenigstens ein Brenner 27 angeordnet ist und durch das sowohl der Brennstoff als auch Verdichterluft in die Brennkammer eingeführt wird. Außerdem umfasst die Brennkammer 25 ein turbinenseitiges Austrittsende 33, durch welches die heißen Verbrennungsabgase in Richtung auf den Turbinenabschnitt 7 aus der Brennkammer 25 austreten. Die beim Betrieb der Gasturbine 1 in der Brennkammer 25 vorhandene Flamme führt in einem Abschnitt 35 der Brennkammer zu sehr hohen Temperaturen, die ein Kühlen der Brennkammerwandung notwendig machen, insbesondere dann, wenn die Flamme eine Diffusionsflamme ist. Um eine Kühlung zu ermöglichen, weist die Brennkammerwandung zumindest in diesem Abschnitt 35 eine doppelwandige Struktur mit einer Außenwand 37 und einer oder mehreren Innenwänden 39A, 39B, 39C auf. Zwischen den Innenwänden 39A, 39B, 39C und der Außenwand 37 sind Zwischenräume 41A, 41B, 41C vorhanden, die Kühlfluftkanäle für ein Kühlfluid, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Verdichterkühlluft K, bilden.
  • Die Brennkammer 25 weist eine aus Komposit gebildete innere Wand 39A, 39,B, 39C auf, die in Richtung auf die Außenwand 37 vorstehen. Als Komposit wird bevorzugt Metall oder Keramikschaum verwendet. Der Schaum kann dabei eine metallische oder keramische Umhüllung aufweisen. Durch das Einbringen von Kühlluftbohrungen 48 in die obere Schaumschicht kann eine effiziente Kühlung durch die Porosität des Schaums hervorgerufen werden. Die Kühlluftbohrungen 48 können eine beliebige Eindringtiefe aufweisen. Auch können sie bis durch die Innenwand 39A, 39,B, 39c hindurchreichen um in der Brennkammer eine Filmkühlung hervorzurufen. Die der Bohrungen 48 bis in die Brennkammer hinein können auch als Schallabsorber wirken. Der Schall dringt von den Löchern in den Schaum hinein wo er gedämpft bzw. ausgelöscht wird. Die Geometrie des Schaums und Funktionsweise ist in Figur 3 dargestellt, die eine schematisierte Ansicht auf die Außenseite einer Innenwand 39 zeigt.
  • Der Schaum kann eine Ivar-Legierung sein. Invar ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit 36% Gehalt an Nickel (FeNi36). Invar-Legierungen besitzen die Eigenschaft, in bestimmten Temperaturbereichen anomal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten (engl. Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zu haben. Der Name resultiert also aus der Invarianz der Dehnung bezüglich einer Temperaturänderung.
  • Die Innenwände 39 weisen jeweils einen Befestigungsabschnitt 45 auf, in den sie an einem Befestigungsabschnitt 46 der Außenwand 37 befestigt sind. Die Innenwände 39 weisen leicht unterschiedliche Radien auf, wobei die Radien in Strömungsrichtung 47 der Verbrennungsgase zunehmen. Die dem Befestigungsabschnitt 45 abgewandten Enden 40 der Innenwände 39 sind zu einem Teil in die abströmseitig angrenzende Innenwand 39 eingeschoben. Dabei bleibt ein Abstand zwischen der Außenseite der inneren Innenwand (bspw. 39A) und der Innenseite der äußeren Innwand (bspw. 39B) bzw. der Außenwand 37 so, dass abströmseitig eine zum Brennkammerinneren hin offene ringförmige Öffnung 42 entsteht. Die Außenwand 37 weist in der Nähe der Befestigungsabschnitte 46, an denen die Innenwände 39 mit ihren Befestigungsabschnitten 45 befestigt sind, Durchgangslöcher 49 auf, die als Eintrittsöffnungen für Verdichterkühlluft K in die Zwischenräume 41 dienen. Die Verdichterkühlluft K strömt dann an der Außenseite der Innenwände 39 entlang, um diese zu kühlen. Schließlich strömt die Verdichterkühlluft K durch die ringförmige Öffnung 42 in das Brennkammerinnere ein.
  • Die Verdichterkühlluft K dient im vorliegenden Fall also in mehrfacher Weise als Verdichterkühlluft K, nämlich zum einen dadurch, dass sie zuerst die Außenseite der inneren Wand 39 A, 39B, 39 C, und danach die innere Wand der nachfolgenden Außenwand 37 kühlt. Ist die Wand 39 A, 39B, 39 C als Schaum ausgeführt findet auch eine Kühlung mittels Verdichterkühlluft K im inneren der Wand selber statt. Die vorzugsweise als Schaum ausgeführte Innenwand 39A,39B,39C ist mit Kühlluftbohren versehen. Verdichterkühlluft K dringt in diese Wand durch die Kühlluftbohrungen sowie durch die porenförmige Schaumstruktur der inneren Wand 39A,39B,39C ein und fließt in Richtung Brennkammer ab. Durch die Porenstruktur ist der Wärmeübergang wesentlich erhöht, da die Porenstruktur die zur Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche stark vergrößert. Das bedeutet, dass die Luft nun wesentlich länger in der inneren Wand 39A,39B,39C verbleibt und mittels Transpirationskühlung die den porösen Schaum der inneren Wand 39A,39B,39C kühlt. Die Kühlung erfolgt somit wesentlich effektiver. Dadurch erfolgt eine stärkere Absenkung der Temperatur und somit eine Laufzeitverlängerung.
  • Werden die Kühlluftbohrungen 48 in die obere Schicht der inneren Wand 39A,39B,39C bis in die Brennkammer hinein eingebracht, so kann eine Filmkühlung erzeugt werden.
  • Die als Schaum ausgebildete innere Wand 39A,39B,39C hat zudem den Vorteil, dass sie eine wesentlich höhere Steifigkeit als die im Stand der Technik erwähnte innere Wand aufweist.
  • Dies führt außerdem dazu, dass die innere Wand 39A,39B,39C eine höhere Steifigkeit gegenüber radialer thermischer Ausdehnung erhalten, so dass der Strömungsquerschnitt zwischen der Innenseite der Außenwand 37 und der Außenseite der inneren Wand 39A,39B,39C beim Betrieb der Gasturbine auch bei unterschiedlichen Temperaturen weitgehend konstant bleibt. Somit können z.B. auf der inneren wand auch helixförmige Rippen angebracht werden, die einen Wirbel in der Brennkammer erzeugen wenn die Verdichterkühlluft K in die Brennkammer eintritt und somit den Verbrennungsprozess stabilisieren.
  • Der Schaum kann eine sogenannte Invar-Legierung umfassen, die die Gefahr einer Deformation der inneren Wand 39A, 39B, 39C aufgrund von Hitzeinwirkung wesentlich verringert.
  • Die Herstellung der aus Komposit vorzugsweise Schaum hergestellte innere Wand 39A,39B,39C erfolgt wesentlich schneller als die im Stand der Technik gehobelten Rippen. Somit lassen sich Zeit und damit Kosten sparen.
  • Die hier aufgezeigte erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer (25) hat somit den Vorteil, dass sie wesentlich einfacher herstellbar ist, so wie durch Kühlluftabsenkung und Temperaturabsenkung eine effektive Kühlung aufweist.

Claims (11)

  1. Gasturbinenbrennkammer (25) mit im Wesentlichen rotationssymmetrischem Querschnitt, welche eine innere Wand (39) mit einer Außenseite und eine äußere Wand (37) mit einer der Außenseite der inneren Wand (39) zugewandten und von dieser beabstandeten Innenseite aufweist, so dass zwischen der Außenseite der inneren Wand (39) und der Innenseite der äußeren Wand (37) ein wenigstens einen Kühlfluidkanal bildender Zwischenraum (41) vorhanden ist, wobei die Außenwand (37) zum Zwischenraum (41) führende Eintrittsöffnungen (49) für ein Kühlfluid aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand (39) zumindest teilweise aus einem Komposit gebildet ist und zumindest brennkammerseitig mit einer Schutzschicht (TBC=Thermal Barrier Coating) versehen ist.
  2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Komposit metallisch oder keramisch ist.
  3. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Komposit als Schaum ausgebildet ist.
  4. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Komposit eine Invar - Legierung vorgesehen ist.
  5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Komposit Kühlluflöcher (48) aufweist.
  6. Gasturbinenbrennkammer (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand (39) ein abströmseitiges Ende aufweist, an dem der zwischen der Außenseite der inneren Wand (39) und der Innenseite der äußeren Wand (37) vorhandene Zwischenraum (41) zum Brennkammerinneren hin offen ist.
  7. Gasturbinenbrennkammer (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand (37) in Axialrichtung der Gasturbinenbrennkammer (25) Stufen aufweist und eine Anzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten inneren Wänden (39A, 39B, 39C) vorhanden ist, wobei die inneren Wände (39A, 39B, 39C) ringförmig ausgebildet sind und die Durchmesser von in Axialrichtung hintereinander angeordneten ringförmigen inneren Wänden (39A, 39B, 39C) zunehmen und wobei benachbarte ringförmige innere Wände (39A, 39B, 39C) teilweise ineinander geschoben sind.
  8. Gasturbinenbrennkammer (25) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die jeweils äußere der teilweise ineinander geschobenen inneren Wände (39B, 39C) in ihrem die innere der ineinander geschobenen inneren Wände (39A, 39B) umgebenden Abschnitt an einem entsprechenden Befestigungsabschnitt (46) der äußeren Wand (37) befestigt ist und
    - die Eintrittsöffnungen (49) für das Kühlfluid an die Befestigungsabschnitte (46) der äußeren Wand (37) angrenzen.
  9. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 7 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der in Axialrichtung hintereinander angeordneten inneren Wände (39) ein abströmseitiges Ende (40) aufweist, an dem der zwischen der Außenseite der jeweiligen inneren Wand (39) und der Innenseite der äußeren Wand (37) vorhandene Zwischenraum (41) zum Brennkammerinneren hin offen ist.
  10. Gasturbine mit wenigstens einer Brennkammer (25) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  11. Gasturbine nach Anspruch 11, in der eine Mehrzahl von Brennkammern (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche um den Rotor (9) der Gasturbine herum angeordnet sind.
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