EP2273196A2 - Brennkammerkopf einer Gasturbine - Google Patents

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EP2273196A2
EP2273196A2 EP10004499A EP10004499A EP2273196A2 EP 2273196 A2 EP2273196 A2 EP 2273196A2 EP 10004499 A EP10004499 A EP 10004499A EP 10004499 A EP10004499 A EP 10004499A EP 2273196 A2 EP2273196 A2 EP 2273196A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
head according
wall
recesses
boundary
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10004499A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2273196A3 (de
Inventor
Sermed Sadig
Miklos Dr. Gerendàs
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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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 EP2273196A2 publication Critical patent/EP2273196A2/de
Publication of EP2273196A3 publication Critical patent/EP2273196A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • 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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03041—Effusion cooled combustion chamber walls or domes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03042—Film cooled combustion chamber walls or domes
    • 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
    • F23R2900/03043—Convection cooled combustion chamber walls with means for guiding the cooling air flow

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber head of a gas turbine and more particularly to a combustion chamber head having the features of the preamble of claim 1.
  • combustion chamber head which consists of a end wall, a front panel and a heat shield.
  • This is a three walled construction of a combustor head with an open volume between the end and front panels. The function of the end wall is to guide the flow of air coming from the compressor.
  • the principle of the impact-cooled combustion chamber wall has been extended by the aspect of damping of combustion chamber vibrations.
  • the effusion wells together with the volume enclosed by the walls containing the impact and effusion bores, form a plurality of interconnected Helmholtz resonators. So can high-frequency oscillations in the range around 5kHz be steamed.
  • the distance between the damping holes and the distance between the walls are made variable in order to produce a broad attenuation spectrum.
  • Plenum flow in this context means that there are no significant pressure or velocity fluctuations in this volume (it does not resonate!), In contrast to a Helmholtz resonator. Also, because of the broadband nature of the effect, the volume need not be tuned to the frequency to be damped, as in a Helmholtz resonator. Also, the volume used in the damper is significantly smaller than calculated from the equation known for resonator volume and frequency.
  • the CA 26 27 627 A shows a heat shield with ribs on the side facing away from the combustion chamber.
  • the ribs are connected together at one end and have with their open side to the inner and outer combustion chamber wall. It bounces cooling air between the ribs and is guided by means of the ribs to the combustion chamber walls. This is to prevent the impact cooling jets from influencing each other too strongly. The effects of the incoming cross flow should be avoided.
  • the Indian DE 44 27 222 A illustrated combustion chamber head with the additional flow-leading end plate has the disadvantage that the volume between the end and front plate is not decoupled from the burner, closed volume. It may thus be the case that pressure fluctuations in this volume affect the stability of the burner.
  • the end plate is thus intended only as a flow-conducting element.
  • the invention has for its object to provide a combustion chamber head of the type mentioned, which meets the thermal requirements with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability and ensures a high degree of damping.
  • the combustion chamber head forms a volume which is delimited by a wall relative to the combustion chamber, wherein on the flammenabgewandten side of this boundary of the air flow for cooling the boundary and the air flow through the wall for damping the vibrations without possibility of mixing cross.
  • combustion chamber head in conjunction with a schematic representation of a gas turbine in connection with Fig. 1 described.
  • the combustion chamber head consists of a perforated wall 210 facing the hot gas and a boundary 206 terminating the volume 207.
  • a closed volume 207 is formed.
  • the perforated wall 210 has ribs 201. Holes 202 in the wall 210 preferably extend through the ribs 201.
  • the air jet will lift off the wall 210 after a characteristic run length and enter the volume 207.
  • the flow channel 218, which is formed by ribs or heat transfer elements (see FIGS. 4a and 4b), can be supplemented by a cover 219, resulting in a partially closed flow channel.
  • the air jet is guided near the wall 210 and adjacent to the ribs 201.
  • the flow thus initially runs parallel to the wall 210, lifts off from the wall 210 (combustion chamber side boundary) and enters the volume 207 from where it leaves the combustion chamber head through the holes 202 in the wall.
  • the incoming and outgoing air mass flows cross in their direction of movement, but are separated by walls and therefore do not mix. There is a clear separation of the cooling and damping function by the different direction of movement and flow control of the air jet in the combustion chamber head.
  • the volume 207 is preferably dimensioned so that a plenumnahe flow is ensured for the outlet holes 202. This occurs in the event that the flow of the outlet holes 202 is no longer affected by the supply air. It can be a distance of a minimum of 2mm to a maximum of the length of the burner 102 can be selected.
  • the size of the damping volume unlike Helmholtz resonators regardless of expected resonance frequencies selected.
  • a 0 is the speed of sound
  • f is the resonant frequency
  • So is the cross-sectional area of the resonator neck
  • l eff is the resonator neck length. It is frequency-dependent and significantly larger than the volume 207 required here.
  • the volume 207 can be designed as a circumferentially continuous volume.
  • the volume 207 can be segmented by additional partitions into individual mutually closed volumes. In the case of a segmented volume 207, the volumes may be the same size or different sizes.
  • the height of the ribs 201 is preferably chosen so that the lifting of the air jet from the inlet bores 203 as far as possible downstream of the Zu Kunststofflöcher 203 takes place in order to allow the highest possible cooling effect along the entire wall 210.
  • heights of 1mm - 10mm are considered advantageous.
  • individual or groups of exit holes 202 may pass through individual rib members 227 and 228.
  • the rib elements can be arranged arbitrarily.
  • the cross section of the rib elements can be arbitrarily shaped. The function is not affected by this. Illustrated in FIG 3d illustration and 4d an aerodynamic profile and in Figure 3e and 4e a circular profile. Rectangular, diamond-shaped, hexagonal, elliptical, prismatic profiles are also conceivable. Also, a combination of the above profiles can be used, as well as profiles formed by the intersection of circle segments.
  • the ports may also be selectively placed near the combustor 102 via the inner sidewall of the combustor head 213, and then flow along the ribs toward the outer sidewall of the combustor head 112.
  • the construction can be integrally combined as an integral component, or several pieces of several components, with a sufficient seal is to pay attention.
  • the combustion chamber head is attached to the combustion chamber wall, preferably via in each case at least one fastening element.
  • the effective area of the exit holes 202 is preferably larger than that of the supply holes 203 by a factor of 2-10.
  • an initial cooling film may be placed on the combustion chamber wall 204.
  • an effusion hole 217 set in the direction of the combustion chamber wall can be integrated in the wall 210 (eg Figure 3b and 5a ) which replaces the function of a first cooling film.
  • the outer side wall of the combustion head plate lies on the outer combustion chamber wall.
  • the effusion hole can optionally through the wall 210 or the rib 201 lead. Another option is to drill additional holes 215 (see Figure 3c ) in the combustion chamber wall 204.
  • the wall 213b can be made at an angle ⁇ relative to the burner axis 208. It may also optionally be a fillet in place or in addition to the angle.
  • the combustion chamber wall 204 can alternatively also be designed as a two-walled construction, comprising an inner wall 221 facing the hot gas and a side 226 facing the cold outer flow.
  • the outer and inner combustion chamber walls can optionally be perforated (see reference numerals 222 and 223 in FIG Figure 5c ).
  • the volume 225 formed between the outer and inner combustion chamber walls may be connected to the volume 207 through a flow passage 224.
  • the structure described here makes it possible to integrate an effectively highly acoustically damping, sufficiently cooled damper element in the top plate of a combustion chamber.
  • dampers optimized for low frequencies require a large volume of construction.
  • the structure used here makes it possible to effectively use the given space in a combustion chamber to allow a broadband attenuation, especially in the low-frequency range (frequencies below 2000Hz).
  • the broadband damping effect of perforated walls which usually turns out to be low, with that of a Helmholtz resonator whose effect is large, connected.
  • the skillful utilization of the volume lying between the burner heads to approach a plenum-like flow for the damping holes, a particularly high damping effect can be achieved. As a result, the already high damping effect of a Helmholtz resonator can be far exceeded.
  • the solution according to the invention thus combines the oppositely behaving claims of cooling and damping design with simple and practical for use funds. It is possible in a double-walled construction to integrate a large volume and still achieve a high cooling effect through a changed inflow into the volume.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf einer Gasturbine mit einer ein Dämpfungsvolumen (207) einschließenden Berandung, bestehend aus einer brennkammerabgewandten Berandung (206) sowie einer brennkammerseitigen Berandung (210), dadurch gekennzeichnet, dass die brennkammerseitige Berandung (210) in Form einer perforierten Wand (210) ausgebildet ist, dass im Randbereich der brennkammerseitigen Berandung (210) durch Ausnehmungen (203) in der Berandung (206) Kühlluft auf die brennkammerseitige Berandung (210) leitbar ist, dass diese Kühlluft, welche entlang der brennkammerseitigen Berandung (210) fließt, den Kühlluftstrom durch die perforierte Wand (210) in die Brennkammer (101) kreuzt, dabei von dieser durch Wände getrennt ist und sich nicht mit ihr mischt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf einer Gasturbine und insbesondere auf einen Brennkammerkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Der Aufbau eines konventionellen Hitzeschildes für den Brennkammerkopf wird in der DE 44 27 222 A dargelegt. Dieses schützt den Brennkammerkopf vor heißen Gasen und muss auf der zum Brennkammerinnenraum abgewandten Seite gekühlt werden. Hierbei gelangt Kühlluft auf die Rückseite des Hitzeschildes, prallt hier auf und umströmt eine Vielzahl von Zylindern, die zur Verstärkung des Wärmeübergangs verwendet werden. Daraufhin verlässt die Kühlluft den Zwischenraum zwischen Hitzeschild und Brennerkopf über angestellte Effusionsbohrungen, die in Richtung des Brennerdralls zeigen.
  • Es ist auch ein Brennkammerkopf bekannt, der aus einer Abschlusswand, einer Frontplatte und einem Hitzeschild besteht. Dies ist ein dreiwandiger Aufbau eines Brennkammerkopfes mit einem offenen Volumen zwischen der Abschluss- und der Frontplatte. Die Funktion der Abschlusswand besteht in der Strömungsführung der vom Kompressor kommenden Luft.
  • Das Prinzip eines prall-effusionsgekühlten Brennkammerwandelements ist in der WO 92/16798 A dargestellt. Kühlluft strömt durch orthogonale Bohrungen in einer äußeren Wand und prallt auf eine innere Wand. Beide Wände formen ein abgeschlossenes Volumen, das die Kühlluft über angestellte Effusionsbohrungen verlässt. Dabei wird ein Kühlfilm auf der heißen Seite der inneren Wand gebildet, der die Wand vor den heißen Verbrennungsgasen schützt.
  • In weiteren Veröffentlichungen, wie z.B. der EP 0 971 172 A , ist das Prinzip der prall-effusionsgekühlten Brennkammerwand um den Aspekt der Dämpfung von Brennkammerschwingungen erweitert worden. Hier bilden die Effusionsbohrungen zusammen mit dem durch die Prall- und Effusionsbohrungen beinhaltenden Wände eingeschlossenen Volumen, eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Helmholtzresonatoren. So können hochfrequente Oszillationen im Bereich um 5kHz gedämpft werden. Der Abstand der Dämpfungslöcher untereinander und der Abstand der Wände werden variabel gestaltet, um ein breites Dämpfungsspektrum zu erzeugen.
  • Eldredge und Dowling haben in Ihrer Veröffentlichung von 2003 "The absorption of axial acoustic waves by a perforated liner with bias flow" (J. Fluid Mech. (2003), vol. 485, pp. 307-335. Cambridge University Press) ein Model zur Beschreibung des breitbandigen akustischen Dämpfungseffekts perforierter Wandelemente bereitgestellt. Aus diesem geht hervor, dass die Absorption akustischer Schwingungen durch perforierte Wandelemente bei einem einwandigen Aufbau unter Plenumanströmung groß ist und breitbandig wirkt. Wird eine zweite Wand eingeführt, so wie bei dem Prall-Effusionsaufbau, wird die Absorption maßgeblich durch die, die Prallkühlbohrungen beinhaltende Wand, beeinflusst. Der Einfluss kann mit zunehmendem Abstand reduziert werden und somit der Dämpfungswirkung eines einwandigen Dämpfers angenähert werden. Plenumanströmung heißt in diesem Zusammenhang, dass es in diesem Volumen keine nennenswerten Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen gibt (es resoniert nicht!), ganz im Gegensatz zu einem Helmholtz-Resonator. Auch muss hierzu wegen der Breitbandigkeit der Wirkung das Volumen nicht wie bei einem Helmholtz-Resonator auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt werden. Auch ist das beim Dämpfer verwendete Volumen deutlich kleiner als nach der aus der Literatur bekannten Gleichung für die Beziehung von Resonator-Volumen und Frequenz berechnet.
  • Eine Möglichkeit, ein vergrößertes Dämpfungsvolumen bereitzustellen, ist in der EP 0 576 717 A gezeigt. Hier wird an ein doppelwandiges Element ein Zusatzvolumen angeschlossen, welches zur Bildung eines Helmholtzresonatorrvolumens dient. Das Resonatorvolumen wird entsprechend der auftretenden Wellenlängen dimensioniert.
  • Die CA 26 27 627 A zeigt ein Hitzeschild mit Rippen auf der zur Brennkammer abgewandten Seite. Die Rippen sind an einem Ende miteinander verbunden und weisen mit ihrer offenen Seite zu der inneren und äußeren Brennkammerwand. Es prallt Kühlluft zwischen die Rippen und wird mit Hilfe der Rippen zu den Brennkammerwänden geleitet. Hierdurch soll vermieden werden, dass sich die Prallkühlstrahlen zu stark gegenseitig negativ beeinflussen. Die Auswirkungen der eintretenden Querströmung soll so vermieden werden.
  • In der US 2007/0169992 A ist das Problem der Vereinbarung eines großen Wandabstandes der Prall- und Effusionswand zur Gewährleistung eines großen Dämpfervolumens, bei gleichzeitiger hoher Prallkühlwirkung, erkannt worden. Der Lösungsvorschlag sieht vor, den Abstand zwischen den beiden Wandelementen durch Leitungsrohre von der äußeren kalten Brennkammerwand gerichtet auf die heiße Brennkammerwand zu überbrücken, um so einen optimalen Prallkühlabstand unter Wahrung eines großen Dämpfervolumens zu ermöglichen.
  • Konventionelle Hitzeschilder, wie beispielsweise die DE 44 27 222 A , weisen einen geringen Abstand von Kopfplatte zum Hitzeschild auf. Dieser ist notwendig, um eine ausreichende Prallkühlwirkung zu erzielen ( WO 92/16798 ). Will man allerdings den viskosen Dämpfungseffekt einer perforierten Lochplatte ausnutzen, so ist ein großes Dämpfungsvolumen hinter dem Hitzeschild notwendig (Eldredge und Dowling 2003). Andernfalls können nur hochfrequente Anteile der Brennkammeroszillationen, durch Anwenden des Prinzips gekoppelter Helmhotzresonatoren ( EP 0 971 172 A ) gedämpft werden. Wird ein Zusatzvolumen an ein doppelwandiges Element angeschlossen ( EP 0 576 717 A ) so ist dieses Volumen auf eine zu erwartende Frequenz zu trimmen, was dem Vorteil eines perforierten Wandelements als Dämpfer gegensätzlich ist. Da beide Wandelemente weiterhin nahe beieinander liegen, kann der negative Einfluss der äußeren Prallkühlwand nicht ausgeschlossen werden.
  • Zwar weisen die in den oben genannten Veröffentlichungen dargestellten angestellten Effusionsbohrungen eine hohe Filmkühleffektivität auf. Allerdings wird eine schlechtere Dämpfungswirkung als bei senkrechten Bohrungen erzielt. Man kann somit sagen, dass die Anforderungen aus der Dämpfungs- und Kühlwirkung im Konflikt stehen.
  • Der in der DE 44 27 222 A dargestellte Brennkammerkopf mit der zusätzlichen strömungsführenden Abschlussplatte hat den Nachteil, dass das Volumen zwischen Abschluss- und Frontplatte kein vom Brenner entkoppeltes, abgeschlossenes Volumen darstellt. Es kann somit der Fall auftreten, dass Druckschwankungen in diesem Volumen Auswirkungen auf die Stabilität des Brenners haben. Die Abschlussplatte ist somit nur als ein die Strömung leitendes Element gedacht.
  • Die Konstruktion gemäß US 2007/0169992 A ermöglicht zwar eine hohe Prallkühlwirkung unter Wahrung eines großen Dämpfervolumens. Allerdings ist diese Konstruktion durch die Notwendigkeit, dass jedes Prallkühlloch mit einem Rohr verbunden werden muss, sehr aufwendig und im Grunde für den Einbau in der Brennkammer mit mehreren tausend Prallkühllöchern unpraktikabel. Des Weiteren geht durch das lange Leitungsrohr Volumen verloren, so dass diese Methode uneffektiv ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennkammerkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die thermischen Anforderungen erfüllt und ein hohes Maß an Dämpfung gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Brennkammerkopf ein Volumen bildet, welches gegenüber der Brennkammer durch eine Wandung abgegrenzt ist, wobei sich auf der flammenabgewandten Seite dieser Berandung der Luftstom zur Kühlung der Berandung und der Luftstrom durch die Wandung zur Dämpfung der Schwingungen ohne Möglichkeit der Vermischung überkreuzen.
  • Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine hoch wirkungsvolle akustische Dämpfung, verbunden mit einer hervorragenden thermischen Abschirmung der Struktur gegen die Hitze in der Brennkammer.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Abb. 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasturbine mit Brennkammerkopf gemäß dem Stand der Technik,
    Abb. 2
    eine vergrößerte Detailansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennkammerkopfes,
    Abb. 3a-3e
    Detailansichten der Oberflächengestaltung des Hitzeschildes,
    Abb. 4a-4d
    perspektivische Darstellungen von Wärmeübergangselementen, analog den Abb. 3a-3e, und
    Abb. 5a-5c
    weitere Ausführungsbeispiele des Übergangs zwischen Brennkammerwand und Hitzeschild.
  • Zunächst wird der erfindungsgemäße Brennkammerkopf in Verbindung mit einer schematischen Darstellung einer Gasturbine in Zusammenhang mit Abb. 1 beschrieben.
  • Der Brennkammerkopf besteht aus einer dem Heißgas zugewandten perforierten Wand 210 und einer das Volumen 207 abschließenden Berandung 206. Es wird ein abgeschlossenes Volumen 207 gebildet. Die perforierte Wand 210 weist Rippen 201 auf. Bohrungen 202 in der Wand 210 verlaufen vorzugsweise durch die Rippen 201.
  • Die zur Durchströmung des Brennkammerkopfes notwendige Luft gelangt über seitliche Zugänge 203 in den Brennkammerkopf 112. Hierbei wird ein Strahl erzeugt, der unter einem Winkel β von 0-80° auf die Wand 210 trifft.
  • Es entsteht ein Strömungskanal zwischen zwei Rippen, in dem sich eine Strömung erhöhter Geschwindigkeit ausbildet (siehe Abbildung 4a). Diese nimmt Wärme über die Rippen auf und führt somit zur Kühlung des Bauteils.
  • Der Luftstrahl wird in Abhängigkeit vom Lochdurchmesser des Eintrittslochs 203 und dem lokalen Druckniveau nach einer charakteristischen Lauflänge von der Wand 210 abheben und in das Volumen 207 gelangen.
  • Erfindungsgemäß kann der Strömungskanal 218, der durch Rippen oder Wärmeübergangselemente gebildet wird (siehe Abbildungen 4a und 4b) durch eine Abdeckung 219 ergänzt werden, so dass sich ein teilweise geschlossener Strömungskanal ergibt. Hierdurch wird der Luftstrahl nahe der Wand 210 und anliegend an die Rippen 201 geführt.
  • Erfindungsgemäß ist es zur Erhöhung des Wärmeübergangs an der brennkammerseitige Berandung auch möglich, zusätzlich wärmeübergangsverstärkende Elemente 220 im Strömungskanal 218 oder an den Rippen 201 anzuordnen, siehe beispielsweise Abbildung 4c.
  • Die Strömung verläuft somit zunächst parallel zur Wand 210, hebt von der Wand 210 (brennkammerseitige Berandung) ab und gelangt in das Volumen 207 von wo es aus durch die Bohrungen 202 in der Wand den Brennkammerkopf verlässt. Die ein- und austretenden Luftmassenströme überkreuzen sich in Ihrer Bewegungsrichtung, sind allerdings durch Wände voneinander getrennt und mischen sich somit nicht. Es tritt eine klare Trennung der Kühlungs- und Dämpfungsfunktion durch die unterschiedliche Bewegungsrichtung und Strömungsführung des Luftstrahls in dem Brennkammerkopf auf.
  • Das Volumen 207 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass für die Austrittsbohrungen 202 eine plenumnahe Anströmung gewährleistet wird. Dies tritt für den Fall ein, dass die Anströmung der Austrittsbohrungen 202 nicht mehr durch die Zuluft beeinflusst wird. Es kann ein Abstand von minimal 2mm bis maximal der Länge des Brenners 102 gewählt werden. Um eine breitbandige Dämpfungswirkung zu erreichen wird die Größe des Dämpfungsvolumens, anders als bei Helmholtzresonatoren unabhängig von zu erwartenden Resonanzfrequenzen gewählt. Das für einen Helmhotzresonator notwendige Volumen errechnet sich nach V = a 0 2 ⁢ πf 2 ⁢ S 0 ⁢ σ l eff
    Figure imgb0001
  • Wobei a0 die Schallgeschwindigkeit, f die Resonanzfrequenz, So die Querschnittsfläche des Resonatorhalses und leff die Resonatorhalslänge sind. Es ist Frequenzabhängig und deutlich größer als das hier notwendige Volumen 207.
  • Das Volumen 207 kann als ein über den Umfang durchgehendes Volumen gestaltet werden. Das Volumen 207 kann durch zusätzliche Trennwände in einzelne voneinander abgeschlossene Volumina segmentiert werden. Im Falle eines segmentierten Volumens 207 können die Volumina gleich oder unterschiedlich groß dimensioniert werden.
  • Die Höhe der Rippen 201 wird vorzugsweise so gewählt, dass das Abheben des Luftstrahls aus den Eintrittsbohrungen 203 möglichst weit stromab der Zuluftlöcher 203 erfolgt, um eine möglichst hohe Kühlwirkung entlang der gesamten Wand 210 zu ermöglichen. Insbesondere gelten hier Höhen von 1mm - 10mm als vorteilhaft.
  • Alternativ können einzelne oder auch Gruppen von Austrittslöchern 202 durch einzelne Rippenelemente 227 und 228 führen. Die Rippenelemente können beliebig angeordnet sein. Der Querschnitt der Rippenelemente kann beliebig geformt sein. Die Funktion wird hierdurch nicht beeinträchtigt. Beispielhaft dargestellt sind in Abbildung 3d und 4d ein aerodynamisches Profil und in Abbildung 3e und 4e ein Kreisprofil. Rechteckige, rautenförmige, hexagonale, elliptische, prismenförmige Profile sind ebenfalls denkbar. Auch eine Kombination der oben genannten Profile kann verwendet werden, genauso wie Profile, die aus der Überschneidung von Kreissegmenten gebildet sind.
  • Die Zugänge (Eintrittsausnehmung 203) können auch wahlweise nahe dem Brenner 102 über die innere Seitenwand des Brennkammerkopfes 213 platziert werden, um dann entlang den Rippen in Richtung der äußeren Seitenwand des Brennkammerkopfes 112 zu strömen.
  • Die Konstruktion kann einstückig als integrales Bauteil, oder mehrstückig aus mehreren Bauteilen zusammengeführt werden, wobei auf eine hinreichende Abdichtung zu achten ist. Befestigt wird der Brennkammerkopf an der Brennkammerwand, bevorzugt über jeweils mindestens ein Befestigungselement.
  • Die effektive Fläche der Austrittslöcher 202 ist bevorzugt um einen Faktor 2-10 größer als die der Zuluftbohrungen 203.
  • Durch Einstellen eines Spaltes 214 zwischen der Brennkammerwand 204 und der äußeren Seitenwand in Höhe des Eintrittsloches 203 (siehe Abbildung 2 und Abbildung 3a), kann ein anfänglicher Kühlfilm auf der Brennkammerwand 204 platziert werden. Alternativ kann in der Wand 210 ein in Richtung der Brennkammerwand angestelltes Effusionsloch 217 integriert werden (z.B. Abbildung 3b und 5a), das die Funktion eines ersten Kühlfilms ersetzt. In diesem Fall liegt die äußere Seitenwand der Brennkammerkopfplatte auf der äußeren Brennkammerwand. Das Effusionsloch kann wahlweise durch die Wand 210 oder der Rippe 201 führen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zusätzliche Bohrungen 215 (siehe Abbildung 3c) in der Brennkammerwand 204 zu integrieren. Diese weisen dann nicht in die Eintrittslöcher des Brennkammerkopfes, sondern in eine Nut 216, die in der Seitenwand 204 liegt. Die Nut ist in der Seitenwand in Richtung der Wand 210 durchgehend. Die Luft strömt durch die Bohrung 215, prallt auf die Seitenwand 212 und gelangt über die Nut 216 in die Brennkammer (siehe Abbildung 5b).
  • Um eine ausreichende Anströmung an den Brenner zu gewährleisten, kann die Wand 213b unter einem Winkel α gegenüber der Brennerachse 208 angestellt sein. Es kann auch wahlweise eine Ausrundung an Stelle oder zuzüglich des Winkels bestehen.
  • Die Brennkammerwand 204 kann alternativ auch zweiwandig ausgeführt werden, bestehend aus einer dem Heißgas zugewandten inneren Wand 221 und einer der kalten Außenumströmung zugewandten Seite 226. Die äußere und innere Brennkammerwand kann wahlweise perforiert sein (siehe Bezugszeichen 222 und 223 in Abbildung 5c). Das zwischen der äußeren und inneren Brennkammerwand geformte Volumen 225 kann durch einen Strömungskanal 224 mit dem Volumen 207 verbunden werden.
  • Der hier beschriebene Aufbau, ermöglicht es ein wirkungsvoll hochgradig akustisch dämpfendes, ausreichend gekühltes Dämpferelement in der Kopfplatte einer Brennkammer zu integrieren. Üblicher Weise benötigen auf niedrige Frequenzen optimierte Dämpfer ein großes Bauvolumen. Der hier verwendete Aufbau ermöglicht es, den in einer Brennkammer gegebenen Bauraum effektiv zu nutzen, um eine breitbandige Dämpfung gerade im niederfrequenten Bereich (Frequenzen unter 2000Hz) zu ermöglichen. Dazu wird die breitbandige Dämpfungswirkung perforierter Wände, die üblicherweise gering ausfällt, mit der eines Helmholtzresonators, dessen Wirkung groß ausfällt, verbunden. Durch die geschickte Ausnutzung des zwischen den Brennerköpfen liegenden Volumens zur Annäherung einer plenumähnlichen Anströmung für die Dämpfungslöcher kann eine besonders hohe Dämpfungswirkung erzielt werden. Dadurch kann die bereits hohe Dämpfungswirkung eines Helmholtzresonators weit überschritten werden.
  • Während übliche doppelwandige Konfigurationen einen geringen Abstand der beiden Wände benötigen, um eine ausreichende Kühlwirkung zu ermöglichen, bedarf der erfindungsgemäße Aufbau lediglich ein konvektives Kühlungskonzept für die thermisch belastete Wand.
  • Die erfindungsgemäße Lösung kombiniert somit die sich gegensätzlich verhaltenden Ansprüche der Kühlungs- und Dämpfungsauslegung mit einfachen und für den Einsatz praktikablen Mitteln. Es wird ermöglicht in einer doppelwandigen Konstruktion ein großes Volumen zu integrieren und dennoch durch eine veränderte Zuströmung in das Volumen eine hohe Kühlwirkung zu erzielen.
    • Bezugszeichenliste
    • 101
    Brennkammer
    102
    Brenner mit Arm und Kopf
    103
    Nebenstrom
    104
    Fan
    105
    Verdichter
    106
    Verdichterleitrad
    107
    Inneres Brennkammergehäuse
    108
    Äußeres Brennkammergehäuse
    109
    Turbinenleitrad
    110
    Turbinenlaufrad
    111
    Antriebswelle
    112
    Brennkammerkopf
    201
    Rippe / Trennwand
    202
    Austrittsloch / Ausnehmung / Bohrung
    203
    Eintrittsloch / Ausnehmung / Bohrung
    204
    Brennkammerwand
    205
    Befestigungselement
    206
    Brennkammerabgewandte Berandung (Wand)
    207
    Brennkammerkopf-Volumen / Dämpfungsvolumen
    208
    Brennerachse
    209
    Dichtelement
    210
    Brennkammerseitige Berandung (Wand)
    211
    Brennkammerwand-Kühlungsbohrungen
    212
    Äußere Seitenwand des Brennkammerkopfes
    213
    Innere Seitenwand des Brennkammerkopfes
    213b
    Vorderer Teil der inneren Seitenwand des Brennkammerkopfes
    214
    Spalt
    215
    Zuluftbohrung für anfänglichen Kühlfilm
    216
    Nut zum Weiterführen des anfänglichen Kühlfilms
    217
    Effusionsloch
    218
    Strömungskanal
    219
    Abdeckung des Strömungskanals
    220
    Wärmeübergangsverstärkendes Element
    221
    Innere Brennkammerwand
    222
    Bohrung in der inneren Brennkammerwand
    223
    Bohrung in der äußeren Brennkammerwand
    224
    Verbindungsrohr
    225
    Volumen zwischen äußerer und innerer Brennkammerwand
    226
    äußere Brennkammerwand
    227
    Rippenelement; aerodynamisches Profil
    228
    Rippenelement, Kreis Profil

Claims (15)

  1. Brennkammerkopf einer Gasturbine mit einer ein Dämpfungsvolumen (207) einschließenden Berandung, bestehend aus einer brennkammerabgewandten Berandung (206) sowie einer brennkammerseitigen Berandung (210), dadurch gekennzeichnet, dass die brennkammerseitige Berandung (210) in Form einer perforierten Wand (210) ausgebildet ist, dass im Randbereich der brennkammerseitigen Berandung (210) durch Ausnehmungen (203) in der Berandung (206) Kühlluft auf die brennkammerseitige Berandung (210) leitbar ist, dass diese Kühlluft, welche entlang der brennkammerseitigen Berandung (210) fließt, den Kühlluftstrom durch die perforierte Wand (210) in die Brennkammer (101) kreuzt, dabei von dieser durch Wände getrennt ist und sich nicht mit ihr mischt.
  2. Brennkammerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die brennkammerseitige Berandung (210) zur Leitung der Kühlluft über die der Brennkammer (201) abgewandte Seite der brennkammerseitigen Berandung (210), nachfolgend zur Umlenkung der Kühlluft in das Volumen (207) und nachfolgend zum Austritt der Kühlluft durch Ausnehmungen (202) in die Brennkammer (101) ausgebildet ist.
  3. Brennkammerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die brennkammerseitige Berandung (210) auf der der Brennkammer (101) abgewandten Seite mit die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Elementen versehen ist.
  4. Brennkammerkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (202) durch die die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Elemente führen.
  5. Brennkammerkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Elemente in Form von Rippen (201) und/oder in Form von quaderförmigen oder profilierten Stegen und/oder in Form von zylindrischen oder profilierten Stiften ausgebildet sind.
  6. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (202) durch die die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Elemente im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse des Kopfes des Brenners (102) durch die Oberfläche der brennkammerseitigen Berandung (210) führen.
  7. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (202) durch die die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Elemente im Wesentlichen normal zur lokalen Oberfläche auf der der Brennkammer zugewandten Seite der brennkammerseitigen Berandung (210) am Ort des Luftaustritts aus den Ausnehmungen (202) in die Brennkammer führen.
  8. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (202) durch die die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Elemente unter einem Winkel von 10-90 Grad zur lokalen Oberfläche auf der der Brennkammerzugewandten Seite der brennkammerseitigen Berandung (210) am Ort des Luftaustritts aus den Ausnehmungen (202) in die Brennkammer führen.
  9. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung der durch die Einströmausnehmung (203) einströmenden Kühlluft in einem Winkel (β) zur Ebene der brennkammerseitigen Berandung (210) geneigt ist.
  10. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmausnehmung (203) an der inneren Seitenwand (213) des Brennkammerkopfes (112) die Kühlluft vom Brenner radial nach außen in Richtung der äußeren Seitenwand des Brennkammerkopfes (112) leitet.
  11. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Abdeckung (219) ein teilweise geschlossener Strömungskanal (218) für die Kühlluft gebildet ist.
  12. Brennkammerkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Strömungskanal (218) der Kühlluft zusätzliche Strömungshindernisse (220) aufweist.
  13. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammerkopf (112) zusätzliche Trennwände in Umfangsrichtung zur Segmentierung des Volumens (207) in einzelne voneinander getrennte abgeschlossene Volumina umfasst.
  14. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Austrittsfläche aus den Ausnehmungen (202) um einen Faktor 2-10 größer als die Querschnittsfläche der Ausnehmungen (203) ist.
  15. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammerwand (204) zusätzliche Ausnehmungen (215) ausgebildet sind, welche in eine Nut in der äußeren Seitenwand (212) des Brennerkopfs (212) weisen, welche zur Brennkammer (101) gerichtet ist und/oder dass das Dämpfervolumen (207) durch einen Strömungskanal mit dem Hohlraum (225) verbunden ist, welcher durch eine äußere (226) und eine innere (221) Brennkammerwand gebildet wird.
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