EP2275743A2 - Gasturbinenbrennkammer mit Starterfilm zur Kühlung der Brennkammerwand - Google Patents

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EP2275743A2
EP2275743A2 EP10005467A EP10005467A EP2275743A2 EP 2275743 A2 EP2275743 A2 EP 2275743A2 EP 10005467 A EP10005467 A EP 10005467A EP 10005467 A EP10005467 A EP 10005467A EP 2275743 A2 EP2275743 A2 EP 2275743A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
gas turbine
turbine combustor
combustor according
cooling
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Withdrawn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
EP10005467A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2275743A3 (de
Inventor
Miklos Dr. Gerendas
Sermed Sadig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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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 EP2275743A2 publication Critical patent/EP2275743A2/de
Publication of EP2275743A3 publication Critical patent/EP2275743A3/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • 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
    • F23R2900/03042—Film cooled combustion chamber walls or domes

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine combustion chamber with a starter film for cooling the combustion chamber wall according to the features of the preamble of claim 1.
  • the combustion chamber represents the wall of a space in which fuel is burned with the compressed air from the compressor before it is relaxed in the turbine while doing work. Since the gas temperatures in the combustion chamber are usually above the melting temperature of the wall material, this wall must be cooled. To achieve a long life, far lower temperature limits must be maintained.
  • the combustion chamber can, for example, with cooling rings ( US 4,566,280 ), Effusion wells ( US 5,181,379 ), donated shingles ( EP 1 098 141 A ) or impact- and effusion-cooled shingles ( US 5,435,139 ).
  • a so-called starter film is usually applied at the beginning of the combustion chamber wall.
  • This starter film protects the wall until the actual cooling method for the combustion chamber wall shows sufficient effect.
  • the air for this starter film may come from within a space formed by a cover and a base plate or from an annulus between a combustion chamber wall and a combustion chamber housing.
  • the flow-through openings through the combustion chamber wall are usually circular, regularly distributed, perpendicular to the surface bores.
  • the starter film is blown mainly parallel to the combustion chamber wall along this.
  • the gap from which the uniformly distributed on the circumference cooling film exits, is formed by a cooling ring.
  • Such a starter film for an effusion cooled wall is in the US 5,279,127 shown.
  • the air is guided only on one side by a component belonging to the combustion chamber wall, on the other side by a flow surface of a heat shield.
  • the starter film is blown out (see Fig. 1 ) to protect this part of the combustion chamber from the hot gases of combustion. This is usually done by a number of circular holes on a particular circle.
  • the air is first blown onto the back of the heat shield. Upon impact of the rays, these cool the heat shield and combine to form a homogeneous film, which then flows parallel to the combustion chamber wall at a certain distance.
  • the size of the holes, their spacing on a pitch circle or the number of pitch circles is adapted to the locally required cooling capacity.
  • Such a starter film is off DE 102 14 573 A1 known.
  • ribs can be applied to the part of the heat shield which carries the air for the starter film, such as, for example DE 44 27 222 A1 or DE 195 08 111 A1 known.
  • the ribs shown there do not protrude radially beyond the lip of the heat shield.
  • the wall which can be executed with single wall or with additional impact-cooled shingles, is built by the air flowing through the wall or the shingle air only a certain distance downstream of a protective cooling film. Without a starter film, the beginning part of the wall would not be sufficiently protected.
  • a cooling film is formed in a stage in the combustion chamber wall by bouncing radially supplied air onto a plate while being deflected by substantially 90 degrees and blowing out as a film substantially parallel to the combustion chamber wall.
  • the cooling air is for this purpose by a kind of ribs or Shovels aligned correspondingly tangentially to these hot gases.
  • the cooling air is thus injected radially and deflected by 90 degrees.
  • it is imposed a circumferential component, so that the flow is slowed down very much.
  • only the wall cooling is also described in this document, but not the starter film training.
  • the starter film is formed by equalizing a flow formed by many individual bores by means of impingement and deflection in a cooling ring (US Pat. US 5,279,127 ) or on the heat shield ( DE 102 14 573 A1 ) educated.
  • the starter film air collects in the area between the burners.
  • the heat input into the combustion chamber wall thus increases spatially periodically with each burner and drops off again in the intermediate spaces, whereby a temperature variation in the circumferential direction inevitably arises in the combustion chamber wall.
  • the temperature limit of the material may not be exceeded.
  • the necessary amount of air of the starter film is determined by the highest loaded point on the circumference. The result is an unnecessarily strong cooling of the combustion chamber wall in the area between the burners by cold strands of air intended for the hot combustion chamber wall on the burner axis.
  • the unadapted cooling results in a significant temperature fluctuation of the combustion chamber wall in the circumferential direction, with the result of the generation of strong mechanical stresses in the combustion chamber wall.
  • the invention has for its object to provide a gas turbine combustor with starter film for cooling the combustion chamber wall of the type mentioned, which ensures a reliable starter film education and an optimized temperature distribution with a simple structure and cost manufacturability.
  • the central axes of the openings for the passage of the cooling air are formed inclined at a shallow angle to the combustion chamber wall.
  • This weak deflection is achieved according to the invention by the existence of an intersection point between the center axis 17 of the starter film opening 6 and the combustion chamber wall 4 (FIG. Fig. 2 and 3 ) and described by an angle ⁇ less than 30 degrees.
  • the strongest deflection must take place on the component on which the largest film cooling effect is to be produced, ie the hot side of the combustion chamber wall 4, where the air flowing in against the wall is deflected wall-parallel.
  • the angle of the deflection ⁇ is preferably smaller or at most equal to the deflection on the combustion chamber wall 4, which is described by the angle ⁇ .
  • This deflection angle ⁇ is measured as the angle between the central axis 17 of the beam of a starter film opening 6 to the surface of the component 5 at the point at which the projection of the starter film opening 6 meets this component 5.
  • the direction of rotation of the two deflections is preferably in the opposite direction.
  • the angle of the deflection of the starter film jet on the combustion chamber wall should not exceed 30 degrees according to the invention, and is preferably limited to less than 20 degrees, in a favorable embodiment 5 -15 degrees provided.
  • the projection of the wall of the starter film opening in the direction of the combustion chamber wall 4 touches the heat shield 5 only at one point, or the projection runs as a tangent to the heat shield contour. In both cases there is no real intersection of the projection with the heat shield contour (see Fig. 3 ), so there is no diversion in the true sense.
  • the angle ⁇ of the deflection of the starter film 3 on the combustion chamber wall 4 (measured as the angle between the axis of the starter film opening 6 and the hot side surface of the combustion chamber wall 4) according to the invention should not exceed 30 degrees, and is preferably limited to less than 20 degrees, in a favorable embodiment are provided 5-15 degrees.
  • ribs 14 are provided in an advantageous development of the invention, which are aligned substantially at the intended flow direction and extend radially inwardly beyond the starter film lip, see Fig. 2 and 3 , as well as 4, 5, 6 and 7.
  • the flow direction is predetermined by the projection direction of the starter film openings 6 in the direction of the combustion chamber wall 4. And therefore, the ribs do not substantially deflect the air in the circumferential direction.
  • the openings 6 which form the narrowest cross-section are made not only in the radial direction but also in the circumferential direction, see Fig. 5 .
  • the angle ⁇ between the axial direction of the engine and the axis of the opening according to the invention is less than 60 degrees, preferably 30-45 degrees.
  • the ribs 14 are arranged on the part of the heat shield 5, which leads the air for the starter film. However, these deflect the air according to the invention not in the circumferential direction, but the Peripheral component is generated substantially by the cooling holes 6 and only preserved by the ribs 14.
  • the ribs can be located on both the cold side of the heat shield ( Fig. 2 and 3 ) as well as on the downstream side of the base plate 2, see Fig. 6 , or the inside of the combustion chamber wall 4 may be placed.
  • the ribs can be connected to the heat shield 5, or the base plate 2 or wall 4 as an integral component or form-fitting or frictionally engaged. Since the ribs 14 do not have to generate a deflection of the flow, no major forces occur, so that they can also be placed as a loose component between the heat shield 5 and the base plate 2 and the combustion chamber wall 4, provided by a suitable connecting element between the individual ribs 14 as for example soldered wire, see Fig. 7 , the direction and the distance of the ribs 14 are set according to the requirements.
  • the starter film openings 6 can vary, individually or in groups, in the size of their circumferential angle ⁇ , see Fig. 8 , then mediate the ribs by a thickness variation in the flow direction between these two directions. If the starter film openings point away from one another, the ribs 14 become thicker in the flow direction or the starter film openings point towards one another, the ribs 14 become thinner in the flow direction.
  • the principle according to the invention is maintained that the ribs 14 do not determine the direction of the flow, but are predetermined by the direction of the starter film openings 6 and are essentially only obtained by the ribs.
  • the speed of the starter film air 3 is maintained near the maximum velocity at the opening 6 in the combustion chamber wall.
  • the resulting on the hot side of the combustion chamber wall 4 cooling film maintains its high momentum and can push away the flame of the burner from the wall 4.
  • the additional speed of the cooling film in the circumferential direction reduces the difference in the flow direction between the starting film and the outflow from the burner or the flow direction in the flame, which in turn results in a reduction in the mixing of the flame and the starter film.
  • the starter film air flows over the wall in the area of the highest wall heat load and ensures a low wall temperature on the burner axis due to the very low mixing with the hot gas over a large run length. Since no starter film air 3 is displaced from the burner axis, there are no cold air strands and no over-cooled strips between the burners. It decreases the temperature gradient in the circumferential direction and thus the thermally induced voltage in the combustion chamber wall drastically, thus the life at a given temperature for a given material is increased. Thus, however, the operating temperature of a component for the same life and predetermined material can be increased or it can be avoided on a weaker and cheaper material at the same temperature and life.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit Starterfilm zur Kühlung der Brennkammerwand, mit einem durch ein Hitzeschild (5) zur Brennkammer hin begrenzten Brennkammerkopf, in welchen Kühlluft einleitbar ist, wobei beabstandet zu dem Hitzeschild (5) eine Grundplatte (2) angeordnet ist, welche an ihrem Randbereich mit mehreren Öffnungen (6) zur Durchführung von Kühlluft versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen (17) der Öffnungen (6) in einem flachen Winkel (±) zur Brennkammerwand (4) geneigt ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit Starterfilm zur Kühlung der Brennkammerwand gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Die Brennkammer stellt die Wandung eines Raumes dar, in dem Brennstoff mit der vom Verdichter komprimierten Luft verbrannt wird, bevor diese in der Turbine entspannt wird und dabei Arbeit leistet. Da die Gastemperaturen in der Brennkammer üblicherweise oberhalb der Schmelztemperatur des Wandungsmaterials liegen, muss diese Wandung gekühlt werden. Zur Erreichung einer langen Lebensdauer müssen weit niedrigere Temperaturlimits eingehalten werden. Die Brennkammer kann zum Beispiel mit Kühlringen ( US 4,566,280 ), Effusionsbohrungen ( US 5,181,379 ), bestifteten Schindeln ( EP 1 098 141 A ) oder prall- und effusionsgekühlten Schindeln ( US 5,435,139 ) ausgestattet sein.
  • Unabhängig von der Kühlmethode besteht das Problem, die Wand stromauf des ersten Kühllufteinlasses zu schützen, da eine rückseitige Kühlung alleine nicht ausreicht, um unterhalb des jeweiligen Temperaturlimits zu bleiben. Daher wird üblicherweise am Anfang der Brennkammerwand ein sog. Starterfilm aufgebracht. Dieser Starterfilm schützt die Wand, bis die eigentliche Kühlmethode für die Brennkammerwand genügend Wirkung zeigt. Die Luft für diesen Starterfilm kann von innerhalb eines von einer Abdeckung und einer Grundplatte gebildeten Raumes oder aus einem Annulus zwischen einer Brennkammerwand und einem Brennkammergehäuse kommen. Die Durchströmöffnungen durch die Brennkammerwand sind meistens kreisrunde, regelmäßig verteilte, senkrecht zur Oberfläche stehende Bohrungen. Der Starterfilm wird hauptsächlich parallel zur Brennkammerwand an dieser entlang eingeblasen. Der Spalt, aus dem der gleichförmig am Umfang verteilte Kühlfilm austritt, wird durch einen Kühlring gebildet. Ein solcher Starterfilm für eine effusionsgekühlte Wand ist in der US 5,279,127 dargestellt.
  • In einer anderen Bauart wird die Luft nur auf einer Seite durch ein zur Brennkammerwand gehörendes Bauelement geführt, auf der anderen Seite von einer Strömungsfläche eines Hitzeschildes. Zwischen dem Hitzeschild und dem Anfangsteil der Brennkammerwand wird der Starterfilm ausgeblasen (siehe Fig. 1), um diesen Teil der Brennkammer vor den heißen Gasen der Verbrennung zu schützen. Dies geschieht üblicherweise durch eine Anzahl an kreisrunden Bohrungen auf einem bestimmten Teilkreis. Zur Vergleichmäßigung der einzelnen Strahlen zu einem Kühlfilm wird die Luft zuerst auf die Rückseite des Hitzeschildes geblasen. Beim Aufprall der Strahlen kühlen diese das Hitzschild und vereinigen sich zu einem homogenen Film, der dann in einem bestimmten Abstand parallel der Brennkammerwand strömt. Die Größe der Bohrungen, deren Abstand auf einem Teilkreis oder die Anzahl der Teilkreise wird hierbei der lokal notwendigen Kühlleistung angepasst. Ein solcher Starterfilm ist aus DE 102 14 573 A1 bekannt.
  • Zur Erhöhung der Stabilität des Hitzeschildes und zur Verstärkung der Kühlwirkung auf dem Hitzeschild, können auf dem Teil des Hitzeschildes, der die Luft für den Starterfilm führt, Rippen aufgebracht sein, wie z.B. aus DE 44 27 222 A1 oder DE 195 08 111 A1 bekannt. Die dort gezeigten Rippen ragen nicht radial über die Lippe des Hitzeschildes hinaus. Insbesondere bei Effusionskühlung der Wand, die einwandig oder mit zusätzlich prallgekühlten Schindeln ausgeführt sein kann, wird von der durch die Wand bzw. die Schindel strömenden Luft erst eine gewisse Strecke stromab ein schützender Kühlfilm aufgebaut. Ohne einen Starterfilm wäre der Anfangsteil der Wand nicht genügend geschützt.
  • In der US 3,420,058 wird durch Verformung der abgestuften Brennkammerwand mit Hilfe eines Werkzeuges nach dem Erzeugen der Kühlluftbohrungen die Richtung der Kühlluft so verändert, dass sie in Richtung der stromabliegenden Brennkammerwand geblasen wird. Hierbei können die Kühlluftbohrungen rein axial oder auch mit einer Umfangskomponente ausgeführt sein. Ein vorteilhafter Winkelbereich wird allerdings nicht genannt. Im Übrigen beschreibt diese US-Schrift nicht die Starterfilmausbildung, sondern die Kühlung der Brennkammerwand selbst.
  • In der EP 0 434 361 B1 wird ein Kühlfilm in einer Stufe in der Brennkammerwand dadurch erzeugt, dass radial zugeführte Luft auf eine Platte prallt, dabei um im wesentlichen 90 Grad ungelenkt wird und als Film im wesentlichen parallel zur Brennkammerwand ausgeblasen wird. Je nach Strömungsrichtung der Flamme bzw. der Abgase in der Brennkammer wird die Kühlluft hierzu durch eine Art Rippen oder Schaufeln entsprechend tangential zu diesen Heißgases ausgerichtet. Gemäß dieser Druckschrift wird die Kühlluft somit radial eingeblasen und um 90 Grad umgelenkt. Zusätzlich wird ihr eine Umfangskompohente auferlegt, so dass die Strömung sehr stark verlangsamt wird. Auch bei dieser Druckschrift wird im Übrigen nur die Wandkühlung beschrieben, nicht jedoch die Starterfilmausbildung.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird der Starterfilm durch eine Vergleichmäßigung einer durch viele einzelnen Bohrungen gebildeten Strömung mittels Aufprallen und Umlenken in einem Kühlring ( US 5,279,127 ) oder am Hitzeschild ( DE 102 14 573 A1 ) gebildet.
  • Bei dieser Art der Vergleichmäßigung verliert der Starterfilm gewollt einen Großteil seiner Geschwindigkeit, genauer seines Impulses. Da allerdings die Abströmung eines Brenners keine solche Verzögerung erfährt, hat die aus dem Brenner abströmende Luft einen größeren Impuls als die Starterfilmluft und kann diese an der Brennkammerwand seitlich in die Bereiche zwischen den Brennern verdrängen. Die sich stromab des Brenners stabilisierende Flamme brennt somit sehr nahe an der Brennkammerwand. Durch die starke Umlenkung auf der Rückseite des Hitzeschildes bzw. innerhalb des Kühlringes werden Längswirbel erzeugt, die zu einer schnellen Einmischung von Heißgas in den Starterfilm führen. Somit wird sich dessen Temperatur schnell erhöhen, also die Schutzwirkung entsprechend nachlassen.
  • Desweiteren sammelt sich die Starterfilmluft in dem Bereich zwischen den Brennern. Der Wärmeeintrag in die Brennkammerwand steigt somit räumlich periodisch mit jedem Brenner an und fällt in den Zwischenräumen wieder ab, wodurch zwangsläufig eine Temperaturvariation in Umfangsrichtung in der Brennkammerwand entsteht. Außerdem darf auch an der Stelle der höchsten Belastung der Brennkammerwand das Temperaturlimit des Materials nicht überschritten werden. Somit wird die notwendige Luftmenge des Starterfilms von der höchstbelasteten Stelle am Umfang bestimmt. Die Folge ist eine unnötig starke Kühlung der Brennkammerwand im Bereich zwischen den Brennern durch kalte Strähnen von Luft, die für die heiße Brennkammerwand auf der Brennerachse gedacht war. Durch die unangepasste Kühlung entsteht eine deutliche Temperaturschwankung der Brennkammerwand in Umfangsrichtung mit der Folge der Erzeugung starker mechanischer Spannungen in der Brennkammerwand. Diese Spannungen führen zu einer deutlich verminderten Lebensdauer der Brennkammerwand.
  • Die kurzen Rippen wie z. B. aus DE 4427222 A1 oder DE 19508111 A2 , lassen einen nennenswerten radialen Spalt zur Brennkammerwand, in dem sich Ausgleichsströmungen in Umfangsrichtung ausbilden können, die zu einer Verschiebung der durch die Starterfilmbohrungen vorgesehenen Massenstromverteilung führen. Somit ist nicht mehr durch die Konstruktion alleine, sondern auch durch das Strömungsfeld bestimmt, wie viel Starterfilmluft an welcher Umfangsposition austritt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer mit Starterfilm zur Kühlung der Brennkammerwand der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit eine zuverlässige Starterfilmausbildung und eine optimierte Temperaturverteilung sicherstellt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Mittelachsen der Öffnungen zur Durchführung der Kühlluft in einem flachen Winkel zur Brennkammerwand geneigt ausgebildet sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Querschnittsansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung, gemäß Detail A von Fig. 1, eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
    Fig.3
    eine Darstellung, analog Fig. 2, eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
    Fig. 4
    eine radiale Ansicht in rein axialer Ausrichtung gemäß Ansicht B-B von Fig. 2,
    Fig. 5
    eine radiale Ansicht mit Winkel in Umfangrichtung, gemäß Ansicht C-C von Fig. 3,
    Fig. 6
    ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog den Fig. 2 und 3,
    Fig. 7
    ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog den Fig. 2 und 3, und
    Fig. 8
    eine weitere Ausführungsvariante, analog der Darstellung der Fig. 4 und 5.
  • Die Luft, welche für die Bildung des Starterfilms vorgesehen ist, wird erfindungsgemäß nach Durchströmen der engsten Stelle, also der Öffnung 6 in der Grundplatte 2, in welcher sie auf die dem Druckabfall entsprechende Geschwindigkeit beschleunigt wurde, nicht mehr stark umgelenkt. Diese schwache Umlenkung wird erfindungsgemäß durch die Existenz eines Schnittpunktes zwischen der Mittelachse 17 der Starterfilmöffnung 6 und der Brennkammerwand 4 (Fig. 2 und 3) und durch einen Winkel α kleiner 30 Grad beschrieben. Die stärkste Umlenkung muss auf dem Bauteil erfolgen, auf dem die größte Filmkühlwirkung erzeugt werden soll, also der Heißseite der Brennkammerwandung 4, wo die auf die Wand zuströmende Luft wandparallel umgelenkt wird.
  • Die Strömung kommt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vor Erreichen der Heißseite der Brennkammerwand 4 mit einer anderen Oberfläche in Kontakt, siehe Fig. 2, zum Beispiel der Rückseite des Hitzeschildes 5 oder innerhalb des Startfilmbildenden Kühlringes. Dort ist der Winkel der Umlenkung β bevorzugt kleiner oder maximal gleich der Umlenkung auf der Brennkammerwand 4, welche durch den Winkel α beschrieben wird. Dieser Umlenkwinkel β wird gemessen als Winkel zwischen der Mittelachse 17 des Strahls einer Starterfilmöffnung 6 zur Oberfläche des Bauteils 5 an dem Punkt, an dem die Projektion der Starterfilmöffnung 6 dieses Bauteil 5 trifft. Desweiteren ist bevorzugt der Drehsinn der beiden Umlenkungen, also auf dem Hitzeschild 5 und auf der Heißseite der Brennkammerwand 4, entgegengerichtet. Der Winkel der Umlenkung des Starterfilmstrahls auf der Brennkammerwand (gemessen als der Winkel zwischen der Mittelachse 17 der Starterfilmöffnung 6 und der heißseitigen Oberfläche der Brennkammerwand 4) soll erfindungsgemäß 30 Grad nicht überschreiten, und wird bevorzugt auf unter 20 Grad beschränkt, in günstiger Ausgestaltung sind 5-15 Grad vorgesehen.
  • Als Variante der Erfindung berührt die Projektion der Wand der Starterfilmöffnung in Richtung Brennkammerwand 4 das Hitzeschild 5 nur in einem Punkt, oder die Projektion verläuft als Tangente zur Hitzeschildkontur. In beiden Fällen entsteht kein echter Schnittpunkt der Projektion mit der Hitzeschildkontur (siehe Fig. 3), so dass dort im eigentlichen Sinne keine Umlenkung stattfindet. Der Winkel α der Umlenkung des Starterfilms 3 auf der Brennkammerwand 4 (gemessen als der Winkel zwischen der Achse der Starterfilmöffnung 6 und der heißseitigen Oberfläche der Brennkammerwand 4) soll erfindungsgemäß 30 Grad nicht überschreiten, und wird bevorzugt auf unter 20 Grad beschränkt, in günstiger Ausgestaltung sind 5-15 Grad vorgesehen.
  • Auf dem Teil des Hitzeschildes 5, auf dem die Luft für den Starterfilm 3 geführt wird, sind in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung Rippen 14 vorgesehen, welche sich im Wesentlichen an der vorgesehenen Strömungsrichtung ausrichten und radial über die Starterfilmlippe nach innen und außen hinausreichen, siehe Fig. 2 und 3, sowie 4, 5, 6 und 7. Die Strömungsrichtung wird von der Projektionsrichtung der Starterfilmöffnungen 6 in Richtung Brennkammerwand 4 vorgegeben. Und daher lenken die Rippen die Luft in Umfangsrichtung nicht wesentlich um.
  • Zur weiteren Erhöhung der Kühlwirkung werden die Öffnungen 6, welche den engsten Querschnitt bilden, nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in Umfangsrichtung angestellt, siehe Fig. 5. Der Winkel γ zwischen der axialen Richtung des Triebwerkes und der Achse der Öffnung ist erfindungsgemäß kleiner 60 Grad, vorzugsweise 30-45 Grad. Zur Unterstützung dieser Umfangskomponente sind die Rippen 14 auf dem Teil des Hitzeschildes 5 angeordnet, welcher die Luft für den Starterfilm führt. Diese lenken allerdings die Luft erfindungsgemäß nicht in Umfangrichtung um, sondern die Umfangskomponente wird im Wesentlichen durch die Kühlungsöffnungen 6 erzeugt und durch die Rippen 14 nur bewahrt.
  • Die Rippen können sowohl auf der kalten Seite des Hitzeschildes (Fig. 2 und 3) als auch auf der stromabliegenden Seite der Grundplatte 2, siehe Fig. 6, oder der Innenseite der Brennkammerwand 4 platziert sein. Die Rippen können mit dem Hitzeschild 5, bzw. der Grundplatte 2 oder Wand 4 als ein integrales Bauteil oder form- oder reibschlüssig miteinander verbunden sein. Da die Rippen 14 keine Umlenkung der Strömung erzeugen müssen, treten keine größeren Krafte auf, sodaß sie auch als loses Bauteil zwischen Hitzeschild 5 und Grundplatte 2 sowie Brennkammerwand 4 platziert werden können, sofern durch ein geeignetes Verbindungselement zwischen den einzelnen Rippen 14 wie zum Beispiele ein eingelöteter Draht, siehe Fig. 7, die Richtung und der Abstand der Rippen 14 entsprechend der Anforderungen eingestellt wird.
  • In günstiger Ausgestaltung der Erfindung können die Starterfilmöffnungen 6 variieren, einzeln oder in Gruppen, in der Größe ihres Umfangswinkels γ, siehe Fig. 8, dann vermitteln die Rippen durch eine Dickenvariation in Strömungsrichtung zwischen diesen beiden Richtungen. Zeigen die Starterfilmöffnungen von einander weg, werden die Rippen 14 in Strömungsrichtung dicker bzw. zeigen die Starterfilmöffnungen aufeinander zu, werden die Rippen 14 in Strömungsrichtung dünner. Auch hierbei bleibt erfindungsgemäß der Grundsatz erhalten, dass nicht die Rippen 14 die Richtung der Strömung bestimmen, sondern diese durch die Richtung der Starterfilmöffnungen 6 vorgegeben und durch die Rippen im Wesentlichen nur erhalten wird.
  • Erfindungsgemäß kann von der direkten Relation von Starterfilmöffnungen 3 und Rippen 14 abgewichen werden, um die Kühlung der Brennkammerwand weiter zu verbessern oder um Fertigungskosten bzw. Gewicht zu sparen, siehe Fig. 8. So können einzelnen oder mehrere Rippen 14 zwischen zwei Starterfilmöffnungen weggelassen werden.
  • Die Geschwindigkeit der Starterfilmluft 3 wird nahe der maximalen Geschwindigkeit an der Öffnung 6 in der Brennkammerwandung gehalten. Der auf der Heißseite der Brennkammerwand 4 entstehende Kühlfilm behält seinen hohen Impuls bei und kann die Flamme des Brenners von der Wandung 4 wegdrängen. Außerdem werden durch die Limitierung des Umlenkungswinkels nur in geringem Umfang Längswirbel erzeugt, was zu einer drastisch verminderten Vermischung von Heißgas und Starterfilmluft führt.
  • Falls zwei Umlenkungen stattfinden, aber ihr Drehsinn entgegengesetzt ist, dann drehen auch die entstehenden Längswirbel entgegengesetzt und können sich idealerweise auslöschen, aber nicht verstärken.
  • Durch die zusätzliche Geschwindigkeit des Kühlfilms in Umfangrichtung wird der Unterschied in der Strömungsrichtung zwischen Starterfilm und Abströmung aus dem Brenner bzw. der Strömungsrichtung in der Flamme vermindert, wodurch sich wiederum eine Verkleinerung der Vermischung von Flamme und Starterfilm ergibt.
  • Durch die nahe an die Wandung 4 heranreichenden Rippen 14 werden Ausgleichsströmungen hinter dem Hitzeschild 5 in Umfangrichtung verhindert und es kann die an einer bestimmten Umfangsposition ausgebrachte Luftmenge genau der dort zur Kühlung notwendigen Menge angenähert werden. Die Starterfilmluft strömt im Bereich der höchsten Wandwärmebelastung über die Wand und stellt durch die sehr geringe Vermischung mit dem Heißgas über eine große Lauflänge eine niedrige Wandtemperatur auf der Brennerachse sicher. Da keine Starterfilmluft 3 von der Brennerachse verdrängt wird, entstehen keine kalten Luftsträhnen und keine überkühlten Streifen zwischen den Brennern. Es sinkt der Temperaturgradient in Umfangsrichtung und damit die thermisch induzierte Spannung in der Brennkammerwand drastisch ab, somit wird die Lebensdauer bei gegebener Temperatur für ein bestimmtes Material erhöht. Somit kann aber auch die Betriebstemperatur eines Bauteils bei gleicher Lebensdauer und vorgegebenen Material erhöht werden oder es kann auf ein schwächeres und preiswerteres Material bei gleicher Temperatur und Lebensdauer ausgewichen werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abdeckung des Brennkammerkopfes
    2
    Grundplatte
    3
    Starterfilm, Starterfilmöffnung, Kühlluftströmung
    4
    Brennkammerwand
    5
    Hitzeschild mit Loch für Brenner
    6
    Öffnung der Grundplatte 2 (Starterfilmöffnung)
    7
    Brenner mit Brennerarm und Drallerzeuger
    8
    Turbinenleitschaufel
    9
    Leitschaufel im Verdichterauslaß
    10
    Brennkammeraußengehäuse
    11
    Brennkammerinnengehäuse
    12
    Wandkühlung
    13
    Teilkreis des Starterfilms
    14
    Rippe zwischen Hitzeschild 5 und Grundplatte 2
    15
    Triebwerksachse
    16
    Verbindungselement zwischen den Rippen 14
    17
    Mittelachse der Öffnung 6
    α
    radialer Winkel zwischen der Richtung der Starterfilmbohrung 6 und der Brennkammerwand 4
    β
    radialer Winkel zwischen der Richtung der Starterfilmöffnung 6 und der Richtung der Oberfläche des Hitzeschildes 5
    γ
    Winkel zwischen der Richtung der Starterfilmöffnung 6 und der Triebwerksachse 15

Claims (15)

  1. Gasturbinenbrennkammer mit Starterfilm zur Kühlung der Brennkammerwand, mit einem durch ein Hitzeschild (5) zur Brennkammer hin begrenzten Brennkammerkopf, in welchen Kühlluft einleitbar ist, wobei beabstandet zu dem Hitzeschild (5) eine Grundplatte (2) angeordnet ist, welche an ihrem Randbereich mit mehreren Öffnungen (6) zur Durchführung von Kühlluft versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen (17) der Öffnungen (6) in einem flachen Winkel (α) zur Brennkammerwand (4) geneigt ausgebildet sind.
  2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Kühlluftströmung (3) durch die Öffnung (6) die Kühlluftströmung (3) auf einen Umlenkbereich geleitet wird, welcher zur Umlenkung der Kühlluft (3) in einem flachen Winkel (β) zur Zuleitung der Kühlluft (3) mit dem Winkel (α) ausgebildet ist.
  3. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) kleiner 30 Grad ist.
  4. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) kleiner 20 Grad ist.
  5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) in einem Bereich zwischen 5 Grad und 15 Grad ausgebildet ist.
  6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkbereich durch das Hitzeschild (5) gebildet wird.
  7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkbereich durch einen Kühlring gebildet wird.
  8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (17) der Öffnung (6) radial geneigt angeordnet ist.
  9. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (17) der Öffnung (6) in Umfangsrichtung in einem Winkel (γ) geneigt angeordnet ist.
  10. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (γ) kleiner 60 Grad ist.
  11. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (γ) in einem Bereich zwischen 30 Grad und 45 Grad ausgebildet ist.
  12. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hitzeschild (5) zur Führung der Kühlluftströmung (3) Rippen (14) ausgebildet sind.
  13. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (14) an der Brennkammerwand (4) ausgebildet sind.
  14. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen an der Grundplatte (2) ausgebildet sind.
  15. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen längs der Strömung eine nicht-konstante Wandstärke aufweisen.
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