Beschreibung description
Bezeichnung der Erfindung / Title of the invention Title of the invention / Title of the invention
Brennkämmerkühlung Burning Kammer cooling
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer . The present invention relates to a gas turbine combustor.
Brennkammern, insbesondere für Gasturbinen, sind in der Regel in ihrem Inneren mit einem Strömungsführungskörper versehen, der als Liner bezeichnet wird. Über einen oder mehrere in der Brennkammer vorgesehene Brenner wird ein brennbares Fluidge- misch zugeführt, welches im Brennraum der Brennkammer zündet und den Liner durchströmend in Richtung Austrittsöffnung geführt wird. Da die Wandungen der Brennkammer aufgrund der im Inneren der Brennkammer stattfindenden Verbrennung hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, müssen diese Teile der Brennkammer gekühlt werden. Eine Wärmedämmschicht (ther¬ mal barrier coating) an der Innenseite des Liners ist in der Regel nicht ausreichend. Eine Kühlung wird z.B. durch Spalt¬ räume erreicht werden, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, welches die Brennkammer konvektiv kühlt. Combustion chambers, in particular for gas turbines, are generally provided in their interior with a flow guide body, which is referred to as a liner. Via one or more burners provided in the combustion chamber, a combustible fluid mixture is supplied, which ignites in the combustion chamber of the combustion chamber and is passed through the liner in the direction of the outlet opening. Since the walls of the combustion chamber are exposed to high thermal loads due to the combustion taking place inside the combustion chamber, these parts of the combustion chamber must be cooled. A thermal barrier coating (ther ¬ mal barrier coating) on the inside of the liner is usually not sufficient. Cooling is achieved, for example, by gaps ¬ spaces through which a coolant is passed, which cools the combustion chamber convectively.
Bedingt durch im Betrieb auftretende Temperaturänderungen treten an den Bauteilen Wärmeausdehnungen auf. Due to temperature changes occurring during operation, thermal expansions occur on the components.
Der Liner stellt gleichzeitig den Übergang zum Turbinenraum dar und ist aus diesem Grund konisch ausgeformt. Das Küh¬ lungssystem muss die axiale und radiale Wärmeausdehnung des Liner-Konus mit aufnehmen und dafür sorgen, dass auch bei wechselnden Bedingungen nur eine bestimmte, definierte Luft¬ menge am Konus entlang strömt. At the same time, the liner represents the transition to the turbine chamber and, for this reason, is conically shaped. The Küh ¬ lung system must absorb the axial and radial thermal expansion of the liner with cone and ensure that even under changing conditions only a certain, defined amount of air ¬ flows along the cone.
Figur 1 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer mit konvektiver Kühlung des Liner-Konus mit einer außen-liegenden Hülle.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinenbrennkammer mit einer verbesserten Kühlung zur Verfügung zu stellen. Figure 1 shows a gas turbine combustor with convective cooling of the liner cone with an outer shell. The object of the invention is to provide a gas turbine combustor with improved cooling.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gasturbinen- brennkammer gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil¬ dungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einer Gasturbinenbrennkammer umfassend eine innere Wand mit Kühlluftbohrungen sowie eine von der inneren Wand beabstandete äußere Wand, die äußere Wand ebenfalls Kühlluftbohrungen aufweist und aus mehreren in Umfangsrich- tung der Gasturbinenbrennkammer im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Wandelementen gebildet ist, die mit einem Festlager auf einer Schmalseite und mit einem Loslager auf einer gegenüberliegenden Schmalseite auf der inneren Wand angeord- net sind, so dass zwischen den beiden Wänden ein Hohlraum gebildet wird, kann die Kühlung des Liner-Konus über eine ef¬ fektive Prallkühlung erfolgen. Darüber hinaus wird die relative Ausdehnung des Wandelements, das als Prallkühlblech wirkt, zum Grundkörper, d.h. der inneren Wand der Gasturbine, infolge unterschiedlicher Temperaturen des Grundkörpers (ca. 900-1000°C) und der Prallkühlbleche (ca. 500-600°C) zugelas¬ sen . According to the invention this object is achieved by the gas turbine combustion chamber according to claim 1. Advantageous developments of the wide Erbil ¬ invention are defined in the dependent claims. In a gas turbine combustor comprising an inner wall with cooling air holes and an outer wall spaced from the inner wall, the outer wall also has cooling air bores and is formed of a plurality of wall elements substantially juxtaposed in the circumferential direction of the gas turbine combustor and having a fixed bearing on a narrow side and are arranged with a movable bearing on an opposite narrow side on the inner wall, so that a cavity is formed between the two walls, the cooling of the liner cone can take place via an ef ¬ fective baffle cooling. In addition, the relative expansion of the wall element, which acts as a baffle plate, to the main body, ie the inner wall of the gas turbine, due to different temperatures of the body (about 900-1000 ° C) and the baffle plates (about 500-600 ° C) zugelas ¬ sen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Wandelemente brennerseitig mit einem Festlager und turbinenseitig mit ei¬ nem Loslager auf der inneren Wand angeordnet. In an advantageous embodiment, the wall elements are arranged on the burner side with a fixed bearing and the turbine side with ei ¬ nem movable bearing on the inner wall.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die innere Wand die Form eines Hohlkegelstumpfs und die Wandelemente die Form von Hohlkegel- stumpfSegmenten aufweisen. It is expedient here for the inner wall to have the shape of a hollow truncated cone and the wall elements to have the shape of hollow truncated segments.
Zur besseren Kompensation der Wärmedehnung in radialer Richtung sind benachbarte Wandelemente überlappend angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführung besteht das Loslager zur einfacheren Montage aus Ringsegmenten, die eine Nut zur Aufnahme je einer Schmalseite der Wandelemente aufweisen.
Zweckmäßigerweise besteht auch das Festlager aus Ringsegmen¬ ten . For better compensation of the thermal expansion in the radial direction adjacent wall elements are arranged overlapping. In an advantageous embodiment, the loose bearing for easier assembly of ring segments, which have a groove for receiving a respective narrow side of the wall elements. Conveniently, the fixed bearing consists of Ringsegmen ¬ th.
Für die Lagerkühlung weist mindestens eines der Lager Kühl- luftbohrungen auf. For storage cooling, at least one of the bearings has cooling air holes.
Für die Vermeidung von Klaffen benachbarter Wandelemente ist es vorteilhaft, wenn im Bereich einer Überlappung von je zwei Wandelementen Halterungen vorgesehen sind. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Halterungen auf der inneren Wand befestigt sind. For avoiding gaping of adjacent wall elements, it is advantageous if brackets are provided in the region of an overlap of two wall elements each. It may be useful if the brackets are mounted on the inner wall.
Um auch an den Halterungen unterschiedliche Wärmedehnungen möglichst spannungsfrei zu ermöglichen, weisen die Wandele- mente Öffnungen für die Halterungen auf, wobei die Öffnungs¬ durchmesser größer sind, als die Durchmesser der Halterungen in diesem Bereich. In order to allow also to the supports different thermal expansions tension-free as possible, the Wandele- elements have openings for the supports, wherein the opening are ¬ diameter greater than the diameter of the holders in this area.
Um zu verhindern, dass die Wandelemente der äußeren Wand auf- grund thermischer Verformung den Konus der inneren Wand berühren, sind Abstandselemente (Pins) zwischen innerer und äu¬ ßerer Wand angeordnet. Diese Abstandselemente sind zweckmäßi¬ gerweise einem zentralen Bereich des jeweiligen Wandelements gegenüber, d.h. in der Mitte unter den Wandelementen, auf der inneren Wand angeordnet, beispielsweise angeschweißt. In order to prevent that the wall elements of the outer wall up due to thermal deformation of the cone of the inner wall touch spacer elements (pins) between the inner and externa ¬ ßerer wall arranged. These spacer elements are zweckmäßi ¬ gerweise a central region of each wall element in relation to, that is disposed at the center among the wall elements, on the inner wall, for example welded.
Eine Ausführung des durch die innere und die äußere Wand ge¬ bildeten Hohlraums als akustischer Dämpfer (Resonator) ist besonders vorteilhaft, weil dadurch die Anzahl sonst benötig- ter Resonatoren verringert werden kann. Dies verringert ei¬ nerseits Kosten und spart andererseits Luft, die sonst zur Spülung bzw. Kühlung dieser Resonatoren erforderlich wäre. An embodiment of the ge ¬ formed by the inner and the outer wall of the cavity as an acoustic damper (resonator) is particularly advantageous because the number of otherwise-required resonators can be reduced. This reduces ei ¬ nerseits costs and saves the other hand, air that would be required for flushing or cooling of these resonators otherwise.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung liegen in der verbes- serten Kühlung des Liner-Konus durch eine effektive Prallküh¬ lung sowie in der Vermeidung der thermischen Spannung, die sich durch das Loslager ergibt. Außerdem werden durch den zwischen dem Liner-Konus und den Blechen entstehenden Hohl-
räum, der zusätzlich als Resonator wirkt, mittel- bis hochfrequente Schwingungen gedämpft. The advantages of the proposed solution are in the improved cooling of the liner cone by effectively Prallküh ¬ lung as well as in the prevention of the thermal stress resulting from the floating bearing. In addition, due to the hollow space formed between the liner cone and the sheets, raum, which also acts as a resonator, damped medium to high-frequency oscillations.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. Shown schematically and not to scale:
Figur 1 eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennerliner nach dem Stand der Technik mit außenliegender Hülle für kon- vektive Kühlung, 1 shows a gas turbine combustion chamber with a burner liner according to the prior art with external envelope for convective cooling, FIG.
Figur 2 eine Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung mit Wandelementen für eine Prallkühlung, FIG. 2 shows a gas turbine combustor according to the invention with wall elements for impingement cooling,
Figur 3 ein Wandelement mit Kühlluftbohrungen und Öffnungen zur Befestigung, FIG. 3 shows a wall element with cooling-air bores and openings for fastening,
Figur 4 einen Ausschnitt eines Festlagerringsegments, FIG. 4 a detail of a fixed bearing ring segment,
Figur 5 einen Schnitt durch einen Brennerliner einer Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung mit Festlager, 5 shows a section through a burner liner of a gas turbine combustor according to the invention with a fixed bearing, FIG.
Figur 6 einen Schnitt durch einen Brennerliner einer Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung mit Loslager, FIG. 6 shows a section through a burner liner of a gas turbine combustion chamber according to the invention with floating bearing,
Figur 7 eine Draufsicht auf ein Ringsegment des Loslagers, Figur 8 eine Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung ohne Wandelemente, 7 shows a plan view of a ring segment of the movable bearing, FIG. 8 shows a gas turbine combustion chamber according to the invention without wall elements,
Figur 9 einen Bolzen zur Halterung der Wandelemente gegen Klaffen, 9 shows a bolt for holding the wall elements against gape,
Figur 10 einen Bolzen im eingebauten Zustand mit Wandelemen- ten und FIG. 10 shows a bolt in the installed state with conversion elements and
Figur 11 überlappende Wandelemente. Figure 11 overlapping wall elements.
Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Gasturbi¬ nenbrennkammer 1 nach dem Stand der Technik mit einer inneren Wand 2 (Brennerliner) , die den Brennraum 3 umschließt und brennraumseitig eine Wärmeschutzschicht 4 aufweist, und einer die innere Wand 2 umgebende Hülle 5 zwischen denen Kühlluft 6 zur konvektiven Kühlung der inneren Wand 2 geführt wird. Beim Übergang vom Brennraum 3 zum Turbinenraum (nicht gezeigt) sind die Gasturbinenbrennkammer 1 und somit auch die innere1 shows schematically and exemplarily a Gasturbi ¬ nenbrennkammer 1 according to the prior art with an inner wall 2 (Brenner liner), which surrounds the combustion chamber 3 and the combustion chamber side has a heat shielding layer 4, and an inner wall 2 surrounding envelope 5 between which cooling air 6 for convective cooling of the inner wall 2 is performed. In the transition from the combustion chamber 3 to the turbine chamber (not shown) are the gas turbine combustor 1 and thus the inner
Wand 2 bzw. der Brennerliner 2 konisch ausgeformt. Dieser Bereich wird daher auch als Liner-Konus 7 bezeichnet.
Figur 2 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung mit einer inneren Wand 2 und einer von dieser beabstan- deten äußeren Wand 9, welche einen Hohlraum 10 bilden (s. Fig. 5 und 6) . Die äußere Wand 9 wird durch eine Blechkon- struktion, bestehend aus 8 Wandelementen 11, gebildet, die Wärmedehnungen des Liner-Konus 7 ausgleichen kann. Eine vom Ausführungsbeispiel der Figur 2 abweichende Anzahl an Wand¬ elementen 11 ist möglich. Die Wandelemente 11 sind auf der brennerzugewandten Seite 12 des Liner-Konus 7, also zur Kegelstumpfgrundfläche hin, mit der inneren Wand 2 verschweißt und auf der turbinenzugewand¬ ten Seite 13 des Liner-Konus 7, also zur Kegelstumpfdeckflä¬ che hin, schwimmend gelagert. Eine umgekehrte Lösung ist aber ebenfalls möglich. Wall 2 and the burner liner 2 conically shaped. This area is therefore also referred to as liner cone 7. Figure 2 shows a gas turbine combustor 8 according to the invention with an inner wall 2 and an outer wall 9 spaced therefrom, forming a cavity 10 (see Figures 5 and 6). The outer wall 9 is formed by a sheet metal construction, consisting of 8 wall elements 11, which can compensate for thermal expansions of the liner cone 7. A deviating from the embodiment of Figure 2 number of wall ¬ elements 11 is possible. The wall elements 11 are welded on the burner-facing side 12 of the liner cone 7, ie to the truncated cone base, with the inner wall 2 and floating on the turbinenzugewand ¬ th page 13 of the liner cone 7, ie the Kegelstumpfdeckflä ¬ che out. A reverse solution is also possible.
Dabei werden zwei Blechreihen 14, 15 versetzt übereinander eingebaut. Zur Prallkühlung der inneren konusförmigen Wand 2 weisen die Wandelemente 11 Kühlluftbohrungen 16 auf. Entspre- chende Kühlluftbohrungen 17 sind in der inneren Wand 2 vorgesehen (s. Fig. 8 und 10), damit die für die Prallkühlung verwendete Luft in den Brennraum 3 abströmen kann. In this case, two rows of sheets 14, 15 are installed offset one above the other. For baffle cooling of the inner cone-shaped wall 2, the wall elements 11 have cooling air bores 16. Corresponding cooling air bores 17 are provided in the inner wall 2 (see FIGS 8 and 10), so that the air used for the impingement cooling can flow into the combustion chamber 3.
Figur 3 zeigt ein Wandelement 11 mit Kühlluftbohrungen 16. Während des Betriebs könnten zwischen überlagerten Wandele¬ menten 11 Spalte entstehen, durch die Luft unkontrolliert un¬ ter die Blechkonstruktion gelänge. Diese Spalte werden aber durch Halterungen 18 (s. Fig. 10 - 11) vermieden. Die Wandelemente 11 weisen zu diesem Zweck an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten 19 Öffnungen 20 auf, deren Durchmesser größer ist, als der Halterungsdurchmesser in diesem Bereich, um auch hier genügend Spiel für Wärmedehnung zu gewährleisten. Die beiden anderen Schmalseiten 21 bilden zusammen mit den in den Figuren 4 bis 7 gezeigten Ringsegmenten 22, 23 ein Fest- und ein Loslager 24, 25. Figure 3 shows a wall element 11 with cooling air holes 16. During operation may arise between superimposed elements 11 will walk ¬ column uncontrolled un ¬ ter succeed through the air, the sheet metal construction. However, these gaps are avoided by holders 18 (see Figures 10 to 11). The wall elements 11 have for this purpose on two opposite narrow sides 19 openings 20, whose diameter is larger than the support diameter in this area, to ensure enough clearance for thermal expansion here. The two other narrow sides 21 together with the ring segments 22, 23 shown in FIGS. 4 to 7 form a fixed bearing and a movable bearing 24, 25.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Festlagers 24, insbeson¬ dere eines Ringsegments 22 für ein Festlager 24. Ist das
Ringsegment 22 mit der inneren Wand 2 verschweißt (s. Figur 5) wird ein Hohlraum 26 ausgebildet, der über Kühlluftbohrungen 27 gekühlt werden kann. Figur 5 zeigt einen Schnitt durch ein Festlager 24 einer Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung mit einem auf dem Brennerliner 2 angeordneten und mit diesem an den Schweißstellen 28 verbundenen Ringsegment 22 für das Festlager 24 und in Axialrichtung der Brennkammer 8 versetzt angeordneten Wandelementen 11. Die Wandelemente 11 sind mit dem Ringseg¬ ment 22 an den Schweißstellen 29 verbunden. Aus Montagegründen sind benachbarte Wandelemente 11 in axialer Richtung ver¬ setzt mit den Ringsegmenten 22 verschweißt. Figur 6 zeigt einen Schnitt durch ein Loslager 25 einer Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung mit einem auf dem Brennerliner 2 angeordneten und mit diesem an den Schweißstellen 30 verbundenen Ringsegment 23 für das Loslager 25. Das Ringsegment 23 des Loslagers 25 umfasst eine Nut 31 zur Aufnahme einer Schmalseite 21 der Wandelemente 11 und liegt direkt auf der inneren Wand 2 auf, so dass auch keine Kühl- luftbohrungen im Ringsegment 23 nötig sind. Figure 4 shows a section of a fixed bearing 24, insbeson ¬ particular a ring segment 22 of a fixed bearing 24. If the Ring segment 22 welded to the inner wall 2 (see Figure 5), a cavity 26 is formed, which can be cooled via cooling air holes 27. Figure 5 shows a section through a fixed bearing 24 of a gas turbine combustor 8 according to the invention with a arranged on the burner liner 2 and connected thereto at the welds 28 ring segment 22 for the fixed bearing 24 and offset in the axial direction of the combustion chamber 8 arranged wall elements 11. Die Wandelemente 11 are connected to the Ringseg ¬ ment 22 at the welds 29. For assembly reasons, adjacent wall elements 11 in the axial direction ver ¬ sets with the ring segments 22 welded. Figure 6 shows a section through a floating bearing 25 of a gas turbine combustor 8 according to the invention with a arranged on the burner liner 2 and connected thereto at the welds 30 ring segment 23 for the floating bearing 25. The ring segment 23 of the movable bearing 25 includes a groove 31 for receiving a Narrow side 21 of the wall elements 11 and lies directly on the inner wall 2, so that no cooling air holes in the ring segment 23 are necessary.
Figur 7 zeigt ein Ringsegment 23 für das Loslager 25. Die Nut 31 für die schwimmende Lagerung der Wandelemente 11 im Ring¬ segment 23 verläuft entsprechend der überlappenden Anordnung der Wandelemente 11 auf verschiedenen Radien mit überlappenden Bereichen 32. Figur 8 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung ohne Wandelemente 11. Dadurch sieht man sowohl Bolzen 33 als Teile der Halterungen 18 gegen Klaffen als auch weitere Abstandselemente oder Pins 34 auf der inneren Wand 2 angeord¬ net, welche verhindern, dass die Wandelemente 11 den Konus der inneren Wand 2 aufgrund thermischer Verformung berühren. Die Pins 34 sind typischerweise in der Mitte unter den Wand¬ elementen 11 auf der inneren Wand 2 angeschweißt.
Figur 9 zeigt einen Bolzen 33 mit einem weiteren Formelement zur leichteren Montage auf der inneren Wand 2. Der Bolzen 33 ist Teil einer Halterung 18, wie sie gegen Klaffen zwischen zwei benachbarten Wandelementen 11 verwendet wird. Figure 7 shows a ring segment 23 for the floating bearing 25. The groove 31 for the floating support of the wall elements 11 in the ring ¬ segment 23 extends according to the overlapping arrangement of the wall elements 11 at different radii with overlapping areas 32nd Figure 8 shows a gas turbine combustor 8 after the This sees both bolts 33 as parts of the brackets 18 against gape and other spacers or pins 34 angeord ¬ net on the inner wall 2, which prevent the wall elements 11, the cone of the inner wall 2 due to thermal deformation touch. The pins 34 are typically welded in the middle under the wall ¬ elements 11 on the inner wall 2. FIG. 9 shows a bolt 33 with a further mold element for easier mounting on the inner wall 2. The bolt 33 is part of a holder 18, as used against gaps between two adjacent wall elements 11.
Figur 10 zeigt eine solche Halterung 18 im eingebauten Zustand. Sie ist mit der inneren Wand 2 verschweißt und gegebe¬ nenfalls auf der inneren Wand 2 in einer dafür vorgesehenen Vertiefung 35 angeordnet. Im Bereich der Öffnungen 21 der Wandelemente 11 weist der Bolzen 33 der Halterung 18 einen geringeren Durchmesser auf, als die Öffnungen 21 selbst, damit ausreichend Platz für Wärmedehnungen vorhanden ist. Die Wandelemente 11 sind mit einer angeschweißten Lochscheibe 36 gesichert, so dass im Wesentlichen nur axiale Verschiebungen der Wandelemente 11 und Verschiebungen in Umfangsrichtung der Gasturbinenbrennkammer 8, aber keine radialen Bewegungen möglich sind. Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf den Bereich der Halterung 18. Auch wenn in den Ausführungsbeispielen eine Gasturbinenbrennkammer mit konischem Liner beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht auf eine konische Geometrie beschränkt. Des weiteren ist die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auf einen zu erzielenden Kühleffekt beschränkt, sondern kann auch als Resonanzabsorber genutzt werden kann.
FIG. 10 shows such a holder 18 in the installed state. It is welded to the inner wall 2 and, where appropriate, ¬ on the inner wall 2 in a provided recess 35 is arranged. In the area of the openings 21 of the wall elements 11, the bolt 33 of the holder 18 has a smaller diameter than the openings 21 itself, so that sufficient space for thermal expansions is present. The wall elements 11 are secured with a welded perforated disc 36, so that substantially only axial displacements of the wall elements 11 and displacements in the circumferential direction of the gas turbine combustor 8, but no radial movements are possible. FIG. 11 shows a plan view of the region of the holder 18. Although a gas turbine combustion chamber with a conical liner is described in the exemplary embodiments, the invention is not limited to a conical geometry. Furthermore, the function of the device according to the invention is not limited to a cooling effect to be achieved, but can also be used as a resonance absorber.