[0001] Die Erfindung betrifft eine geschlossen gekühlte Brennkammer für eine Turbine.
[0002] Derartige Brennkammern sind von einer eine Innenwandung und eine Außenwandung aufweisenden
Doppelwand umgeben, wobei zwischen der Innenwandung und der Außenwandung ein mit einem
Kühlfluid, üblicherweise Kühlluft, durchströmbarer Zwischenraum belassen ist. Zum
Kühlen der Brennkammer wird durch eine in den Zwischenraum mündende Kühlfluidzuführung
ein Kühlfluid, üblicherweise Kühlluft, in den Zwischenraum eingeleitet, und das Kühlfluid
verläßt nach Aufnahme von von der Brennkammer abzuführende Wärme den Zwischenraum
über eine Kühlfluidabführung. Bei bekannten, geschlossen gekühlten Brennkammern wird
die Außenwandung häufig als doppelschalige Hohlkachel ausgebildet, wobei die Hohlkachel
durch dringende, in den Zwischenraum zwischen der Außenwandung und der Innenwandung
mündende Kühlfluidzuführungsrohre in der Hohlkachel ausgebildet sind. Der durch die
Zuführungsrohre unterbrochene, in der Hohlkachel ausgebildete Hohlraum dient zur Abführung
des erwärmten Kühlfluids. Dabei wird das Kühlfluid im Innern der Hohlkachel üblicherweise
in axialer Richtung der Brennkammer abgeführt. Problematisch bei diesem Aufbau ist,
dass die mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildeten, durch die Hohlkachel geführten
Rohre mit ihren die Hohlkachel kreuzenden Wandungen den Strömungsweg für das abströmende
Kühlfluid versperren und so einen erhöhten Strömungswiderstand für das abfließende
Kühlfluid bewirken. Aus diesem Grunde ist es üblich, bei derartigen Hohlkacheln die
Ausdehnung in radialer Richtung des Brenners, also in Richtung der durch die Hohlkachel
hindurchragenden Rohre zu vergrößern. Mit dieser Vergrößerung der radialen Ausdehnung
ist zwangsläufig eine radiale Ausdehnung des Gehäuses verbunden, welche zum einen
einen erhöhten Materialeinsatz bei der Herstellung des Gehäuses zum anderen einen
erhöhten Raumbedarf für die Brennkammer insgesamt bedingt.
[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es
Aufgabe der Erfindung, eine geschlossen gekühlte Brennkammer für eine Turbine dahingehend
zu verbessern, daß sie bei geringerer radialer Ausdehnung ein sicheres und widerstandsarmes
Abströmen des Kühlfluids ermöglicht.
[0004] Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung angegeben eine geschlossen gekühlte Brennkammer
für eine Turbine mit einer den Brennraum begrenzenden Innenwandung und einer Außenwandung,
wobei zwischen der Innenwandung und der Außenwandung ein mit einem Kühlfluid durchströmbarer
Zwischenraum belassen ist, mit einer in den Zwischenraum mündenden Kühlfluidzuführung
und einer Kühlfluidabführung zum Abführen des Kühlfluids aus dem Zwischenraum, wobei
die Kühlfluidabführung im wesentlichen entlang der axialen Ausrichtung der Brennkammer
verlaufende, kanalartige Ableitstrukturen aufweist, die durch zwischen den Ableitstrukturen
angeordnete Einlaßstrukturen der Kühlfluidzuführung unterbrochen sind.
[0005] Dadurch, dass die Kühlfluidabführung in axialer Richtung der Brennkammer verlaufende,
kanalartige Ableitstrukturen aufweist, in denen sich keine Strömungshindernisse befinden,
kann das Kühlfluid in diesen Ableitstrukturen ohne hohen Strömungswiderstand abgeführt
werden. Verglichen mit der bekannten, von vielen Einzelrohren in regelmäßiger Anordnung
durchsetzten Hohlkachel, wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion das abzuleitende
Kühlfluid durch die kanalartigen Ableitstrukturen kanalisiert und bei gleichbleibender
radialer Ausdehnung der Brennkammer mit verringertem Strömungswiderstand abgeführt.
Dies ermöglicht schließlich eine Reduzierung der radialen Ausdehnung der Brennkammer.
[0006] Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Brennkammer ist die
Außenwandung als doppelschalige Hohlkachel ausgebildet und die Ableitstrukturen im
Inneren der Hohlkachel sind Zwischenwandungen von in axialer Richtung der Brennkammer
hintereinander gereihten, die Hohlkachel durchragenden Führungsrohren zur Zuführung
von Kühlfluid ausgebildet, wobei die Führungsrohre zumindest in der Außenschale der
Hohlkachel einen in axialer Richtung der Brennkammer langgestreckten Öffnungsquerschnitt
aufweisen. Dadurch, dass anders als bei der bekannten, als doppelschalige Hohlkachel
ausgebildeten Außenwandung die die Hohlkachel durchragenden Führungsrohre nicht einen
durchgehend kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sondern zumindest in der Außenschale
der Hohlkachel einen in axialer Richtung der Brennkammer langgestreckten Öffnungsquerschnitt
aufweisen und in axialer Richtung der Brennkammer hintereinander angereiht sind, ist
zwischen den Wandungen von Führungsrohren zweier benachbarter Reihen ein in axialer
Richtung der Brennkammer verlaufender Ableitkanal für das Kühlfluid ausgebildet. Durch
diesen kann das Kühlfluid mit verglichen zu der bekannten Konstruktion deutlich verringertem
Strömungswiderstand strömen.
[0007] Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Führungsrohre
in den in axialer Richtung der Brennkammer angeordneten Reihen zumindest in der Außenschale
der Hohlkachel mit ihren Schmalseiten einen geringeren Abstand zueinander aufweisen
als der Abstand der Öffnungen benachbarter Reihen. Durch diese Ausgestaltung wird
eine weiter verbesserte Kanalisierung des abströmenden Kühlfluids in den zwischen
den Reihen ausgebildeten Kanälen erzielt.
[0008] Des weiteren können gemäß einer Weiterbildung der ersten Ausführungsform die Führungsrohre
in der Außenschale der Hohlkachel einen Öffnungsquerschnitt mit langgestreckter Form
und in der Innenschale der Hohlkachel einen kreisförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen.
Durch eine solche Ausbildung wird einerseits der Vorteil der kanalartigen Ableitstruktur
für das Kühlfluid erzielt, andererseits wird die für die Zuführung von Kühlfluid günstige
Kreisform der in den Zwischenraum mündenden Öffnung des Führungsrohrs beibehalten.
Das Führungsrohr ist dabei entlang seiner axialen Erstreckung so geformt, dass es
unter Vermeidung eines erhöhten Strömungswiderstandes von der langgestreckten "Schlitzform"
der Öffnung in der Außenschale der Hohlkachel zu der kreisförmigen Öffnung in der
Innenschale der Hohlkachel überblendet.
[0009] Gemäß einer weiteren Weiterbildung der ersten Ausführungsvariante ist vorgesehen,
dass die Außenschale der Hohlkachel ein lösbar befestigtes, vorzugsweise aufgeschraubtes,
Dichtblech aufweist, welches eine Öffnung verschließt, durch die ein lösbar befestigter,
vorzugsweise verschraubter, Abschnitt der Innenschale zugänglich ist. Mit dieser Konstruktion
kann auf einfache Weise ein beispielsweise für Wartungs- und Reparaturzwecke erforderlicher
Zugang zu der die Brennkammer umschließenden Innenwandung geschaffen werden. Ist auch
in dieser Wandung an der Stelle der Zugangsöffnungen in der Hohlkachel eine verschließbare
Öffnung angebracht, ist auch das Innere der Brennkammer zugänglich. Die Lösung des
Dichtbleches bringt darüber hinaus den Vorteil, dass das Vorsehen einer Öffnung in
der doppelschaligen Hohlkachel ohne erhöhten konstruktiven Aufwand erfolgen kann.
Diese Konstruktion zeichnet sich durch eine geringe Anzahl von Bauteilen aus, die
darüber hinaus genauso ausgeführt sein können, wie der die Öffnung umgebende Rest
der Hohlkachel.
[0010] Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass
die Ableitstrukturen durch auf der Außenwandung gebildete, in axialer Richtung der
Brennkammer verlaufende Ableitkanäle gebildet sind, zwischen denen jeweils die Einlaßstrukturen
angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsvariante wird als Außenwandung der Brennkammer
anstelle einer doppelwandigen Hohlkachel eine generell einschalige Wandung verwendet,
auf deren Außenseite einzelne, in axialer Richtung der Brennkammer verlaufende Ableitkanäle
aufgesetzt sind. Die Herstellung einer solchen, prinzipiell einschaligen Außenwandung
ist, da es sich bei diesen Teilen in der Regel um Gussteile handelt, deutlich einfacher
als im Falle der Hohlkachel.
[0011] Gemäß einer Weiterbildung dieser zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in
der Außenwandung gebildete kreisförmige Ableitöffnungen in die Ableitkanäle münden.
Zum Ableiten des den Spaltraum zwischen der Außenwandung und der Innenwandung verlassenden
Kühlfluids sind über die Außenwandung verteilt kreisförmige Ableitöffnungen angeordnet.
Die Kreisform der Ableitöffnungen ist aus strömungstechnischen Gründen von Vorteil.
Mehrere kreisförmige Ableitöffnungen münden in einen der Ableitkanäle, in dem das
abgeleitete Kühlfluid jeweils gesammelt und gerichtet abgeführt wird.
[0012] Gemäß einer weiteren Weiterbildung der zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die Ableitkanäle auf der Außenwandung durch auf auf der Außenseite der Außenwandung
ausgebildete, in axialer Richtung der Brennkammer verlaufende Rippen aufgesetzte Abdeckungen
gebildet sind. Eine solche, zweigeteilte Ausführung der Ableitkanäle ermöglicht ein
noch weiter vereinfachtes Herstellungsverfahren der Außenwandung. Diese kann als einfaches,
einschaliges Gussteil gefertigt werden. Beim Gießen müssen lediglich die Rippen ausgebildet
werden, die Ausbildung von Hohlräumen in Form von Ableitkanälen ist nicht erforderlich.
Diese werden erst später durch Aufsetzen der Abdeckungen gebildet.
[0013] Gemäß einer weiteren Weiterbildung können dabei die Rippen an ihrer Basis Strukturen
zum Überblenden von kreisförmigen Öffnungen auf einen linearen Kanal aufweisen. Durch
eine solche Ausgestaltung wird erreicht, dass bei vergleichsweise kleiner Ableitkanalbreite
aus kreisförmigen Öffnungen in der Außenschale, die über einen weiten Bereich der
Außenschale verteilt sind möglichst effizient Kühlfluid abgeführt werden kann. Die
vergleichsweise kleine Kanalbreite ist erforderlich, um zwischen den Kanälen ausreichend
Raum für die Ausbildung von Öffnungen für die Kühlfluidzuführung zu behalten.
[0014] Für die zweite Ausbildungsform ist schließlich nach einer weiteren vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Außenwandung als einschaliges Gussstück
gebildet ist, und dass die Abdeckungen auf den Rippen verschweißt sind.
[0015] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- in dreidimensionaler Darstellung einen Ausschnitt aus einer als Hohlkachel ausgeführten
Außenwandung einer geschlossen gekühlten Brennkammer,
- Fig. 2a
- einen Fig. 1 vergleichbaren Ausschnitt mit einem darin integrierten, herausnehmbaren
Segment zur Bildung eines Mannlochs,
- Fig. 2b
- in schematischer Darstellung eine Darstellung durch das herausnehmbare Segment sowie
angrenzende Bereiche der Außenwandung,
- Fig. 3
- in perspektivischer Darstellung ein Ausschnitt einer Außenwandung einer geschlossen
gekühlten Brennkammer gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- Fig. 4
- vergrößert eine Detailansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 3.
[0016] In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
[0017] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Außenwandung 1 einer erfindungsgemäßen
Brennkammer in einer ausschnittsweisen, dreidimensionalen Darstellung. Die Außenwandung
1 ist als doppelschalige Hohlkachel ausgebildet. Sie weist eine Außenschale 2 sowie
eine in Richtung der Brennkammer weisende Innenschale 3 auf. Führungsrohre 4 verbinden
die Außenschale 2 und die Innenschale 3 miteinander zur Zuführung eines Kühlfluids.
Die Führungsrohre 4 weisen in der Außenschale 2 langgestreckt ovale Öffnungen 5 und
in der Innenschale 3 kreisförmige Öffnungen 6 auf. Dabei sind die Führungsrohre 4
in axialer Richtung der Brennkammer so hintereinander angereiht, dass die schmalen
Stirnseiten der langgestreckt ovalen Öffnungen 5 fast aneinander stoßen und dass zwischen
den ovalen Öffnungen 5 von Führungsrohren 4 benachbarter Reihen ein größerer Abstand
als zwischen den Öffnungen 5 in den Reihen verbleibt. So werden in dem zwischen der
Außenschale 2 und der Innenschale 3 der als Hohlkachel ausgebildeten Außenwandung
1 gebildeten Hohlraum 9 zwischen den Reihen der Führungsrohre 4 in axialer Richtung
der Brennkammer verlaufende kanalartige Ableitstrukturen 8 zum Ableiten von Kühlfluid
geschaffen. Das abzuleitende Kühlfluid tritt aus einem (nicht gezeigten) Zwischenraum
zwischen der Außenwandung 1 und einer (nicht gezeigten) Innenwandung der doppelwandigen
Brennkammer durch Öffnungen 7 in den Hohlraum 9 ein. Dort gelangt es in die kanalartigen
Ableitstrukturen 8 und wird gezielt in axialer Richtung des Brenners im Innern der
als Hohlkachel ausgebildeten Außenwandung 1 abgeführt.
[0018] Durch die Führungsrohre 4, dessen Wandungen von der ovalen Öffnung 5 auf eine kreisförmige
Öffnung 6 überblenden, wird frisches Kühlfluid in den Zwischenraum zwischen der Außenwandung
1 und der nicht gezeigten Innenwandung geleitet. Durch die gezeigte Ausgestaltung
und Anordnung der Führungsrohre 4 werden im Innern der Hohlkachel die kanalartigen
Ableitstrukturen 8 ausgebildet, welche eine strömungswiderstandsarme und gerichtete
Ableitung von Kühlfluid ermöglichen. Dies erlaubt eine verglichen mit bekannten Hohlkachelvarianten
verringerte Ausdehnung der Außenwandung in radialer Richtung, also in Richtung der
axialen Ausrichtung der Führungsrohre 4.
[0019] In den Fig. 2a und 2b ist eine mögliche Weiterbildung der in Fig. 1 gezeigten Außenwandung
dargestellt. Zur Bildung einer Öffnung für beispielsweise Reparatur- und Wartungszwecke,
eines sogenannten Mannloches, ist in der Außenschale 2 der als Hohlkachel ausgebildeten
Außenwandung 1 eine umlaufende Ausnehmung ausgebildet, durch die hindurch Schraubbolzen
14 zugänglich sind. Mit den Schraubbolzen 14 ist ein herausnehmbares Segment 15 an
dem Rest der als Hohlkachel ausgebildeten Außenwandung 1 fixiert. Während des Betriebes
wird die Ausnehmung 10 durch ein aufgeschraubtes Dichtblech 11 verschlossen. Hierzu
weist das Dichtblech 11 Öffnungen 13 auf, durch die Schraubbolzen 12 hindurchgeführt
und mit der Außenschale 2 verschraubt werden. Das herausnehmbare Segment 15 ist in
seiner Struktur gleich ausgebildet wie der Rest der Außenschale 1. Dies ermöglicht
eine vereinfachte Herstellung des herausnehmbaren Segmentes 15 analog zu der übrigen
als Hohlkachel ausgebildeten Außenwandung 1. Zum Herausnehmen des herausnehmbaren
Segmentes 15 wird einfach das Dichtblech 11 von der Außenschale 2 gelöst und abgenommen.
Durch die Ausnehmung 10 sind dann die Schraubbolzen 14 zugänglich, nach deren Lösen
das herausnehmbare Segment 15 abgehoben werden kann.
[0020] In den Fig. 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die
hier gezeigte Außenwandung 1 ist nicht als Hohlkachel ausgebildet, sondern besteht
aus einer einschaligen Wandung 20, die in axialer Richtung der Brennkammer verlaufende
Rippen 21 aufweist. Auf die Rippen 21 sind zur Bildung von Ableitkanälen Abdeckungen
22 aufgesetzt und mit den Rippen verschweißt. Die so gebildeten Ableitkanäle münden
in Ableitöffnungen 23, durch die abgeleitetes Kühlfluid austritt. In dem Bereich zwischen
den Rippen 21, auf denen die Abdeckung 22 sitzt, münden Öffnungen 7 zum Abführen von
Kühlfluid. Der Bereich zwischen den Rippen 21, der nicht von Abdeckungen 22 zur Bildung
von Ableitkanälen überdeckt ist, enthält kreisförmige Öffnungen 6 zum Zuführen von
Kühlfluid. Um die Zuführung von Kühlfluid möglichst flächendeckend und gleichmäßig
verteilt durchzuführen, dabei aber die Ableitkanäle groß genug zu halten, sind die
Rippen 21 an ihrer Basis zum Überleiten auf die kreisförmigen Öffnungen 6 wellenartig
geformt. Auf diese Weise kann zwischen den Ableitkanälen eintretendes Kühlfluid in
einem weiten Flächenbereich, duschenartig in den nicht gezeigten Zwischenraum zwischen
der Außenwandung 1 und einer Innenwandung eindringen.
[0021] Auch diese gezeigte Ausführungsform ermöglicht eine in radialer Richtung der Brennkammer
verringerte Dimensionierung der Außenwandung, sie bietet zudem den Vorteil einer einfachen
Herstellbarkeit der Außenwandung, da diese als einschaliges Gussteil mit Rippen gefertigt
wird und auf die Rippen die Abdeckungen aufgeschweißt werden.
[0022] Die gezeigten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung und sind nicht
beschränkend.
1. Geschlossen gekühle Brennkammer für eine Turbine mit einer den Brennraum begrenzenden
Innenwandung und einer Außenwandung (1), wobei zwischen der Innenwandung und der Außenwandung
(1) ein mit einem Kühlfluid durchströmbarer Zwischenraum belassen ist, mit einer in
den Zwischenraum mündenden Kühlfluidzuführung und einer Kühlfluidabführung zum Abführen
des Kühlfluids aus dem Zwischenraum, wobei die Kühlfluidabführung im wesentlichen
entlang der axialen Ausrichtung der Brennkammer verlaufende, kanalartige Ableitstrukturen
(8; 21, 22) aufweist, die durch zwischen den Ableitstrukturen (8; 21, 22) angeordnete
Einlassstrukturen (4; 6) der Kühlfluidzuführung unterbrochen sind.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, dass die Außenwandung (1) als doppelschalige Hohlkachel ausgebildet ist und dass die Ableitstrukturen
(8) im Innern der Hohlkachel zwischen Wandungen von in axialer Richtung der Brennkammer
hintereinander gereihten, die Hohlkachel durchragenden Führungsrohren (4) zur Zuführung
von Kühlfluid ausgebildet sind, wobei die Führungsrohre (4) zumindest in der Außenschale
(2) der Hohlkachel einen in axialer Richtung der Brennkammer langgestreckten Öffnungsquerschnitt
(5) aufweisen.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekenn-zeichnet, dass die Führungsrohre (4) in den in axialer Richtung der Brennkammer angeordneten Reihen
zumindest in der Außenschale (2) der Hohlkachel mit ihren Schmalseiten einen geringeren
Abstand zueinander aufweisen als der Abstand der Öffnungen benachbarter Reihen.
4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrohre (4) in der Außenschale (2) der Hohlkachel einen Öffnungsquerschnitt
(5) mit langgestreckter Form und in der Innenschale (3) der Hohlkachel einen kreisförmigen
Öffnungsquerschnitt (6) aufweisen.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (2) der Hohlkachel ein lösbar befestigtes, vorzugsweise aufgeschraubtes,
Dichtblech (11) aufweist, welches eine Öffnung (10) verschließt, durch die ein lösbar
befestigter, vorzugsweise verschraubter, Abschnitt der Innenschale zugänglich ist.
6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, dass die Ableitstrukturen durch auf der Außenwandung (1) gebildete, in axialer Richtung
der Brennkammer verlaufende Ableitkanäle (21, 22) gebildet sind, zwischen denen jeweils
die Einlassstrukturen (6) angeordnet sind.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekenn-zeichnet, dass in der Außenwandung (1) gebildete kreisförmige Ableitöffnungen (7) in die Ableitkanäle
(21, 22) münden.
8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitkanäle (21, 22) auf der Außenwandung (1) durch auf auf der Außenseite der
Außenwandung (1) ausgebildete, in axialer Richtung der Brennkammer verlaufende Rippen
(21) aufgesetzte Abdeckungen (22) gebildet sind.
9. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekenn-zeichnet, dass die Rippen (21) an ihrer Basis (24) Strukturen zum Überblenden von kreisförmigen
Öffnungen (6) auf einen linearen Kanal aufweisen.
10. Brennkammer nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwandung (1) als einschaliges Gussstück gebildet ist und dass die Abdeckungen
(22) auf den Rippen (21) verschweißt sind.