Gasturbinenbrennkammer

Abstract

 Bei einer Gasturbinenbrennkammer, bei welcher zur Kühlung Kombinationen von konvektiven Wärmeübertragungsmechanismen verwendet werden, deren Grundprinzip die Wärmeabfuhr durch Strömung ist, ist der Übergang vom Konvektivkühlkanal (4) zum Plenum vor den Brennern (5) als Kleindiffusor (6) ausgebildet. Dadurch wird der Totaldruckverlust im Gesamtsystem vermindert, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer, bei welcher zur Kühlung Kombinationen von konvektiven Wärmeübertragungsmechanismen verwendet werden, deren Grundprinzip die Wärmeabfuhr durch Strömung ist.

Stand der Technik

[0002] Derartige Gasturbinenbrennkammern sind bekannt. Die zur Realisierung des o.g. Grundprinzips notwendige Kühlluftgeschwindigkeit wird dabei durch einen Druckabfall hervorgerufen. Auf Grund der Reibungseffekte in den Kühlkanälen wird grundsätzlich ein Teil der kinetischen Energie des Kühlmediums irreversibel in Wärme umgewandelt und dadurch der Totaldruck reduziert.

[0003] Für hohe Wärmeübertragungseigenschaften der Kühlluft sind grosse Geschwindigkeiten und damit überproportional hohe dynamische Drücke im Strömungskanal erforderlich.

[0004] Der Übergang vom Konvektivkühlkanal zum Plenum vor den Brennern erfolgte bisher durch unstetige Erweiterung des Strömungsquerschnittes. Der Nachteil an diesem Stand der Technik ist, dass damit ein fast vollständiger Verlust des dynamischen Druckes verbunden ist. Das führt zu einem entsprechenden prozesswirksamen Totaldruckverlust. Das schlägt sich in einer Reduzierung von Wirkungsgrad und Leistung der Gasturbinenanlage nieder.

Darstellung der Erfindung

[0005] Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenbrennkammer den Übergang vom Konvektivkühlkanal zum Plenum des Brenners so zu gestalten, dass der Totaldruckverlust im Gesamtsystem vermindert wird. Desweiteren liegt ihr noch die zusätzliche Aufgabe zugrunde, einen erweiterten Gestaltungsspielraum für konvektive Kühlmassnahmen der Brennkammerwände zu schaffen, so dass der Wirkungsgrad der Gasturbine im Vergleich zum Stand der Technik verbessert wird.

[0006] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Übergang vom Konvektivkühlkanal zum Plenum vor den Brennern als Kleindiffusor ausgebildet ist.

[0007] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem in der Reduzierung des bisher üblichen fast vollständigen dynamischen Druckverlustes zu sehen. Die erfindungsgemässe Gestaltung des Übergangs vom Konvektivkühlkanal zum Plenum vor den Brennern in Form eines Kleindiffusors führt gleichzeitig zu einem grösseren Gestaltungsspielraum für konvektive Kühlmassnahmen der Brennkammerwände und damit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbinenanlage.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0008] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch die Gasturbinenbrennkammer.

[0009] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0010] In Fig. 1 ist ein Teil der Gasturbinenbrennkammer dargestellt. Sie besteht aus dem äusseren Mantel 1, der die Druckkräfte aufzunehmen hat und dem inneren Mantel 2, der den heissen Verbrennungsgasen direkt ausgesetzt ist. Zwischen dem äusseren Mantel 1 und dem inneren Mantel 2 fliesst die Kühlluft, welche den inneren Mantel 2 auf der für die Festigkeit notwendigen Temperatur hält und geringfügig kühlt. Die Brennstoffdüse 3 zerstäubt den unter Druck stehenden Brennstoff.

[0011] Den Übergang vom Konvektivkühlkanal 4 zum Plenum vor dem umweltfreundlichen Brenner 5 bildet erfindungsgemäss der Kleindiffusor 6, welcher zur Verzögerung der Kühlluftströmung und zum Rückgewinn eines Teils des Druckes dient.

[0012] Mit der Forderung eines minimalen Rückgewinns von 50 % des dynamischen Druckes gibt eine einfache Überschlagsrechnung die geometrische Auslegung des Kleindiffusors 6 an.

[0013] In einem Ausführungsbeispiel hat der Kleindiffusor 6 eine Kanalhöhe von 10 mm am Ende der Kühlstrecke. Bei einem vorgegebenen Erweiterungsverhältnis von 1,6 ergibt sich aus den üblichen Diffusorauslegungsdiagrammen für optimalen Druckrückgewinn ein Öffnungswinkel von 4,3° und eine Länge von 40 mm. Diese Grössen sind in einer üblichen Brennkammerkonstruktion ohne weiteres zu realisieren.

[0014] Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Vergleich zum Stand der Technik der Totaldruckverlust im Gesamtsystem vermindert wird. Das führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage. Im erweiterten Raum sind keine Kühlmassnahmen erforderlich, da keine Wärmezufuhr durch die Verbrennung auftritt.

Bezugszeichenliste

[0015] 

1

äusserer Mantel

2

innerer Mantel

3

Brennstoffdüse

4

Konvektivkühlkanal

5

Brenner

6

Kleindiffusor

Ansprüche

1. Gasturbinenbrennkammer, bei welcher zur Kühlung Kombinationen von konvektiven Wärmeübertragungsmitteln angeordnet sind, deren Grundprinzip die Wärmeabfuhr durch Strömung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Konvektivkühlkanal (4) zum Plenum vor den Brennern (5) als Kleindiffusor (6) ausgebildet ist.

Zeichnung