Brennkammerkopf für eine Gasturbine

Abstract

 Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf für eine Gasturbine, mit zumindest einer Brennkammerwand 2, 3, einer Grundplatte 1, zumindest einem Hitzeschild 4, zumindest einer Manschette 5 und einer Abdeckung 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte 1 einstückig mit der äußeren 2 und der inneren 3 Brennkammerwand ausgebildet ist, dass das Hitzeschild 4 von der stromabwärtigen Seite der Grundplatte 1 an dieser gelagert ist, dass die Manschette 5 von der stromaufwärtigen Seite an der Grundplatte 1 montiert ist und dass die Abdeckung 6 lösbar an der Grundplatte 1 befestigt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, mit zumindest einer Brennkammer, einer Brennkammerwand, einer Grundplatte, zumindest einem Hitzeschild, zumindest einer Manschette und einer Abdeckung.

[0002] Der Stand der Technik zeigt unterschiedliche Ausgestaltungsformen von Konstruktionen für Brennkammerköpfe. Diese sind beispielsweise als einteilige Ringbrennkammern aus mehreren, nicht lösbar miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt. Die Hauptbauteile sind dabei die innere und die äußere Brennkammerwand sowie der Brennkammerkopf. Dieser wird als Einzelteil, beispielsweise mittels eines Gießverfahrens oder auch aus einzelnen Bauelementen wie Blechen, Drehteilen usw. hergestellt.

[0003] Bekannte Brennkammerköpfe sind beispielsweise aus EP 841 520 A2, US 5,524,430, EP 927 854 A2, US 5,289,687 oder US 5,331,815 vorbekannt.

[0004] Zusätzlich zu den einstückig ausgebildeten Brennkammerköpfen ist es auch bekannt, einzelne Bauelemente mittels Bolzenverbindungen oder Ähnlichem miteinander zu montieren.

[0005] Insgesamt zeichnen sich die vorbekannten Konstruktionen dadurch aus, dass die Montage sehr aufwendig ist. Insbesondere die Montage des Hitzeschildes zusammen mit den Manschetten an der Grundplatte gestaltet sich bei einigen der bekannten Konstruktionen als schwierig, da diese Montagevorgänge von dem Brennkammeraustritt her durchgeführt werden müssen. Es erhöhen sich somit die Montagekosten ganz erheblich.

[0006] Zusätzlich weisen die bekannte Brennkammerköpfe Problemzonen hinsichtlich der Zuführung von Kühlluft auf, da die einzelnen Komponenten in Teilbereichen die Zuführung von Kühlluft zu dem Hitzeschild blockieren können.

[0007] Bei der aus der EP 841 520 A2 bekannten Konstruktion bilden die Manschette und das Hitzeschild eine Einheit und werden zusammen vom Brennkammeraustritt auf der Grundplatte montiert. Bei dieser Konstruktion kann sich die dem Brennraum zugewandte Fläche der Manschette sehr stark erwärmen, ohne dass eine effektive Möglichkeit der Kühlung besteht.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennkammerkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau einfach und kostengünstig herstellbar und montierbar ist und eine gute Kühlung des Hitzeschildes ermöglicht.

[0009] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0010] Der erfindungsgemäße Brennkammerkopf zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.

[0011] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Hitzeschild von der stromabwärtigen Seite aus an der Grundplatte montiert wird, während alle anderen Bauelemente von der stromaufwärtigen Seite der Grundplatte eingebaut werden können. Diese Art der Montage ist weitaus einfacher, da es nicht erforderlich ist, Bolzenverbindungen oder Ähnliches vom Brennraum aus anzubringen und zu befestigen. Durch die abnehmbare Abdeckung ergibt sich ein freier, ungestörter Zugang zu den Montagebereichen. Da die Abdeckung als zusätzliches, demontierbares, unabhängiges Bauteil gefertigt ist, kann der gesamte Zusammenbau des Brennkammerkopfes in problemloser Weise erfolgen. Es ist auch nicht erforderlich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, in der Abdeckung Montageausnehmungen oder Ähnliches vorzusehen. Vielmehr ist erfindungsgemäß die stromaufwärtige Seite der Grundplatte ungehindert frei zugänglich.

[0012] Erfindungsgemäß erweist es sich als besonders günstig, dass die Manschetten von der stromaufwärtigen Seite der Grundplatte zugeführt werden. Hierdurch wird auch die Gleit- und Dichtfläche von der Grundplatte selbst weg verlegbar, sodass Kühlluft nun auch die Innenbereiche des Hitzeschildes ungehindert erreichen kann. Hierdurch ergibt sich eine effektivere und verbesserte Kühlung.

[0013] In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hitzeschild Stehbolzen aufweist, welche durch Ausnehmung der Grundplatte durchführbar sind. Es kann somit darauf verzichtet werden, separate Bolzen oder Ähnliches zu handhaben. Weiterhin bieten die an dem Hitzeschild befestigten Stehbolzen ein hohes Maß an Betriebssicherheit, da nicht die Gefahr besteht, dass sich lösende Teile während des Betriebs in den Brennraum gelangen können.

[0014] Die Befestigung der Manschette erfolgt erfindungsgemäß bevorzugterweise mittels Halteelementen an der Grundplatte. Diese Halteelemente können in günstiger Weiterbildung der Erfindung an den Stehbolzen des Hitzeschildes befestigt sein. Zusätzliche Bolzen oder Schraubenverbindungen können somit gänzlich entfallen. Der gesamte Aufbau der Vorrichtung vereinfacht sich ganz erheblich.

[0015] Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedes Halteelement zwei benachbarte Manschetten haltert. Hierdurch ist es möglich, die Halteelemente kleiner auszubilden, da diese jeweils nur einen Teilbereich der Manschette umschließen müssen. Auch dies führt zu einer verbesserten Kühlluftzufuhr.

[0016] Um die Abdeckung auf möglichst einfache Weise befestigen zu können, ist vorgesehen, dass an den Halteelementen zumindest ein Stehbolzen zur Befestigung der Abdeckung angeordnet ist. Dies kann somit in einfachster Weise auf die Stehbolzen aufgesteckt und von außen verschraubt werden.

[0017] Zur Halterung und Positionierung der Abdeckung ist besonders günstig, wenn der Rand der Abdeckung in einer Nut der Grundplatte geführt ist. Die Abdeckung wird durch diese Konstruktion sicher gehalten und zentriert. Die Nut ist weiterhin im Falle eines Vogelschlages zur Unterstützung der Abdeckung gedacht. In diesem Fall kann das recht einfach gestaltete Blechteil nicht einfach ausknicken, es muss viel mehr Energie in Verformungsarbeit umgesetzt werden, welches den Umformgrad reduziert und somit einer weiteren Funktion des Brennkammerkopfes für die verbleibende Betriebszeit sicherstellt.

[0018] Erfindungsgemäß ist die Grundplatte, wie auch aus dem Stand der Technik bekannt, mit einer Vielzahl von Kühlluft-Öffnungen versehen.

[0019] Um die Kühlung des Hitzeschildes zu verbessern, kann es günstig sein, wenn dieses einen stromaufwärts gerichteten, durch eine Ausnehmung der Grundplatte durchführbaren Rand aufweist, gegen welchen ein Kragen der Manschette anliegt. Die Höhe des Randes wird so gewählt, dass der Rand im eingebauten Zustand ausreichend weit über die stromaufliegende Seite der Grundplatte hinausragt und somit der Kühlluft freien Zutritt bis zum Zentralbereich des Hitzeschildes ermöglicht, auch wenn der Kragen der Manschette auf dem zylindrischen Rand aufliegt.

[0020] Die erfindungsgemäße vorgeschlagene Konstruktion gestattet zwischen der äußeren Wand des zylindrischen Randes der Manschette und der inneren Wand des Randes des Hitzeschildes eine definierte Lücke zu belassen, die eine radiale und umfangsmäßige Verschiebung einer Kraftstoffdüse und des Brennkammerkopfes zueinander zulässt. Der Kragen der Manschette ist um den maximal möglichen Betrag der Verschiebung größer als der äußere Durchmesser des Randes des Hitzeschildes breit ist, um auch bei der maximal möglichen Verschiebung der Manschette den Raum vor der Grundplatte gegen die Brennkammer hinsichtlich unbeabsichtigter Leckageluft abzudichten. Es ergeben sich somit sehr vorteilhafte Montage- und Betriebsbedingungen.

[0021] Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, dass entsprechende Spalten zwischen der Manschette und den Halteelementen ein ausreichendes Spiel erlauben, das für den thermischen Ausgleich nötig ist. Andererseits ist aber sichergestellt, dass die Manschette ihre Position nicht verlassen kann. Die Manschette wird durch den linken beziehungsweise rechten Teil der benachbarten Halteelemente sicher und ausreichend positioniert. Dies bedeutet, dass jedes Halteelement zwei benachbarte Manschetten sichert. Das Halteelement selber wird, wie bereits erwähnt, auf die Stehbolzen des Hitzeschildes aufgesteckt und mit entsprechenden Muttern an der Grundplatte befestigt. Das Halteelement kann erfindungsgemäß somit so ausgestaltet sein, dass es, wie bereits erwähnt, zusätzlich auch als Halterung für die Abdeckung dient.

[0022] Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion können die einzelnen Bauteile unabhängig voneinander gefertigt und in sicherer Weise montiert werden. Somit ergibt sich auch hinsichtlich der auszuwählenden Herstellungsverfahren sowie der gewünschten Materialien ein hohes Maß an Flexibilität.

[0023] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine Ausgestaltung des Brennkammerkopfes nach dem Stand der Technik,

Fig. 2

eine vereinfachte Seiten-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Brennkammer mit dem erfindungsgemäßen Brennkammerkopf,

Fig. 3

eine vergrößerte Teil-Ansicht des in Fig. 2 gezeigten Brennkammerkopfes,

Fig. 4

eine Schnittansicht längs der Linie A-A von Fig. 3,

Fig. 5

eine perspektivische Teil-Darstellung des stromaufwärtigen Bereichs der Grundplatte mit Manschette und Halteelementen, und

Fig. 6

eine vereinfachte Seiten-Schnittansicht durch die Grundplatte und das Hitzeschild, wobei die Befestigung des Hitzeschildes mittels der Stehbolzen gezeigt ist.

[0024] Die Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltungsform, bei welcher eine äußere Brennkammerwand 2 und eine innere Brennkammerwand 3 einstückig mit einer Grundplatte 1 (metering panel) ausgebildet sind. Weiterhin ist einstückig eine Abdeckung 6 (cowling) mit der Grundplatte 1 ausgebildet. Ein Hitzeschild 4 ist mittels im Einzelnen nicht dargestellter Bolzen mit der Grundplatte verschraubt. Das Hitzeschild 4 hält zugleich eine Manschette 5 (sleeve). Ein Kragen 16 der Manschette 5 wird dabei unter Zwischenlegung einer Distanzscheibe 17 gegen die Grundplatte 1 vorgespannt. In die Manschette 5 ist ein Brenner 15 eingesetzt.

[0025] Es ergibt sich, dass die Montage eines derartigen Brennkammerkopfes aufwendig und schwierig ist. Die Abdeckung 6 muss ausreichende Montageöffnungen (nicht gezeigt) haben, um die Schraubenverbindungen realisieren zu können. Weiterhin wird die Lage der Manschette 5 beziehungsweise des Hitzeschildes 4 relativ zu der Grundplatte 1 einjustiert. Dabei wird das Hitzeschild 4 von einer Scheibe 18 positioniert.

[0026] Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 2 bis 5 beschrieben.

[0027] Die Fig. 2 zeigt eine schematische Seiten-Ansicht - im Schnitt - einer vereinfacht dargestellten Ringbrennkammer mit einer äußeren Brennkammerwand 2 und einer inneren Brennkammerwand 3. Einstückig mit den Brennkammerwänden 2 und 3 ist eine Grundplatte 1 ausgebildet, die entsprechende Ausnehmungen aufweist, durch welche zylindrische Ränder 13 eines Hitzeschildes 4 durchführbar sind (s. Fig. 3 und 4).

[0028] Wie sich insbesondere aus der Darstellung der Fig. 3 und 4 ergibt, erstreckt sich der Rand 13 des Hitzeschildes 4 in Axialrichtung stromaufwärts. Eine Manschette 5 mit einem kreisringförmigen Kragen 14 liegt auf dem Rand 13 des Hitzeschildes 4 an. Der Kragen 14 ist, wie bereits erwähnt, in ihrem Durchmesser so ausgebildet, dass sie eine seitliche Verschiebung der Manschette 5 relativ zu der Grundplatte 1 beziehungsweise dem Hitzeschild 4 ermöglicht, ohne dass die Gefahr einer Kühlluft-Leckage besteht.

[0029] Wie insbesondere aus Fig. 5 ersichtlich, weist das Hitzeschild 4 mehrere Stehbolzen 7 auf (von denen in Fig. 5 nur einige zur Verdeutlichung der Darstellung gezeigt sind). Die Stehbolzen 7 durchgreifen Ausnehmungen der Grundplatte 1 sowie der Basisbereiche von Halteelementen 8, sodass eine gemeinsame Verschraubung der Halteelemente 8 und des Hitzeschildes 4 an der Grundplatte 1 erfolgt.

[0030] Die Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht, ähnlich der Fig. 4, wobei jedoch die Schnittebene durch zumindest einen der Stehbolzen 7 des Hitzeschildes 4 gelegt ist, um die Verschraubung des Hitzeschildes 4 mittels des Stehbolzen 7 an der Grundplatte 1 unter Zwischenlegung des Haltelements 8 zu verdeutlichen.

[0031] An ihrem zentrischen Bereich haben die Halteelemente 8 jeweils einen Stehbolzen 9, der, wie in Fig. 4 gezeigt, zur Befestigung der Abdeckung 6 dient.

[0032] An der Grundplatte 1 sind ringförmige Nuten 11 ausgebildet (s. Fig. 5), in welche jeweils ein Rand 10 der Abdeckung 6 einsetzbar ist (Fig. 3).

[0033] Wie sich aus der Darstellung der Fig. 4 ergibt, ist die Grundplatte in bekannter Weise mit einer Vielzahl von Kühlluftöffnungen 12 versehen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Konstruktion ergeben sich ausreichende Zwischenräume, um die Kühlluft zu dem Hitzeschild 4 zuzuführen.

[0034] Wie sich aus den Fig. ergibt, ist bei dem erfindungsgemäßen Brennkammerkopf vorgesehen, dass Kühlluft durch Ausnehmungen der Abdeckung 6 sowohl direkt durch die Kühlluftöffnungen 12 der Grundplatte 1 dem Hitzeschild 4 zugeführt wird, als auch im Bereich der Manschette 5 durch von dem Rand 13 des Hitzeschilds 4 und dem Kragen 14 der Manschette 5 unterhalb des Halteelements 8 gebildete Zwischenräume 19 über die Kühlluftöffnungen 12 der Grundplatte 1 dem Hitzeschild 4 zugeleitet wird.

[0035] Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion ermöglicht somit eine vereinfachte Montage der Manschetten durch die Möglichkeit der Demontage der Abdeckung. Des Weiteren kann die Kühlluft für das Hitzeschild bis dicht an die zentrale Bohrung im Hitzeschild herangeführt werden. Damit lassen sich alle Hitzeschildbereiche mit einer effizienten Kühlung beaufschlagen. Ferner wird eine Hitzeschildkonstruktion ermöglicht, bei der der zwischen dem Hitzeschild und der Grundplatte eingebrachte Luftmassenstrom die gesamte rückwärtige Hitzeschildfläche überstreichend nach außen geleitet werden kann, um dort anschließend noch als Starterfilm für die Brennkammerwände zu dienen. Die Vorteile liegen somit einerseits in einer vereinfachten Montage, die zu einer erheblichen Kostenersparnis führt, andererseits in einer besseren Kühlung des Hitzeschildes, durch welche sich eine gesteigerte Lebensdauer und die Möglichkeit der Kühllufteinsparung ergibt. Die im Vergleich zum Stand der Technik eingesparte Kühlluft kann beispielsweise in dem Verbrennungsprozess integriert werden, wodurch sich eine zusätzliche Schadstoffreduktion ergibt.

[0036] Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

[0037] Zusammenfassend ist Folgendes festzustellen:

[0038] Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf für eine Gasturbine, mit zumindest einer Brennkammerwand 2, 3, einer Grundplatte 1, zumindest einem Hitzeschild 4, zumindest einer Manschette 5 und einer Abdeckung 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte 1 einstückig mit der äußeren 2 und der inneren 3 Brennkammerwand ausgebildet ist, dass das Hitzeschild 4 von der stromabwärtigen Seite der Grundplatte 1 an dieser gelagert ist, dass die Manschette 5 von der stromaufwärtigen Seite an der Grundplatte 1 montiert ist und dass die Abdeckung 6 lösbar an der Grundplatte 1 befestigt ist.

Bezugszeichenliste

[0039] 

1

Grundplatte

2

äußere Brennkammerwand

3

innere Brennkammer

4

Hitzeschild

5

Manschette

6

Abdeckung

7

Stehbolzen 4

8

Halteelement

9

Stehbolzen 8

10

Rand 6

11

Nut 1

12

Kühlluftöffnung 1

13

Rand 4

14

Kragen 5

15

Brenner

16

Kragen

17

Distanzscheibe

18

Scheibe

19

Zwischenraum

Ansprüche

1. Brennkammerkopf für eine Gasturbine, mit zumindest einer Brennkammerwand (2, 3), einer Grundplatte (1), zumindest einem Hitzeschild (4), zumindest einer Manschette (5) und einer Abdeckung (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) einstückig mit der äußeren (2) und der inneren (3) Brennkammerwand ausgebildet ist, dass das Hitzeschild (4) von der stromabwärtigen Seite der Grundplatte (1) an dieser gelagert ist, dass die Manschette (5) von der stromaufwärtigen Seite an der Grundplatte (1) montiert ist und dass die Abdeckung (6) lösbar an der Grundplatte (1) befestigt ist.

2. Brennkammerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschild (4) Stehbolzen (7) aufweist, welche durch Ausnehmungen der Grundplatte (1) durchführbar sind.

3. Brennkammerkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (5) mittels Halteelementen (8) an der Grundplatte (1) befestigt ist.

4. Brennkammerkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (8) an den Stehbolzen (7) des Hitzeschilds (4) befestigt sind.

5. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement (8) zwei benachbarte Manschetten (5) haltert.

6. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Halteelement (8) zumindest ein Stehbolzen (9) zur Befestigung der Abdeckung (6) angeordnet ist.

7. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (10) der Abdeckung (6) in einer Nut (11) der Grundplatte (1) geführt ist.

8. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) mit Kühlluftöffnungen (12) versehen ist.

9. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschild (4) einen stromaufwärts gerichteten, durch eine Ausnehmung der Grundplatte (1) durchführbaren Rand (13) aufweist, gegen welchen ein Kragen (14) der Manschette (5) anliegt.

10. Brennkammerkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Randes (13) so dimensioniert ist, dass ausreichende Kühlluftdurchtrittsräume zur Kühlung des Hitzeschildes (4) ausgebildet werden.

11. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlluft durch Ausnehmungen der Abdekkung (6) sowohl direkt durch die Kühlluftöffnungen (12) der Grundplatte (1) dem Hitzeschild (4) zugeführt wird, als auch im Bereich der Manschette (5) durch von dem Rand (13) des Hitzeschilds (4) und dem Kragen (14) der Manschette (5) unterhalb des Halteelements (8) gebildete Zwischenräume (19) über die Kühlluftöffnungen (12) der Grundplatte (1) dem Hitzeschild (4) zugeleitet wird und im weiteren Verlauf als Kühlluftstarterfilm zur weiteren Kühlung der Brennkammerwand (3) dient.

Zeichnung