Brennkammeranordnung

Abstract

 Um eine Brennkammeranordnung (1) für Gasturbinen mit einer Vielzahl von in einen gemeinsamen, in einen Turbinenraum (9) überleitenden Ringspalt (10) mündenden, einen Eingangsabschnitt (3) und einen Übergangsbereich (4) aufweisenden Einzelbrennkammern (2), bei der den Eingangsabschnitten (3) der Brennkammeranordnung (2) jeweils Brenner (6) vorgeschaltet sind, dahingehend weiterzubilden, daß ein verringerter Bedarf an offener Kühlung und damit ein geringerer Verlust von für die Verbrennung erforderlichem Kaltgas möglich ist, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß Eingangsabschnitte (3) und Übergangsbereiche (4) der Einzelbrennkammern (2) fest miteinander verbundene Einheiten bilden, die in der Gasturbine relativ beweglich zu dem Brenner (6) und/oder dem Ringspalt (10) aufgehängt sind. Eine neuartige Gasturbine mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammeranordnung ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung für Gasturbinen mit einer Vielzahl von in einem gemeinsamen, in einen Turbinenraum überleitenden Ringspalt mündenden, einen Eingangsabschnitt und einen Übergangsbereich aufweisenden Einzelbrennkammern, wobei dem Eingangsabschnitt der Einzelbrennkammern jeweils Brenner vorgeschaltet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbine mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammeranordnung.

[0002] Unter den verschiedenen für Gasturbinen bekannten Brennkammerkonzepten wird derzeit vielfach eine aus mehreren Einzelbrennkammern aufgebaute Brennkammeranordnung verwendet. Hierbei findet die Verbrennung eines Luft-Treibstoff-Gemisches gezündet durch einen Brenner in jeder der Einzelbrennkammern getrennt statt. Die Einzelbrennkammern sind dazu zweiteilig aufgebaut, sie weisen einen Eingangsabschnitt und einen Übergangsbereich auf. Der Eingangsabschnitt, der direkt dem Brenner nachgeschaltet ist, dient zur Initiierung der Verbrennung und ist unter verbrennungstechnischen Gesichtspunkten konstruiert. Dabei weist der Eingangsabschnitt üblicherweise eine kreiszylindrische Form auf. An den Eingangsabschnitt schließt sich in Strömungsrichtung nachgeschaltet ein Übergangsbereich an, in welchem die kreiszylindrische Form des Eingangsabschnittes der Einzelbrennkammern zu einem Kreisringsegment überblendet wird, welches schließlich in einen Ringspalt mündet.

[0003] Der Ringspalt besitzt einen Übergang zu einer der Brennkammeranordnung strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenkammer, in welcher die expandierenden Heißgase auf eine Anordnung aus Leitschaufeln und Laufschaufeln treffen. Dort übertragen die Heißgase kinetische Energie auf die Laufschaufeln und tragen über diese die Turbinenwelle an.

[0004] Ein derartiger Aufbau der Brennkammeranordnung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da damit die Verbrennung bezüglich des Ringraumes segmentweise entkoppelt und so gezielt gesteuert werden kann. Darüber hinaus läßt sich über eine Aufteilung der Verbrennung in einzelne Kreisringsegmente die Lärmentwicklung der Turbine merklich reduzieren.

[0005] Bei bekannten Brennkammeranordnungen der eingangs genannten Art ist der Eingangsabschnitt der Einzelbrennkammern jeweils an einer äußeren Gehäuseschale bzw. am Brenner, der Übergangsbereich am Leitschaufelträger des Turbinenraums festgelegt. Da aufgrund von unterschiedlicher Materialien bzw. unterschiedlicher Aufheizung die äußere Gehäuseschale, an der der Eingangsabschnitt festgelegt ist, und der Leitschaufelträger unterschiedliche thermische Ausdehnungen erfahren, ergeben sich dadurch bedingte Relativbewegungen zwischen den genannten Teilen und damit auch zwischen den an ihnen festgelegten Eingangsabschnitten und Übergangsbereichen der Einzelbrennkammern. Um diese abzufangen, wird bei bekannten Brennkammeranordnungen die Einzelbrennkammer zweiteilig aufgebaut, mit separaten Eingangsabschnitten und Übergangsbereichen. Zum Ausgleich der Relativbewegungen sind zwischen den genannten Bauteilen sogenannte Springclip-Verbindungen angeordnet, die eine Relativverschiebung zwischen den Bauteilen ermöglichen und durch Anordnung einer Feder die genannten Elemente in eine Normalstellung relativ zueinander zurückzwingen. Das Vorsehen einer derartigen Federung im Heißbereich der Verbindung zwischen Eingangsabschnitt und Übergangsbereich erfordert eine zusätzliche Kühlung, die aufgrund des zwischen den Bauteilen verbleibenden Spalt als offene Kühlung ausgebildet sein muß.

[0006] Dies bedeutet einen Verlust der zur Verbrennung verfügbaren Luft. Der Kühlbedarf für den Verbindungsbereich zwischen den Eingangsabschnitten und Übergangsbereichen der Einzelbrennkammern liegt dabei im Bereich von etwa 1 bis 2 % des Gesamtmassenstroms. Einerseits hinsichtlich einer allgemeinen effizienten Verbrennung und insbesondere im Hinblick auf die Verringerung des Stickoxyd-(NOX)Ausstoßes der Turbine fehlt dieser zur Kühlung der Verbindungsbereiche aufgewendete Anteil des Gasstroms. Zudem besteht ein negativer Einfluß auf den Gasturbinenwirkungsgrad.

[0007] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammeranordnung zu schaffen, bei der ein verringerter Bedarf an offener Kühlung und damit ein geringerer Verlust von für die Verbrennung erforderlichen Kaltgas möglich ist.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß Eingangsabschnitte und Übergangsbereiche der Einzelbrennkammern fest miteinander verbundene Einheiten bilden, die in der Gasturbine relativ beweglich zu dem Brenner und/oder dem Ringspalt aufgehängt sind.

[0009] Dadurch, daß die Einzelbrennkammern mit fest miteinander verbundenen Eingangsabschnitten und Übergangsbereichen ausgeführt werden, entfällt der für Verbindungskonstruktionen aus dem Stand der Technik erforderliche Kühlbedarf im Verbindungsbereich zwischen den genannten Elementen, die eingesparte Kühlluft kann der Verbrennung zugeführt werden. Dies erhöht die Effizienz der Verbrennung und trägt insbesondere zur Reduzierung der bei unvollständiger Verbrennung entstehenden Stickoxyde (NOX) bei.

[0010] Die wegen der thermisch induzierten Relativbewegungen zwischen den Turbinenelementen, an denen die Eingangsabschnitte bzw. Übergangsbereiche festgelegt sind, erforderlichen beweglich ausgeführten Aufhängungen der Einzelbrennkammern können in Abschnitte mit geringeren Kühlanforderungen verlegt werden. Insbesondere können Relativbewegungen im Übergang zwischen Brenner und Eingangsabschnitt abgefangen werden. Hierzu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zwischen Brenner und Eingangsabschnitt angeordnete Schiebeflächen zum axialen und radialen Bewegungsausgleich vor. Falls erforderlich, kann in diesem Bereich auch eine Federung zur Festlegung einer Normalposition zwischen Einzelbrennkammer und Brenner vorgesehen sein. Eine solche Federung befindet sich dann im Bereich des Kaltgasstroms und kann ohne Leckage in den Heißgasstrom gekühlt werden. Die zur Kühlung der Federung verwendete Kühlluft steht somit voll umfänglich für die Verbrennung zur Verfügung, ohne die im Stand der Technik vorherrschenden Leckageverluste. Zur Abdichtung des Übergangs zwischen Brenner und Eingangsabschnitt kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein axial verschiebbares Dichtblech zwischen Eingangsabschnitt und Brenner angeordnet sein. Aufgrund der auf eine axiale Bewegung beschränkten Relativverschiebung zwischen Eingangsabschnitt und Brenner sind die dort entstehenden Leckagen aus dem Kaltgasstrom in den Heißgasstrom geringer, und ein Teil des an dieser Stelle durchtretenden Kaltgases kann aufgrund der Nähe zum Brenner noch für die Verbrennung genutzt werden. Der effektive Verlust von Kaltgas, der einer Verbrennung nicht zugeführt wird, ist somit deutlich geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.

[0011] Um neben rein axialen Relativbewegungen auch in Winkeln zu der Achse der Einzelbrennkammern auftretende Relativbewegungen auszugleichen, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Aufhängung des Übergangsbereiches an einem Turbinenelement, insbesondere an einem Leitschaufelträger, gelenkig verschiebbar auszubilden. Von der rein axialen Richtung der Brennkammer abweichende Relativbewegungen zwischen den äußeren und den inneren Turbinenelementen können somit an dieser Stelle ausgeglichen werden, ohne daß Spannungen auf die Einzelbrennkammern ausgeübt werden. Eine derartige gelenkige Aufhängung erfordert dabei allerdings keinen merklich höheren Kühlaufwand, so daß zusätzliche Kaltgasverluste an dieser Stelle im wesentlichen nicht entstehen.

[0012] Die Verbindung zwischen Eingangsabschnitten und Übergangsbereichen kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch eine Verschweißung geschaffen sein, die Einzelbrennkammern können jedoch auch als solche insgesamt einstückig gefertigt werden. Darüber hinaus sind weitere Formen fester Verbindungen zwischen den Eingangsabschnitten und den Übergangsbereichen der Einzelbrennkammern denkbar, die dem in der Brennkammeranordnung auftretenden hohen thermischen Belastungen Stand halten.

[0013] Gemäß weiterer vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung sind die Einzelbrennkammern kreiszylindrisch ausgebildet, und die Übergangsbereiche sind so geformt, daß sie von einem Kreisdurchmesser kontinuierlich zu einem Kreisringsektor überblenden. So hat der Eingangsabschnitt eine für eine effiziente Verbrennung günstige Form und in den Übergangsbereichen wird der Gasstrom im wesentlichen druckverlustfrei aus einer kreisförmigen Querschnittsfläche in ein Kreisringsegment übergeblendet, welche Kreisringsegmente schließlich in einen Ringspalt als Übergang in den Turbinenraum münden. So tritt in den Turbinenraum ein gleichmäßiger, kreisringförmiger Gasstrom ein und bildet so eine gute Basis für eine effiziente Nutzung der in dem Heißgasstrom enthaltenen kinetischen Energie.

[0014] Gegenstand der Erfindung ist neben der geschilderten Brennkammeranordnung auch eine Gasturbine, welche eine oben geschilderte Brennkammeranordnung enthält.

[0015] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Schilderung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1

eine geschnittene Ansicht eines Abschnittes einer Gasturbine mit einer erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung und

Figur 2

in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung.

[0016] In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0017] Figur 1 zeigt in geschnittener Darstellung einen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammeranordnung 1. Die Brennkammeranordnung 1 setzt sich aus einer Vielzahl von Einzelbrennkammern 2 (eine gezeigt) zusammen. Jede der Einzelbrennkammern 2 untergliedert sich in einen Eingangsabschnitt 3 und einen Übergangsbereich 4. Eingangsabschnitt 3 und Übergangsbereich 4 sind entlang eines Verbindungsbereichs 5 fest miteinander verbunden. Eingangsseitig des Eingangsabschnittes 3 ist ein Brenner 6 aufgesetzt, welcher fest mit einer Außenschale des Turbinengehäuses verbunden ist und den Eingangsabschnitt 3 der Einzelbrennkammer 2 über Schiebeflächen 7 axial beweglich aufnimmt. Im brennerseitigen Endbereich weist der Eingangsabschnitt 3 der Einzelbrennkammer 2 ein axiales Dichtungsblech 8 auf zur Abdichtung der Verbindung Brenner 6 - Eingangsabschnitt 3.

[0018] Strömungstechnisch dem Übergangsbereich 4 nachgeschaltet ist ein Turbinenraum 9, in den der durch die Verbrennung in der Einzelbrennkammer 2 erzeugte Heißgasstrom über einen Ringspalt 10, in dem die Übergangsbereiche 4 der Einzelbrennkammern 2 münden, übergeht. Die Übergangsbereiche 4 der Einzelbrennkammern 2 sind über gelenkige Verbindungen 11 mit einem Leitschaufelträger 12 des Turbinenraums 9 verbunden. Über diese Verbindung können winklig zu der axialen Richtung der Einzelbrennkammern 2 auftretende Relativbewegungen zwischen den am Außengehäuse fest angeordneten Brenner 6 und dem Leitschaufelträger 12, an dem der Übergangsbereich 4 angeordnet ist, ausgeglichen werden.

[0019] Durch die beispielsweise mittels einer Schweißung fest ausgeführte Verbindung 5 zwischen Eingangsabschnitt 3 und Übergangsbereich 4 der Einzelbrennkammern 2 entfällt das Erfordernis, die für Brennkammeranordnungen aus dem Stand der Technik notwendige zusätzliche Kühlung in diesem Bereich vorzunehmen. Der Ausgleich von zwischen der äußeren Gehäuseschale und den Leitschaufelträger 12 auftretenden, thermisch induzierten Relativbewegungen wird erfindungsgemäß nicht wie im Stand der Technik vorgesehen in dem Verbindungsbereich 5 zwischen Eingangsabschnitt 3 und Übergangsbereich 4 der Einzelbrennkammern 2 vorgenommen, sondern wird auf die Endaufhängungen der Einzelbrennkammern 2 verlagert. Die gelenkige Befestigung 11 des Übergangsbereiches 4 am Leitschaufelträger 12 kommt im wesentlichen ohne zusätzliche Kühlung aus, die axial verschiebbare Festlegung des Eingangsabschnittes 3 am Brenner 6 mit den Schiebeflächen 7 und dem axialen Dichtungsblech 8 kann so ausgestaltet werden, daß auch bei Anordnung einer Federung diese im Kaltgasstrom liegt und keine oder nur eine geringe zusätzliche (offene) Kühlung an dieser Stelle erforderlich ist. Darüber hinaus liegt die Verbindungsstelle zwischen Brenner 6 und Eingangsabschnitt 3 so nah an der Verbrennungszone, daß dort eintretendes Kaltgas noch mitverbrannt wird und somit zur Erhöhung der Verbrennungseffizienz und zur Reduzierung der Stickoxydemmission verwendet werden kann.

[0020] In Figur 2 ist in perspektivischer Darstellung ein Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung 1 dargestellt. Gut zu erkennen sind auch hier die Einzelbrennkammern 2, welche ringförmig und unter einem Winkel zur Maschinenachse angeordnet sind. Ebenfalls gut zu erkennen sind Eingangsabschnitte 3 und Übergangsbereiche 4 der Einzelbrennkammern 2 sowie die Verbindungsbereiche 5. In dieser Darstellung besonders gut zu erkennen sind die kreisringsegmentförmigen Austrittsöffnungen 13 der Übergangsbereiche 4, aus denen der Heißgasstrom in einen zu dem Turbinenraum führenden Ringspalt übergeht. Wie ebenfalls in Fig. 2 zu erkennen, weisen die Eingangsabschnitte 3 der Einzelbrennkammern 2 eine zylindrische Gestalt mit kreisförmiger Grundfläche auf.

[0021] Durch die erfindungsgemäße feste Verbindung zwischen Eingangsabschnitt und Übergangsbereich der Einzelbrennkammern und die bewegbare Anordnung von Eingangsabschnitt und/oder Übergangsbereiche der Einzelbrennkammern an jeweiligen Turbinenelementen wird der zur Kühlung der aus dem Stand der Technik bekannten zweiteiligen Ausführungen der Einzelbrennkammern im Verbindungsbereich zwischen Eingangsabschnitt und Übergangsbereich erforderliche offene Kühlluftstrom eingespart und steht somit der Verbrennung zur Verfügung. Dies führt zu einer effizienten Verbrennung mit verringertem Ausstoß von Stickoxyden. Zudem können die erfindungsgemäßen Einzelbrennkammern verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten zweiteiligen Ausführungsformen kostengünstiger gefertigt werden, was die Produktionskosten insgesamt senkt.

Ansprüche

1. Brennkammeranordnung für Gasturbinen mit einer Vielzahl von in einem gemeinsamen, in einen Turbinenraum (9) überleitenden Ringspalt (10) mündenden, einen Eingangsabschnitt (3) und einen Übergangsbereich (4) aufweisenden Einzelbrennkammern (2), wobei den Eingangsabschnitten (3) der Einzelbrennkammern (2) jeweils Brenner (6) vorgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsabschnitte (3) und Übergangsbereiche (4) der Einzelbrennkammern (2) fest miteinander verbundene Einheiten bilden, die in der Gasturbine relativ beweglich zu dem Brenner (6) und/oder dem Ringspalt (10) aufgehängt sind.

2. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbrennkammern (2) im Bereich der Eingangsabschnitte (3) über Schiebeflächen (7) zum axialen Bewegungsausgleich beweglich an den Brennern (6) aufgehängt sind.

3. Brennkammeranordnung nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch eine im Bereich der Verbindung zwischen Brenner (6) und Eingangsabschnitt (3) angeordnete Federung.

4. Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
gekennzeichnet durch ein axial verschiebbares Dichtblech (8) zur Abdichtung zwischen den Brennern (6) und den Eingangsabschnitten (3) der Einzelbrennkammern (2).

5. Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (4) der Einzelbrennkammern (2) an einem Bauteil des Turbinenraumes (9) gelenkig aufgehängt sind.

6. Brennkammeranordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (4) der Einzelbrennkammern (2) am Leitschaufelträger (12) des Turbinenraumes (9) gelenkig aufgehängt sind.

7. Brennkammeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eingangsabschnitte (3) und Übergangsbereiche (4) der Einzelbrennkammern (2) jeweils in einem Verbindungsbereich (5) miteinander verschweißt sind.

8. Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbrennkammern (2) mit Eingangsabschnitten (3) und Übergangsbereichen (4) einstückig ausgebildet sind.

9. Brennkammeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsabschnitte (3) der Einzelbrennkammern(2) kreiszylindrisch ausgebildet sind.

10. Brennkammeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (4) der Einzelbrennkammern (2) den Querschnitt der Eingangsabschnitte (3) kontinuierlich zu einer kreisringsektorförmigen Austrittsöffnung (13) überblenden.

11. Gasturbine, gekennzeichnet durch eine Brennkammeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Zeichnung