Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer

Abstract

 Die Erfindung besieht auf eine Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennkamstergehäuse 2, 3 und mehreren in dem Brennkammergehäuse 2, 3 angeordneten, eine Brennkammerwand 10 bildenden Brennkamner segmenten, welche jeweils über axiale und/oder radiale Kühlungslöcher 16, 17 mit Kühlluft mit einer Filmkühlung beaufschlagt werden, wobei die Kühlungslöcher 16, 17 zueinander in Axialrichtung beabstandet sind und wobei in diesem Bereich Dämpfungsöffnungen 19a zur Einleitung von Kühlluft vorgesehen sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer.

[0002] Das UK-Patent GB 2 309 296 beschreibt einen zweischichtigen Wandaufbau einer mager-brennenden Gasturbinenbrennkammer mit einer akustisch dämpfenden Wirkung auf hochfrequence Brennkammerschwingungen (angegeben ist ein Frequenzband von 3 bis 9 kHz) bei gleichzeitiger Kühlung der Brennkammerwand. Beides wird durch die Bohrungen senkrecht durch die Wand erreicht. Die äußere/kalte Brennkammerwand erzeugt die Prallkühlstrahlen auf die innere/heiße Wand, die Bohrungen durch die innere/heiße Wand entlassen die Prallkühlluft in die Brennkammer und erzeugen die Dampfungswirkung.

[0003] Die EP 0 576 435 B1 beschreibt eine Brennkammer mit einem zweischichtigen, in Kammern unterteilten Wandaufbau, wobei alle Bohrungen im flachen Winkel zur Oberfläche angeordnet sind und daher auch keine Dämpfungswirkung erzeugt wird.

[0004] Als weiterer Stand der Technik werden die EP 0 971 172 A1 sowie die US 6,907,736 B2 genannt.

[0005] Zur Kühlung von Brennkammern stehen im einschichtigen Fall Filmkühlung mit Kühlringen und Effusionskühlung, sowie im mehrschichtigen Fall mit Stehbolzen montierte Schindeln (auf der Rückseite mit Stiften versehen oder prallgekühlt) bzw. verlötete oder verschweißte Blechkonstruktionen zur Verfügung (Transply, Lamilloy). Bei der konventionellen Filmkühlung, basierend auf Kühlring, wird die Kühlluft hierbei durch Bohrungen oder Schlitze in den Kühlringen bereitgestellt, welche mit oder ohne Umlenkung den Kühlfilm erzeugen. Diese Öffnungen können im Wesentlichen radial angebracht sein, um eine Zuführung der Kühlluft, basierend auf dem statischen Druck der Kühlluftzufuhr, zu verwirklichen, oder im wesentlichen axial, um eine Zuführung mittels des Totaldruckes der Luftzufuhr zu realisieren, oder durch beide Anordnungsmöglichkeiten gleichzeitig. Bei radialen Öffnungen wird eine Lippe am Kühlring verwendet, auf welchen die Luftstrahlen aufprallen und in axiale Richtung umgelenkt werden. Die axialen und radialen Öffnungen können in einer oder mehreren Reihen angeordnet sein. Bei mehreren Reihen von Öffnungen in axialer Richtung sind diese radial gestaffelt und die Lippe wird üblicherweise weggelassen.

[0006] Eine brauchbare Dämpfungswirkung kann nur durch Öffnungen, die im wesentlichen senkrecht durch die Brennkammerwand angebracht werden erreicht werden. Die beste Wirkung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen erzielen Dämpfer, die im Bereich der maximalen Wärmefreisetzung an die Brennkammer angebunden sind.

[0007] Eine wirkungsvolle Filmkühlung ist durch senkrechte Öffnungen nur sehr begrenzt möglich, wegen der mangelnden Kühlwirkung schranken die Autoren des oben genannten Patentes den Anwendungsbereich der Dämpfer auf den Teil der Brennkammer ein, der sich im Bereich der divergenten Flammenfront befindet und somit nicht einmal den Bereich der maximalen Wärmefreisetzung abdeckt. Zusätzlich geht eine Dämpfungswirkung im kHz-Bereich (angegeben sind 3 bis 9 kHz) an den Anforderungen der Magerverbrennung vorbei, da die ersten Umfangsmoden bei den allgemein üblichen Ringbrennkammern je nach Größe im Bereich von 200 bis 1000 kHz liegen.

[0008] Bei Effusions- oder Transpirationskühlung muss die gesamt Brennkammerwand Öffnungen enthalten, denn Bereiche ohne Kühlöffnungen wären ungekühlt. Auch bei der Prallkühlung muss die gesamte Rückseite der zur Kühlung vorgesehenen Fläche entsprechend zugänglich sein, was den Anbau von Dämpfern im Bereich hoher Wärmefreisetzung nicht gestatret.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammerwand der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Ausbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit sowohl eine gute Kühlung als auch eine gute Dämpfung aufweist.

[0010] Erfindungsgemaß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

[0011] Diese Dämpfer können einwandig durch die Anordnung von Öffnungen im wesentlichen (plus minus 30 grad zur Flächennormalen) senkrecht durch die Brennkammerwand zwischen den Kühlringen realisiert werden, wobei dann der Raum zwischen Brennkammer und Brennkammergehäuse als Dämpfervolumen wirkt.

[0012] Der Dämpfer kann auch als zweiwandige Konstruktionen ausgeführt werden, falls der Luftverbrauch der einwandigen Konstruktion als zu hoch empfunden wird. Hierbei wird auf die Außenseite der Brennkammer ein Dämpfervolumen durch ein weiteres Gehäuse abgetrennt, wobei die axiale Ausdehnung des Dämpfergehäuses durch den Abstand der Kühlringe beschränkt wird. Das Dämpfergehäuse kann auf beiden Seiten fest mit der Brennkammerwand verbunden sein (z.B. an Flanschen verschraubt oder geschweißt), oder nur auf einer Seite (am stromauf- oder stromabliegenden Ende), mit oder ohne zusätzliche Dichtung am Schiebesitz der beweglichen Trennstelle. Die Luftströmung durch den Dämpfer wird durch Bohrungen im Dämpfergehäuse eingestellt, welche Verdichteraustrittsluft auf den im Dämpfer gewünschten Druck drosseln. Das Dämpfervolumen steht mit der Heißgasströmung durch im wesentlichen senkrechten Dämpfungsöffnungen in Verbindung, durch welche die Luft langsam strömt.

[0013] Beim ein- wie auch beim zweiwandigen Dämpfer werden günstigerweise eine Vielzahl von Öffnungen in der Brennkammerwand im Bereich zwischen den Kühlringen in axialer und lateraler Richtung verteilt. Es kann vorteilhaft sein, unterschiedliche Abstände und Querschnittsflächen der Öffnungen am Umfang zu verwenden. Die Veränderung der Abstande und Querschnittsflächen der Öffnungen kann kontinuierlich oder sprunghaft erfolgen. Man kann bei regelmäßigem Abstand nur die Querschnittsfläche der Öffnungen verändern oder bei konstanter Querschnittsfläche den Abstand variieren, oder beides.

[0014] Die Öffnungen in der Brennkammerwand können zylindrische Bohrungen oder nicht-zylindrische Öffnungen sein. Die nichtzylindrischen Öffnungen können eine kontinuierliche (lineare oder nicht-lineare) Querschnittsveranderung enthalten oder eine sprunghafte, zum Beispiel von einem kleinen Durchmesser auf einen größeren Durchmesser oder umgekehrt. Auch muss der Querschnitt der Öffnungen selbst nicht rund sein. Er kann auch oval, rechteckig oder stern-, kleeblatt- bzw. blütenförmig sein.

[0015] Die Drosselbohrungen im Dämpfergehäuse sind in der Regel rund und ohne Querschnittsveränderung, können aber ebenfalls in Abstand und Durchmesser innerhalb des Bohrungsfeldes variieren.

[0016] Das Dämpfervolumen kann beim doppelwandigen Aufbau vollkommen leer sein und einen umlaufenden Raum bilden. Es kann durch Trennwände in axialer und/oder lateraler Richtung in Kammern mit drei oder mehr Ecken unterteilt sein oder das Dämpfergehäuse ist keine umlaufende Struktur, sondern erstreckt sich in Umfangsrichtung nur über einen bestimmten Abschnitt. Das umlaufende Volumen oder die einzelnen Kammern können alle oder teilweise mit einem luftdurchlässigen Material gefüllt sein. Das Material kann zum Beispiel ein Filz bzw. ein Gewebe aus Fasern von einem hitzfesten Material wie Metall. Glas oder Keramik oder ein offenporiger Schwamm aus Metall, Keramik oder einem anderen hitzefesten Material sein. Die Art und die Eigenschaften des Füllmaterials kann im gesamten Dämpfervolumen bzw. allen Kammern gleich sein oder variieren.

[0017] Zur Reduzierung der vom akustischen Dämpfer in beiden Varianten verbrauchten Luft kann man die Anwendung auf die nahe der maximalen Wärmefreisetzungszone oder mittig zwischen Brenner und Turbinenleitschaufel gelegenen Wandsegmente (Teil zwischen zwei Kühlringen) beschränken, da dort die Wirkung am größten ist. Die Dimensionierung des Dämpfers und somit das von ihm gedämpfte Frequenzband kann sich zwischen der inneren und der äußeren Brennkammerwand unterscheiden, ebenso zwischen stromauf und stromabgelegenen von Kühlringen begrenzten Abschnitten der Brennkammer und auch in Umfangsrichtung innerhalb eines Brennkammersegmentes.

[0018] Zur Erhöhung der Hitzbeständigkeit der Brennkammerwand kann diese statt aus Metall auch aus Keramik oder CMC (Ceramic matrix composite) gefertigt werden, ebenso das Dämpfergehäuse, wobei diese Teile nicht aus dem gleichen Material bestehen müssen.

[0019] Falls eine reine Filmkühlung im Bereich der Dämpfer nicht ausreichend sein sollte, kann zwischen den Dämpfungsöffnungen, welche im Wesentlichen normal (im 90 Grad Winkel) durch die Wand führen, noch Effusionskühlungsbohrungen im flachen Winkel zur Oberfläche, z.B. 20-30 Grad, angebracht werden, welche vom gleichen Druckniveau wie die Dämpfungsöffnungen gespeist werden. Außerhalb der Filmkühlsegmente mit akustischen Dämpfern kann ebenfalls durch die Anbringung von Effusionsbohrungen zwischen den Kühlringen oder am Ende der Brennkammer zur Turbine hin im flachen Winkel zur Oberfläche die Kühlung verbessert werden.

[0020] Zur Verminderung der Temperatur der Brennkammerwand kann eine keramische Wärmedämmschicht zwischen den Kühlringen (Brennkammersegmenten) aufgebracht werden.

[0021] Da die Dämpfungslöcher keine Kühlwirkung mehr erzeugen müssen (wozu sie nur in einem sehr begrenzten Umfang geeignet sind), kann der Querschnitt der Dämpfungslöcher so auf die Brennkammerwandstärke und das Dämpfervolumen bzw. den Abstand der Brennkammerwand zum Brennkammergehäuse oder zum Dämpfergehäuse abgestimmt werden, dass sich auch bei Frequenzen unterhalb von einem kHz eine nennenswerte Dämpfungswirkung ergibt . Beim zweischichtigen Aufbau ergeben sich weitere Abstimmungsmöglichkeiten durch den Druck im Dämpfergehäuse und damit durch die Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit in den Dämpferbohrungen.

[0022] Durch die Veränderung der Abstände der Dämpfungsbohrungen oder deren Durchmesser werden unterschiedliche Frequenzen gedämpft. Bei sprunghafter Veränderung der Belochung ergeben sich weiter Dämpfungseffekte.

[0023] Bei beiden Varianten ergibt sich bei Verwendung von nichtzylindrischen Öffnungen die Möglichkeit die Dämpfungswirkung unter Limitierung des Luftverbrauchs zu optimieren, da ein kleiner Querschnitt der Zuströmseite zu einem kleinen Luftdurchsatz führt. Bei beiden Varianten kann durch Verlängerung der Randlinie des Querschnitts bei konstantem effektiven Strömungsquerschnitt (und somit konstantem Luftverbrauch) von rund über eckig nach stern-, kleeblatt- bzw, blütenförmig unter Steigerung der Fertigungskosten die Dämpfung weiter erhöht werden.

[0024] Durch die hohe Druckdifferenz über die Kühlluftbohrungen entsteht ein Kühlfilm, welcher gegenüber dem Drall des Magerbrenners sehr robust ist und die Dämpferbohrungen optimal vor einem Eindringen von Heißgas schützt. In der axialen Position der maximalen Wärmefreisetzung in der Brennkammer können nun akustische Dämpfer mit akustisch optimierter Durchstromung eingesetzt werden, die auf die Dämpfung von Frequenzen unterhalb von 1 kHz abgestimmt sind, zum Beispiel auf den Frequenzbereich von 300 bis 1000 Hz.

[0025] Eine Unterteilung des Dämpferzwischenraums in axialer und lateraler Richtung dient zur Verhinderung von Ausgleichsströmungen im Dämpfergehäuse. Die Einbringung von luftdurchlässigem Material in das Dämpfungsvolumen kann die Dämpfung erhöhen.

[0026] Durch die oben geschilderten Freiheitsgrade bei der Dämpferauslegung kann eine hinreichende Dämpfung aller kritischen Frequenzen erreicht werden. Durch eine geeignete Verteilung der Luft zwischen Film- und Effusionskühlung wird eine optimale Kühlung der Brennkammer und somit eine hohe Lebensdauer erreicht.

[0027] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2

eine schematische Darstellung des Brennkammergehäuses sowie der Dampferwand und der Brennkammerwand gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3

eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, analog der Darstellung der Fig. 2,

Fig. 4

eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels. analog Fig. 3,

Fig. 5

eine weitere schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 6

Darstellungsformen unterschiedlicher Querschnitte von Dämpfungsausnehmungen.

Fig. 7

eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit zweischichtigem Aufbau der Brennkammerwand,

Fig. 8

ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog Fig. 7,

Fig. 9

ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog den Fig. 7 und 8,

Fig. 10

eine schematische Darstellung einer Gasturbinenbrennkammer, analog Fig. 1, mit Anordnung der Brennkammersegmente in einschichtigem Aufbau, und

Fig. 11

eine schematische Darstellung, analog Fig. 10, mit Darstellung der Brennkammersegmente in zweischichtigem Aufbau.

[0028] Bei den Ausführungsbeispielen werden gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

[0029] Die Fig. 1, zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind schematisch Kompressorauslassschaufeln 1 sowie ein Brennkammeraußengehäuse 2 und ein Brennkammerinnengehäuse 3 dargestellt. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Brenner mit Arm und Kopf (Diffusionsflamme). Ein Brennkammerkopf 5 ist einer Brennkammerwand 6 mit Kühlringen 6a zugeordnet. Turbineneinlassschaufeln sind mit dem Bezugszeichen 7 versehen.

[0030] Die Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Dämpfers in Detailansichtnach Stand der Technik, wobei eine Brennkammerwand 10 mit Dampfungs- und Kühlungslöchern 11 versehen ist, welche jeweils senkrecht zur Brennkammerwand 10 verlaufen. Die Kompressoraustrittsluft ist mit 12 bezeichnet, während Flamme und Rauchgas vom Magerbrenner durch den Pfeil 13 dargestellt sind. Zwischen Dämpferwand 9 und Brennkammerwand 10 ist ein Dampferzwischenraum 14 vorgesehen. Kühlluft wird in diesen durch Zuströmbohrungen 8 eingeleitet.

[0031] Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Brennkammersegmente, welche eine einschichtige Brennkammerwand bilden, bezogen auf die Längsachse, leicht geneigt, so dass sich ein schindelartiger, versetzter Aufbau ergibt. Durch im Wesentlichen axiale Kühlungslöcher 16 erfolgt eine laminare Einströmung von Kompressoraustrittsluft 12. Zusätzlich können im Wesentlichen radiale Kühlungslöcher 17 vorgesehen sein. Das jeweils vorgeordnete Brennkammersegment umfasst eine Lippe 18 am Kühlring.

[0032] Durch zusätzliche Dämpfungsöffnungen 19a wird Luft zur Dämpfung eingeleitet, wobei das Dämpfervolumen durch den Abstand 19 b zum gehäuse 2 oder 3 gebildet wird..

[0033] Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 unterscheidet sich dadurch, dass keine radialen Kühlungslöcher 17 vorgesehen sind, sondern mehrere Reihen im wesentlichen axialer Kühlungslöcher radial gestaffelt angeordnet sind..

[0034] Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind (im Zusammenhang mit den Ausführungsvarianten der Fig. 6) nicht-zylindrische Dämpfungsöffnungen gezeigt, die unterschiedlichste Querschnitte aufweisen können, sowohl über ihre axiale Länge als auch insgesamt.

[0035] Die Ausführungsbeispiele der Fig. 7 bis 9 zeigen jeweils einen zweischichtigen Aufbau der Brennkammerwand. Hierbei ist zusätzlich ein Dämpfergehäuse 20 vorgesehen, welches ein Dampfervolumen 21 umschließt. Das Dämpfervolumen 21 kann in Umfangsrichtung unterteilt sein und/oder mit weiterem Material (siehe oben) gefüllt sein. Die Ausführungsbeispiele der Fig. 8 und 9 zeigen jeweils, dass ein Ende des Dämpfergehäuses fest verbunden ist (22), während der andere Bereich über eine verschiebliche oder verschiebbare Trennstelle 23 verfügt. Hierdurch können thermische Längenausdehnungen kompensiert werden.

[0036] Die Fig. 10 und 11 zeigen zwei Ausführungsbeispiele mit einschichtigem und zweischichtigem Aufbau mit Anordnung der Dämpfer nahe der Wärmefreisetzungszone der Brennkammer.

Bezugszeichenliste

[0037] 

1

Kompressorauslassschaufeln

2

Brennkammeraußengehäuse

3

Brennkammerinnengehäuse

4

Brenner mit Arm und Kopf (Diffusionsflamme)

5

Brennkammerkopf

6

Brennkammerwand mit Kühlringen 6a

7

Turbineneinlassschaufeln

8

Zuströmbohrung

9

Dämpferwand

10

Brennkammerwand

11

Dämpfungs- und Kühlungslöcher

12

Kompressoraustrittsluft

13

Flamme und Rauchgas vom Magerbrenner

14

Dämpferzwischenraum zwischen Dämpferwand 9 und Brennkammerwand 10

15

16

im Wesentlichen axiale Kühlungslöcher

17

im Wesentlichen radiale Kühlungslöcher

18

Lippe am Kühlring

19a

Dämpfungsöffnungen

19b

Dämpferraum

19c

nicht-zylindrische Dämpfungsöffnungen

20

Dämpfergehäuse zwischen zwei Kühlringen

21

Dämpfervolumen (eventuell in Umfangsrichtung unterteilt)

22

feste Verbindung (z.B. geschweißt oder mit Flansch verschraubt)

23

verschiebliche Trennstelle (Schiebesitz mit oder ohne Abdichtung)

24

Magerbrenner

Ansprüche

1. Gasturbinenbrennkammerwand für eine mager-brennende Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennkammergehäuse (2, 3) und mehreren in dem Brennkammergehäuse (2, 3) angeordneten, eine Brennkammerwand (10) bildenden Brennkammersegmenten, welche jeweils über axiale und/oder radiale Kühlungslöcher (16, 17) mit Kühlluft mit einer Filmkühlung beaufschlagt werden, wobei die Kühlungslöcher (16, 17) zueinander in Axialrichtung beabstandet sind und wobei in diesem Bereich Dämpfungsöffnungen (19a) zur Einleitung von Luft vorgesehen sind.

3. Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerelemente jeweils ringförmig und kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

3. Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerelemente zueinander an ihren Randbereichen überlappend angeordnet sind.

4. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammersegmente nahe der maximalen wärmefreisetzungszone der Gasturbinenbrennkammer angeordnet sind.

5. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammersegmente mittig zwischen Brenner (24) und Turbineneinlassschaufeln (7) angeordnet sind.

6. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammersegmente einwandig ausgebildet sind.

7. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammersegmente doppelwandig mit einem radial außenliegenden, ein Dämpfervolumen (21) bildendes Dämpfergehäuse (20), ausgebildet sind.

8. Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfergehäuse (20) fest an dem Brennkammersegment angeordnet ist.

9. Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfergehäuse (20) an einem Ende fest und an seinem anderen Ende verschiebbar an dem Brennkammersegment angeordnet ist.

10. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Dämpfervolumen (21) des Dämpfergehäuses (20) in einzelne Kammern unterteilt ist.

11. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Dämpfervolumen (21) des Dämpfergehäuses (20) zumindest teilweise mit einem luftdurchlässigen Material gefüllt ist.

12. Gasturbinenbrennkammerwand nach einen der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Metall gefertigt ist.

13. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Keramik gefertigt ist.

14. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus CMC gefertigt ist.

15. Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dämpfungsöffnungen (19a), welche im Wesentlichen senkrecht durch die Brennkammerwand (10) führen, Effusionskühlungsbohrungen im flachen Winkel zur Oberfläche der Brennkammerwand (10) angeordnet sind.

Zeichnung