Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine thermische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gasturbinen, wie sie von der Anmelderin beispielsweise unter anderen unter der Typenbezeichnung GT13E2 angeboten werden, werden mit einer Ringbrennkammer betrieben. Die Verbrennung selbst geschieht vorzugsweise, aber nicht ausschliesslich über Vormischbrenner (im folgenden kurz Brenner genannt), wie sie beispielsweise aus EP-A1-321 809 oder EP-A1-704 657 hervorgehen, wobei diese Druckschriften und die davon abgeleiteten Weiterentwicklung dieser Vormischbrenner einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung sind. Eine solche Ringbrennkammer geht beispielsweise aus DE-A1-196 44 378 hervor, welche in der Fig. 1 dieser Anmeldung ausschnittweise wiedergegeben ist. Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbine 10 hat ein Turbinengehäuse 11, welches im Bereich der Brennkammer 15 ein mit verdichteter Verbrennungsluft gefülltes Plenum 14 umschliesst. Konzentrisch um den zentralen Rotor 12 herum ist im Plenum 14 die ringförmige Brennkammer 15 angeordnet, die in einen Heissgaskanal 22 übergeht. Der Raum wird nach innen durch eine innere Schale 21' und nach aussen durch eine äussere Schale 21 begrenzt. Inner Schale 21' und äussere Schale 21 sind jeweils in einer Trennebene in Oberteil und ein Unterteil aufgeteilt. Oberteil und Unterteil von innerer und äusserer Schale 21', 21 sind in der Trennebene so verbunden, dass ein Ringraum gebildet wird, der das von den Brennern 16 erzeugte Heissgas auf die Laufschaufeln 13 der Turbine leitet. Die Trennebene ist zur Montage und Demontage der Maschine erforderlich. Die Brennkammer 15 selbst ist mit speziellen Wandsegmenten 17 ausgekleidet.

Innere und äussere Schale 21', 21 sind in der beschriebenen Ausführung konvektiv gekühlt. Dabei strömt Kühlluft, die als Verdichterluftstrom 23 vom Verdichter kommend in das Plenum 14 eintritt, vornehmlich in entgegengesetzter Strömungsrichtung des Heissgases im Heissgaskanal 22 Vom Plenum 14 aus strömt diese Kühlluft dann durch einen äusseren und inneren Kühlkanal 20 bzw. 20' weiter, welche Kühlkanäle durch die Schalen 21, 21' im Abstand umgebende Kühlhemden 19, 19' gebildet werden. Die Kühlluft strömt in den Kühlkanälen 20, 20' entlang den Schalen 21, 21' in Richtung der die Brennkammer 15 umgebenden Brennkammerhaube 18. Dort steht die Luft dann den Brennern 16 als Verbrennungsluft zur Verfügung.

Von den Brennern 16 strömt das Heissgas zur Turbine (Laufschaufeln 13) und dabei entlang der heissgasseitigen Oberflächen der inneren und äusseren Schale 21', 21. Die Strömung entlang dieser Oberflächen ist dabei jedoch nicht homogen, sondern wird beeinflusst durch die Anordnung der Brenner 16.

Innere und äussere Schale 21', 21 sind sowohl thermisch als auch mechanisch belastet. Diese Belastungen sind, auch im Zusammenhang mit der Betriebsweise, bestimmend für die Lebensdauer von innerer und äusserer Schale 21', 21 und für die daraus resultierenden Inspektionsintervalle. Die oben angesprochenen Ungleichförmigkeiten der Strömung treten sowohl auf der Heissgasseite als auch auf der Kühlluftseite auf. Die heissgasseitigen Ungleichförmigkeiten resultieren in erster Linie aus der Brenneranordnung. Die kühlluftseitigen Ungleichförmigkeiten werden vorrangig durch Einbauten in den Kühlkanälen 20, 20' verursacht.

Die EP 1 482 246 A1 beschreibt eine Brennkammer mit einer brennkammerseitig zugewandten Brennkammerwand, an der zur Auslegung für Brennertemperaturen von bis zu 1500°C Hitzeschildelemente über Befestigungsmittel angebracht sind, wobei die Brennkammerwand und die der Brennkammerwand zugewandte Oberfläche der Hitzeschildelemente einen Kühlspalt einschliessen, durch den Kühlluft mit entgegengesetzter Strömungsrichtung zur Heissgasströmung innerhalb der Brennkammer strömt. Um thermisch besonders stark belastete Brennkammerwandbereiche eine verstärkte lokale Kühlwirkung zukommen zu lassen, werden längs des Kühlkanals an Seiten der Brennkammerwand den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals verengende Strömungselemente eingefügt. Eine Befestigung der Strömungselemente längs der Brennkammerwand erfolgt mittels geeigneter Formschlussverbindungen (siehe hierzu Spalte 9, Zeilen 24 bis 28). Die Strömungselemente werden innerhalb des Kühlkanals derart angeordnet, dass thermisch hochbelastete Wandabschnitte des Hitzeschildelementes einer verstärkten Kühlung ausgesetzt werden, indem die Kühlluftströmung in diesem Bereich durch Querschnittsverminderung erhöht wird.

Aus der japanischen Druckschrift JP 2003286863 A ist eine doppelwandige Brennkammerwand zu entnehmen, mit einer den Heissgaskanal begrenzenden äusseren Schale sowie einen die äussere Schale umgebenden Kühlhemd. Zur Erhöhung der Kühlwirkung ist das Kühlhemd nach D2 mit Perforationen durchsetzt, so dass die Voraussetzung für eine Prallluftkühlung der äusseren Schale der Brennkammer realisiert ist.

Die EP 0 599 055 A1 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer mit einer die Brennkammerwand beabstandet umgebenden Lochplatte 3, durch die ebenfalls eine Prallkühlluftsituation der Brennkammerwand 3 geschaffen wird.

EP 1 207 273 A2, sieht zur Prallluftkühlung einer Brennkammerwand 10, die den Heissgaskanal umgibt, eine Lochplattenanordnung 122 vor, die eine Vielzahl von Löchern 26 enthält, von denen ein Teil der Löcher mit kappenartigen Luftleitblechen versehen ist, die einen erhöhten Kühlluftströmungsanteil senkrecht durch die jeweiligen Löcher hindurchzuleiten vermögen.

Die US 3,652,181 beschreibt gleichfalls eine Prallluftkühlung für die den Heissgaskanal umgebende Brennkammerwand.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine thermische Maschine, insbesondere Gasturbine, so zu gestalten, dass die Belastung der thermisch besonders beaufschlagten Anlagenteile vergleichmässigt wird und dadurch die Lebensdauer der Anlage insgesamt verlängert wird.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass diese Vergleichmässigung durch einen Eingriff in die Kühlung erreicht wird, indem zum Ausgleich von lokalen Ungleichmässigkeiten in der thermischen Belastung der Schale bzw. in der Strömung des Kühlmediums im Kühlkanal das Kühlhemd eine lokale Ausbeulung in Form eines Doms aufweist, die eine lokale Vergrösserung des Kühlkanalquerschnitts ergibt. Hierdurch kann auf einfache Weise die Kühlung lokal verstärkt werden, um entsprechende lokale thermische Mehrbelastungen abzubauen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Aussenseite der Schale in den Kühlkanal hineinragende Einbauten vorhanden sind, und dass die durch die Einbauten verursachte lokale Verengung des Kühlkanals durch eine entsprechende lokale Konturierung des Kühlhemds kompensiert wird.

Insbesondere kann die lokale Konturierung des Kühlhemds einen sich über den Bereich der Einbauten erstreckenden, nach aussen wölbenden Dom im Kühlhemd umfassen.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zum Ausgleich einer an einem bestimmten Ort auftretenden, erhöhten thermischen Belastung der Schale oder zum Ausgleich einer durch Einbauten verursachten lokalen Verengung des Kühlkanals an diesem Ort Mittel zum Einführen von zusätzlicher Kühlluft in den Kühlkanal vorgesehen sind, wobei, wenn das Kühlhemd auf der Aussenseite von unter erhöhtem Druck stehenden Kühlmedium beaufschlagt ist, die Mittel zum Einführen von zusätzlicher Kühlluft in den Kühlkanal vorzugsweise Kühlöffnungen im Kühlhemd umfassen.

Insbesondere kann die betreffende thermische Maschine eine Gasturbine mit einer Brennkammer sein, und der Heissgaskanal von der Brennkammer zu einer ersten Reihe von Laufschaufeln führen. Darüber hinaus kann die Brennkammer ringförmig ausgebildet und in einer Trennebene auftrennbar sein, wobei der Heissgaskanal durch eine äussere Schale und eine innere Schale begrenzt wird, und durch ein entsprechendes inneres und äusseres Kühlhemd ein innerer und äusserer Kühlkanal ausgebildet wird.

Vorzugsweise umfasst die Gasturbine einen Verdichter zur Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft, wobei der Ausgang des Verdichters mit einem Plenum in Verbindung steht, und die Brennkammer mit dem daran anschliessenden Heissgaskanal und den angrenzenden Kühlkanälen so im Plenum angeordnet und vom Plenum umgeben ist, dass verdichtete Luft aus dem Plenum entgegen dem Heissgasstrom im Heissgaskanal durch die Kühlkanäle zu an der Brennkammer angeordneten Brennern strömt. Darüber hinaus können die Brenner mit Vorteil als Vormischbrenner, insbesondere als Doppelkegelbrenner, ausgebildet sein.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Teile sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen

Fig. 1

den Längsschnitt durch eine gekühlte Ringbrennkammer einer Gasturbine nach dem Stand der Technik;

Fig. 2

in mehreren Teilfiguren 2A bis 2D einen Kühlkanal ohne innen liegende Hindernisse mit einer lokalen (Dom-artigen) Anpassung im Kühlhemd (Fig. 2A) gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und ohne Anpassung (Fig. 2B), sowie einen mit Rippen ausgestatteten Kühlkanal mit einer lokalen (Dom-artigen) Anpassung im Kühlhemd gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 2C), und ohne Anpassung (Fig. 2D);

Fig. 3

in mehreren Teilfiguren 3A bis 3D einen Kühlkanal mit innen liegenden Einbauten mit einer lokalen (Dom-artigen) Anpassung im Kühlhemd gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, in Strömungsrichtung gesehen (Fig. 3A) und quer zur Strömungsrichtung gesehen (Fig. 3B), sowie die Anordnung gemäss Fig. 3A,B mit zusätzlicher Kühlluftzuführung gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, in Strömungsrichtung gesehen (Fig. 3C) und quer zur Strömungsrichtung gesehen (Fig. 3D);

Fig. 4

in einer perspektivischen Seitenansicht ein in einer Trennebene teilbares Kühlhemd für eine Gasturbinen-Ringbrennkammer mit lokalen Anpassungen gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5

einen vergrösserten Ausschnitt des Kühlhemds aus Fig. 4 mit einem die lokalen Anpassungen aufweisenden Ringsegment; und

Fig. 6

für sich genommen das die lokalen Anpassungen aufweisenden Ringsegment aus Fig. 5.

Im Rahmen der Erfindung wird die Verteilung der Kühlluft durch ein (lokales) Anpassen des Kühlkanal-Querschnittverlaufs im Zusammenspiel mit im Kühlkanal vorhandenen Einbauten so beeinflusst, dass sich eine lokale Anpassung des Kühlluftmassenstromes bzw. eine lokale Anpassung des Wärmeüberganges zwischen Schale und Kühlluft einstellt. Der Kühlkanalquerschnitt ist dabei definiert durch die bestehende Kontur der inneren bzw. äusseren Schale und eine modifizierte, d.h. in ihrer Form angepasste Konturierung der Kühlluftbleche (Kühlhemden), welche auf der inneren bzw. äusseren Schale montiert sind.

In Fig. 2B ist im Schnitt quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft 24 und des in entgegengesetzter Richtung strömenden Heissgases 25 ein zwischen der Schale 21 und dem Kühlhemd 19 gebildeter Kühlkanal gezeigt, der einen im dargestellten Ausschnitt konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nun eine lokale Veränderung des Strömungsquerschnitts dadurch herbeigeführt werden, dass das Kühlhemd (lokal) mit einer Ausbeulung in Form eines Doms 26 versehen wird. Durch den Dom 26, der sich in Strömungsrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) über eine grössere Länge erstrecken kann (siehe Fig. 3B und 3D), ergibt sich eine lokale Vergrösserung des Kühlkanalquerschnitts, die zu einer lokal verbesserten Kühlung führt und damit zum Abbau einer an dieser Stelle auftretenden erhöhten thermischen Belastung beitragen kann.

Ein solcher Schritt (von Fig. 2D zu Fig. 2C) bietet sich insbesondere dann an, wenn im Kühlkanal 20 als Hindernisse nach innen ragende Rippen 27 an der Aussenseite der Schale 21 vorhanden sind.

Ein solcher lokaler Dom 26 bietet sich zur lokalen Verbesserung der Kühlung insbesondere dann an, wenn - wie in Fig. 3A und 3B gezeigt - spezielle, die Kühlströmung behindernde Einbauten 28 im Kühlkanal 20 vorhanden sind. Der Dom 26 ist dann zweckmässigerweise in Breite und Länge an die behindernden Einbauten 28 angepasst.

Zusätzlich oder alternativ zu der Dom-artigen lokalen Erweiterung (26) des Kühlkanals 20 kann aber auch gemäss Fig. 3C und 3D zusätzliche Kühlluft 29 durch entsprechende Öffnungen im Kühlhemd 19 an die kritische Stelle geführt werden. Hierzu ist es erforderlich dass an der Aussenseite des Kühlhemdes Kühlluft unter höherem Druck, insbesondere aus dem umgebenden Plenum 14, zur Verfügung steht.

In Fig. 4 bis 6 ist in einer perspektivischen Seitenansicht ein (in einer Trennebene 31 teilbares, äusseres) Kühlhemd 19 für eine Gasturbinen-Ringbrennkammer mit lokalen Anpassungen gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Das Kühlhemd 19 setzt sich zusammen aus einer Mehrzahl von gleichartigen Segmenten 30. In unmittelbarere Nähe der Trennebene 31 ist jeweils ein ausgewähltes Segment 32 vorgesehen, welches lokale Modifikationen zur Optimierung der Kühlung aufweist. Wie insbesondere in Fig. 5 und 6 zu erkennen ist, ist dieses ausgewählte Segment 32, das an die Trennebene 31 angrenzt und einen entsprechenden Anschlussstreifen 33 umfasst, einerseits mit einem länglichen Dom 26 ausgestattet. Andererseits sind sowohl innerhalb des Domes 26 als auch in einer Verlängerungslinie des Domes 26 Kühlöffnungen 35 bzw. 34 im Segmentblech angeordnet, durch die - analog zu Fig. 3C und 3D - zusätzliche Kühlluft von aussen in den Kühlkanal eintreten kann.

Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, die Geometrie der Rippen 27 bzw. der Einbauten 28, insbesondere auch in Kombination mit Modifikationen des Kühlhemds und mit Kühlöffnungen für den Eintritt zusätzlicher Kühlluft, selbst zu ändern.

10

Gasturbine

11

Turbinengehäuse

12

Rotor

13

Laufschaufel

14

Plenum

15

Brennkammer

16

Brenner

17

Wandsegment

18

Brennkammerhaube

19

äusseres Kühlhemd

19'

inneres Kühlhemd

20

äusserer Kühlkanal

20'

innerer Kühlkanal

21

äussere Schale (Heissgaskanal)

21'

innere Schale (Heissgaskanal)

22

Heissgaskanal

23

Verdichterluftstrom

24

Kühlluft

25

Heissgas

26

Dom (Kühlhemd)

27

Rippe

28

Einbauten

29

zusätzliche Kühlluft

30,32

Segment (Kühlhemd)

31

Trennebene

33

Anschlussstreifen

34,35

Kühlöffnung