DE102012213637A1

DE102012213637A1 - Brennkammerkühlung

Info

Publication number: DE102012213637A1
Application number: DE102012213637.1A
Authority: DE
Inventors: Olga Deiss; Thomas Grieb; Matthias Hase; Jens Kleinfeld; Bernd Prade
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2014019754A1; CN104471316B; EP2864705A1; US20150167978A1; EP2864705B1; RU2015106899A; CN104471316A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer (8) umfassend eine innere Wand (2) mit Kühlluftbohrungen (17) sowie eine von der inneren Wand (2) beabstandete äußere Wand(9), wobei die äußere Wand (9) ebenfalls Kühlluftbohrungen (16) aufweist und aus mehreren in Umfangsrichtung der Gasturbinenbrennkammer (8) im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Wandelementen (11) gebildet ist, die mit einem Festlager (24) auf einer Schmalseite (20) und mit einem Loslager (25) auf einer gegenüberliegenden Schmalseite (20) auf der inneren Wand (2) angeordnet sind, so dass zwischen den beiden Wänden (2, 9) ein Hohlraum (10) gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer.
Brennkammern, insbesondere für Gasturbinen, sind in der Regel in ihrem Inneren mit einem Strömungsführungskörper versehen, der als Liner bezeichnet wird. Über einen oder mehrere in der Brennkammer vorgesehene Brenner wird ein brennbares Fluidgemisch zugeführt, welches im Brennraum der Brennkammer zündet und den Liner durchströmend in Richtung Austrittsöffnung geführt wird. Da die Wandungen der Brennkammer aufgrund der im Inneren der Brennkammer stattfindenden Verbrennung hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, müssen diese Teile der Brennkammer gekühlt werden. Eine Wärmedämmschicht (thermal barrier coating) an der Innenseite des Liners ist in der Regel nicht ausreichend. Eine Kühlung wird z.B. durch Spalträume erreicht werden, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, welches die Brennkammer konvektiv kühlt.
Bedingt durch im Betrieb auftretende Temperaturänderungen treten an den Bauteilen Wärmeausdehnungen auf.
Der Liner stellt gleichzeitig den Übergang zum Turbinenraum dar und ist aus diesem Grund konisch ausgeformt. Das Kühlungssystem muss die axiale und radiale Wärmeausdehnung des Liner-Konus mit aufnehmen und dafür sorgen, dass auch bei wechselnden Bedingungen nur eine bestimmte, definierte Luftmenge am Konus entlang strömt.
1 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer mit konvektiver Kühlung des Liner-Konus mit einer außen-liegenden Hülle.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinenbrennkammer mit einer verbesserten Kühlung zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gasturbinenbrennkammer gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einer Gasturbinenbrennkammer umfassend eine innere Wand mit Kühlluftbohrungen sowie eine von der inneren Wand beabstandete äußere Wand, die äußere Wand ebenfalls Kühlluftbohrungen aufweist und aus mehreren in Umfangsrichtung der Gasturbinenbrennkammer im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Wandelementen gebildet ist, die mit einem Festlager auf einer Schmalseite und mit einem Loslager auf einer gegenüberliegenden Schmalseite auf der inneren Wand angeordnet sind, so dass zwischen den beiden Wänden ein Hohlraum gebildet wird, kann die Kühlung des Liner-Konus über eine effektive Prallkühlung erfolgen. Darüber hinaus wird die relative Ausdehnung des Wandelements, das als Prallkühlblech wirkt, zum Grundkörper, d.h. der inneren Wand der Gasturbine, infolge unterschiedlicher Temperaturen des Grundkörpers (ca. 900–1000°C) und der Prallkühlbleche (ca. 500–600°C) zugelassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Wandelemente brennerseitig mit einem Festlager und turbinenseitig mit einem Loslager auf der inneren Wand angeordnet.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die innere Wand die Form eines Hohlkegelstumpfs und die Wandelemente die Form von Hohlkegelstumpfsegmenten aufweisen.
Zur besseren Kompensation der Wärmedehnung in radialer Richtung sind benachbarte Wandelemente überlappend angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführung besteht das Loslager zur einfacheren Montage aus Ringsegmenten, die eine Nut zur Aufnahme je einer Schmalseite der Wandelemente aufweisen.
Zweckmäßigerweise besteht auch das Festlager aus Ringsegmenten.
Für die Lagerkühlung weist mindestens eines der Lager Kühlluftbohrungen auf.
Für die Vermeidung von Klaffen benachbarter Wandelemente ist es vorteilhaft, wenn im Bereich einer Überlappung von je zwei Wandelementen Halterungen vorgesehen sind. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Halterungen auf der inneren Wand befestigt sind.
Um auch an den Halterungen unterschiedliche Wärmedehnungen möglichst spannungsfrei zu ermöglichen, weisen die Wandelemente Öffnungen für die Halterungen auf, wobei die Öffnungsdurchmesser größer sind, als die Durchmesser der Halterungen in diesem Bereich.
Um zu verhindern, dass die Wandelemente der äußeren Wand aufgrund thermischer Verformung den Konus der inneren Wand berühren, sind Abstandselemente (Pins) zwischen innerer und äußerer Wand angeordnet. Diese Abstandselemente sind zweckmäßigerweise einem zentralen Bereich des jeweiligen Wandelements gegenüber, d.h. in der Mitte unter den Wandelementen, auf der inneren Wand angeordnet, beispielsweise angeschweißt.
Eine Ausführung des durch die innere und die äußere Wand gebildeten Hohlraums als akustischer Dämpfer (Resonator) ist besonders vorteilhaft, weil dadurch die Anzahl sonst benötigter Resonatoren verringert werden kann. Dies verringert einerseits Kosten und spart andererseits Luft, die sonst zur Spülung bzw. Kühlung dieser Resonatoren erforderlich wäre.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung liegen in der verbesserten Kühlung des Liner-Konus durch eine effektive Prallkühlung sowie in der Vermeidung der thermischen Spannung, die sich durch das Loslager ergibt. Außerdem werden durch den zwischen dem Liner-Konus und den Blechen entstehenden Hohlraum, der zusätzlich als Resonator wirkt, mittel- bis hochfrequente Schwingungen gedämpft.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Brennerliner nach dem Stand der Technik mit außenliegender Hülle für konvektive Kühlung,
2 eine Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung mit Wandelementen für eine Prallkühlung,
3 ein Wandelement mit Kühlluftbohrungen und Öffnungen zur Befestigung,
4 einen Ausschnitt eines Festlagerringsegments,
5 einen Schnitt durch einen Brennerliner einer Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung mit Festlager,
6 einen Schnitt durch einen Brennerliner einer Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung mit Loslager,
7 eine Draufsicht auf ein Ringsegment des Loslagers,
8 eine Gasturbinenbrennkammer nach der Erfindung ohne Wandelemente,
9 einen Bolzen zur Halterung der Wandelemente gegen Klaffen,
10 einen Bolzen im eingebauten Zustand mit Wandelementen und
11 überlappende Wandelemente.
Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Gasturbinenbrennkammer 1 nach dem Stand der Technik mit einer inneren Wand 2 (Brennerliner), die den Brennraum 3 umschließt und brennraumseitig eine Wärmeschutzschicht 4 aufweist, und einer die innere Wand 2 umgebende Hülle 5 zwischen denen Kühlluft 6 zur konvektiven Kühlung der inneren Wand 2 geführt wird. Beim Übergang vom Brennraum 3 zum Turbinenraum (nicht gezeigt) sind die Gasturbinenbrennkammer 1 und somit auch die innere Wand 2 bzw. der Brennerliner 2 konisch ausgeformt. Dieser Bereich wird daher auch als Liner-Konus 7 bezeichnet.
2 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung mit einer inneren Wand 2 und einer von dieser beabstandeten äußeren Wand 9, welche einen Hohlraum 10 bilden (s. 5 und 6). Die äußere Wand 9 wird durch eine Blechkonstruktion, bestehend aus 8 Wandelementen 11, gebildet, die Wärmedehnungen des Liner-Konus 7 ausgleichen kann. Eine vom Ausführungsbeispiel der 2 abweichende Anzahl an Wandelementen 11 ist möglich.
Die Wandelemente 11 sind auf der brennerzugewandten Seite 12 des Liner-Konus 7, also zur Kegelstumpfgrundfläche hin, mit der inneren Wand 2 verschweißt und auf der turbinenzugewandten Seite 13 des Liner-Konus 7, also zur Kegelstumpfdeckfläche hin, schwimmend gelagert. Eine umgekehrte Lösung ist aber ebenfalls möglich.
Dabei werden zwei Blechreihen 14, 15 versetzt übereinander eingebaut. Zur Prallkühlung der inneren konusförmigen Wand 2 weisen die Wandelemente 11 Kühlluftbohrungen 16 auf. Entsprechende Kühlluftbohrungen 17 sind in der inneren Wand 2 vorgesehen (s. 8 und 10), damit die für die Prallkühlung verwendete Luft in den Brennraum 3 abströmen kann.
3 zeigt ein Wandelement 11 mit Kühlluftbohrungen 16. Während des Betriebs könnten zwischen überlagerten Wandelementen 11 Spalte entstehen, durch die Luft unkontrolliert unter die Blechkonstruktion gelänge. Diese Spalte werden aber durch Halterungen 18 (s. 10–11) vermieden. Die Wandelemente 11 weisen zu diesem Zweck an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten 19 Öffnungen 20 auf, deren Durchmesser größer ist, als der Halterungsdurchmesser in diesem Bereich, um auch hier genügend Spiel für Wärmedehnung zu gewährleisten. Die beiden anderen Schmalseiten 21 bilden zusammen mit den in den 4 bis 7 gezeigten Ringsegmenten 22, 23 ein Fest- und ein Loslager 24, 25.
4 zeigt einen Ausschnitt eines Festlagers 24, insbesondere eines Ringsegments 22 für ein Festlager 24. Ist das Ringsegment 22 mit der inneren Wand 2 verschweißt (s. 5) wird ein Hohlraum 26 ausgebildet, der über Kühlluftbohrungen 27 gekühlt werden kann.
5 zeigt einen Schnitt durch ein Festlager 24 einer Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung mit einem auf dem Brennerliner 2 angeordneten und mit diesem an den Schweißstellen 28 verbundenen Ringsegment 22 für das Festlager 24 und in Axialrichtung der Brennkammer 8 versetzt angeordneten Wandelementen 11. Die Wandelemente 11 sind mit dem Ringsegment 22 an den Schweißstellen 29 verbunden. Aus Montagegründen sind benachbarte Wandelemente 11 in axialer Richtung versetzt mit den Ringsegmenten 22 verschweißt.
6 zeigt einen Schnitt durch ein Loslager 25 einer Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung mit einem auf dem Brennerliner 2 angeordneten und mit diesem an den Schweißstellen 30 verbundenen Ringsegment 23 für das Loslager 25. Das Ringsegment 23 des Loslagers 25 umfasst eine Nut 31 zur Aufnahme einer Schmalseite 21 der Wandelemente 11 und liegt direkt auf der inneren Wand 2 auf, so dass auch keine Kühlluftbohrungen im Ringsegment 23 nötig sind.
7 zeigt ein Ringsegment 23 für das Loslager 25. Die Nut 31 für die schwimmende Lagerung der Wandelemente 11 im Ringsegment 23 verläuft entsprechend der überlappenden Anordnung der Wandelemente 11 auf verschiedenen Radien mit überlappenden Bereichen 32.
8 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer 8 nach der Erfindung ohne Wandelemente 11. Dadurch sieht man sowohl Bolzen 33 als Teile der Halterungen 18 gegen Klaffen als auch weitere Abstandselemente oder Pins 34 auf der inneren Wand 2 angeordnet, welche verhindern, dass die Wandelemente 11 den Konus der inneren Wand 2 aufgrund thermischer Verformung berühren. Die Pins 34 sind typischerweise in der Mitte unter den Wandelementen 11 auf der inneren Wand 2 angeschweißt.
9 zeigt einen Bolzen 33 mit einem weiteren Formelement zur leichteren Montage auf der inneren Wand 2. Der Bolzen 33 ist Teil einer Halterung 18, wie sie gegen Klaffen zwischen zwei benachbarten Wandelementen 11 verwendet wird.
10 zeigt eine solche Halterung 18 im eingebauten Zustand. Sie ist mit der inneren Wand 2 verschweißt und gegebenenfalls auf der inneren Wand 2 in einer dafür vorgesehenen Vertiefung 35 angeordnet. Im Bereich der Öffnungen 21 der Wandelemente 11 weist der Bolzen 33 der Halterung 18 einen geringeren Durchmesser auf, als die Öffnungen 21 selbst, damit ausreichend Platz für Wärmedehnungen vorhanden ist. Die Wandelemente 11 sind mit einer angeschweißten Lochscheibe 36 gesichert, so dass im Wesentlichen nur axiale Verschiebungen der Wandelemente 11 und Verschiebungen in Umfangsrichtung der Gasturbinenbrennkammer 8, aber keine radialen Bewegungen möglich sind. 11 zeigt eine Draufsicht auf den Bereich der Halterung 18.
Auch wenn in den Ausführungsbeispielen eine Gasturbinenbrennkammer mit konischem Liner beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht auf eine konische Geometrie beschränkt. Des weiteren ist die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auf einen zu erzielenden Kühleffekt beschränkt, sondern kann auch als Resonanzabsorber genutzt werden kann.

Claims

Gasturbinenbrennkammer (8) umfassend eine innere Wand (2) mit Kühlluftbohrungen (17) sowie eine von der inneren Wand (2) beabstandete äußere Wand(9), dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand (9) ebenfalls Kühlluftbohrungen (16) aufweist und aus mehreren in Umfangsrichtung der Gasturbinenbrennkammer (8) im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Wandelementen (11) gebildet ist, die mit einem Festlager (24) auf einer Schmalseite (20) und mit einem Loslager (25) auf einer gegenüberliegenden Schmalseite (20) auf der inneren Wand (2) angeordnet sind, so dass zwischen den beiden Wänden (2, 9) ein Hohlraum (10) gebildet wird.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach Anspruch 1, wobei die Wandelemente (11) brennerseitig mit einem Festlager (24) und turbinenseitig mit einem Loslager (25) auf der inneren Wand (2) angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Wand (2) die Form eines Hohlkegelstumpfs und die Wandelemente (11) die Form von Hohlkegelstumpfsegmenten aufweisen.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei benachbarte Wandelemente (11) überlappend angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Loslager (25) aus Ringsegmenten (23) besteht, die eine Nut (31) zur Aufnahme je einer Schmalseite (21) der Wandelemente (11) aufweisen.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Festlager (24) aus Ringsegmenten (22) besteht.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Lager (24, 25) Kühlluftbohrungen (27) aufweist.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bereich einer Überlappung (32) von je zwei Wandelementen (11) Halterungen (18) gegen ein Klaffen der beiden Wandelemente (11) vorgesehen sind.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach Anspruch 8, wobei die Halterungen (18) auf der inneren Wand (2) befestigt sind.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Wandelemente (11) Öffnungen (20) für die Halterungen (18) aufweisen und die Öffnungsdurchmesser größer sind, als die Durchmesser der Halterungen (18) in diesem Bereich.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Abstandselemente (34) zwischen innerer (2) und äußerer Wand (9) angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach Anspruch 11, wobei die Abstandselemente (34) einem zentralen Bereich des jeweiligen Wandelements (11) gegenüber auf der inneren Wand (2) angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zwischen der inneren (2) und der äußeren Wand (9) gebildete Hohlraum (10) als akustischer Dämpfer ausgeführt ist.