EP1473517A1 - Combustion chamber - Google Patents
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- EP1473517A1 EP1473517A1 EP03009942A EP03009942A EP1473517A1 EP 1473517 A1 EP1473517 A1 EP 1473517A1 EP 03009942 A EP03009942 A EP 03009942A EP 03009942 A EP03009942 A EP 03009942A EP 1473517 A1 EP1473517 A1 EP 1473517A1
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- combustion chamber
- heat shield
- temperature
- temperature sensors
- turbine
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- F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
- F23N5/14—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using thermo-sensitive resistors
Definitions
- the invention relates to a combustion chamber for a gas turbine, whose combustion chamber wall on the inside with one of a Number of liners formed by heat shield elements is provided.
- the invention further relates to a gas turbine with such a combustion chamber.
- Combustion chambers are u.
- A. Part of gas turbines, which in many areas for driving generators or work machines be used. Thereby the energy content a fuel to produce a rotational movement a turbine shaft.
- the fuel is used by Burners burned in the downstream combustion chambers, compressed air supplied by an air compressor becomes.
- a separate combustion chamber can be assigned to each burner be, the working medium flowing out of the combustion chambers be brought together before or in the turbine unit can.
- the combustion chamber can also be used in such a way mentioned annular combustion chamber design, in which a plurality, especially all, of the burners in a common, usually annular combustion chamber open.
- the combustion of the fuel turns it into a low Pressurized working medium generated at a high temperature.
- This working medium relaxes in the combustion chambers downstream turbine unit performing work.
- To the turbine unit has a number of with the turbine shaft connected, rotatable blades.
- the blades are arranged in a ring on the turbine shaft and thus form a number of rows of blades.
- the turbine includes a number of fixed vanes, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner casing of the turbine are.
- the blades serve to drive the Turbine shaft by momentum transfer from the turbine flowing through Working medium.
- the guide vanes are used for Flow of the working medium between two in each Direction of flow of the working medium seen consecutive Blade rows or blade rings.
- a successive Pair from a wreath of guide vanes or a row of guide vanes and one in the direction of flow of the working medium downstream of rotor blades or a row of moving blades forms a turbine stage.
- An increase in efficiency can basically be used for thermodynamic reasons by increasing the outlet temperature, with which the working medium from the combustion chamber and into the Turbine unit flows. Therefore temperatures of around Desired 1200 ° C to 1500 ° C for such gas turbines and also achieved.
- the combustion chamber wall is usually on the inside with an inner lining consisting of heat shield elements provided with particularly heat-resistant Protective layers can be provided, and by the actual Cooling the combustion chamber wall.
- This will usually a cooling process also referred to as "impact cooling” used.
- Impact cooling uses a coolant, usually cooling air, through a number of holes supplied to the heat shield elements in the combustion chamber wall, so that the coolant is substantially perpendicular to their the The outer surface facing the combustion chamber wall bounces. The coolant heated by the cooling process is then from the interior, the combustion chamber wall with the heat shield elements forms, dissipated.
- heat shield elements can be attached using appropriate brackets also on grooves in the combustion chamber wall, to be anchored to this.
- the invention is therefore based on the object of a combustion chamber of the type mentioned above, in which a particular high operational security can be achieved.
- this object is achieved according to the invention solved by between the combustion chamber wall and heat shield elements one or a number of temperature sensors arranged are.
- the invention is based on the consideration that for a guarantee of a high level of operational security for the Combustion chamber a destruction of the turbine by itself Heat shield elements must be avoided. Therefore, the Gas turbine in time in the event of loss of heat shield element can be switched off if a heat shield element comes loose. To do this, the loss of a heat shield element on the The combustion chamber wall can be registered in good time. On special the simple way is the loss of a heat shield element due to the temperature change occurring on the combustion chamber wall detectable.
- a temperature sensor from an electrically conductive fuse wire.
- a missing heat shield element melts when Exceeding the melting temperature of the wire and destroyed thereby the electrical conductivity. The resulting strong increase in resistance or the open circuit of the fuse wire can in turn be measured and thereby loss of heat shield element Show.
- a fuse wire advantageously has a melting temperature between 300 ° C and 1000 ° C, preferably between 500 ° C and 700 ° C. This temperature range is chosen that the melting temperature is between the temperature of the cooled Side of the heat shield elements and the combustion chamber wall in normal operation on the one hand and the much higher temperature the unprotected combustion chamber wall, so that if the heat shield element is lost, the melting temperature comparatively quickly and clearly on the fuse wire is exceeded.
- the temperature sensor is advantageously formed from a current-carrying wire, the has a temperature-dependent electrical conductivity, so that it does not in the event of loss of the heat shield element gets destroyed.
- a temperature change in the range of Wire changes the temperature dependent resistance of the Wire and with it the current that flows through the wire whereby the loss of a heat shield element is detected leaves.
- thermocouple An active signal for the loss of a heat shield element to use, there is a temperature sensor expediently from a thermocouple. This can be done via a change in thermal voltage a change in temperature and thus a heat shield element loss in the area of Detect thermocouple.
- thermocouples for monitoring the heat shield elements with a measuring circuit several heat shield elements the combustion chamber wall lining at the same time for their completeness or for the possible absence of a
- a temperature sensor to monitor the heat shield element preferably from a series connection of Thermocouples.
- a triggered by an increase in temperature Voltage change of a thermocouple can be by monitoring the total voltage of the series connection monitor because the output voltages of each Add thermocouples due to the series connection.
- a temperature sensor expediently consists of a jacket thermocouple.
- This advantageously consists of two parallel thermal wires that are lengthwise through a material with a positive temperature coefficient from each other are isolated. With a temperature increase on one The place of the endless thermocouple is reduced Resistance in the insulation material of the heated area, so that the thermal voltage between the two thermal wires elevated. The thermal voltage therefore corresponds approximately to that highest temperature in the course of the jacket thermocouple.
- sensors are preferably to an assigned evaluation circuit connected, the temperature distribution via the temperature sensors monitors the combustion chamber and thereby the Loss of heat shield elements or parts thereof registered.
- the above-mentioned combustion chamber is preferably a component a gas turbine.
- Damage caused by loosened heat shield elements or parts to avoid this in the area of the turbine unit of the gas turbine the gas turbine is advantageously via the evaluation circuit can be switched off automatically.
- heat shield element loss from temperature sensors or the downstream evaluation circuit can in particular the combustion chamber as well as the turbine promptly after the loss of the heat shield element be shut down.
- the advantages achieved with the invention are in particular in that by positioning temperature sensors between the combustion chamber wall and heat shield elements Combustion chamber loss of a heat shield element or parts these are reliably detectable and cause damage Avoid in the turbine unit downstream of the combustion chamber by the gas turbine in the event of heat shield loss through the downstream of the temperature sensors Evaluation circuit is turned off automatically.
- the Advantage of using temperature sensors, in particular are formed along a route, that is not each heat shield element individually with a temperature sensor must be provided, but several heat shield elements with a temperature sensor or a measuring circuit can be monitored are.
- thermocouples and especially one Sheathed thermocouples have good monitoring options of the heat shield elements and easy evaluation of the output signal, the advantage that thermocouples for very high temperatures can be used and are therefore suitable for Recommend heat shield element monitoring on the combustion chamber wall.
- the gas turbine 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine.
- a compressor 2 for Combustion air
- a combustion chamber 4 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine.
- the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also called Turbine rotor designated turbine shaft 8 arranged with which also connects the generator or the working machine is, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
- the Combustion chamber 4 designed in the manner of an annular combustion chamber is with a number of burners 10 for burning one liquid or gaseous fuel.
- the turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12.
- the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
- the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transfer of momentum from the turbine 6 working medium flowing through M.
- the guide vanes 14 serve in contrast to the flow of the working medium M between seen two in the flow direction of the working medium M. successive rows of blades or blade rings.
- a successive pair from a wreath of Guide vanes 14 or a row of guide vanes and from one Wreath of blades 12 or a row of blades is also referred to as the turbine stage.
- Each guide vane 14 has one which is also referred to as a blade root Platform 18, which is used to fix the respective guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
- the platform 18 is a thermal comparison heavily loaded component that the outer boundary a heating gas channel for the one flowing through the turbine 6 Working medium M forms.
- Each blade 12 is analog Way over a platform 20 also referred to as a blade root attached to the turbine shaft 8.
- each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite to it 12 spaced by a gap.
- the one between neighboring Guide rings 21 arranged guide vane rows serve in particular as cover elements that cover the inner wall 16 or other housing installation parts before a thermal Overuse by the flowing through the turbine 6 protects hot working medium M.
- the combustion chamber 4 is so-called in the exemplary embodiment Annular combustion chamber designed in which a variety of in Arranged circumferentially around the turbine shaft 8 Burners 10 open into a common combustion chamber space. To is the combustion chamber 4 in its entirety as an annular Designed structure that positioned around the turbine shaft 8 is.
- the combustion chamber 4 for a comparatively high temperature of the working medium M from about 1000 ° C to 1600 ° C.
- This also applies to these operating parameters, which are unfavorable for the materials to enable a comparatively long operating time is the combustion chamber wall 24 on the working medium M facing side with one made of heat shield elements 26 provided inner lining.
- Any heat shield element 26 is special on the working medium side heat resistant protective layer or made of high temperature resistant Made of material. Because of the high Temperatures inside the combustion chamber 4 is also for the Heat shield elements 26 or a cooling system for their holding elements intended.
- the combustion chamber 4 is particularly suitable for the detection of Losses of the heat shield elements 26 designed. To do this between the combustion chamber wall 24 and the heat shield elements 26 positioned a number of temperature sensors 28 which elongated in each case in a groove 30 of the combustion chamber wall 24 run, these the heat shield elements 26 each in Surround the circumferential direction of the combustion chamber 4, as can be seen in FIG. 2 reveals. A temperature increase due to the loss of a heat shield element 26 on the combustion chamber wall 24 To be able to, the temperature sensor 28 optionally consists of a current-carrying fuse wire, one or more Thermocouples or from a jacket thermocouple 31. The Temperature sensor 28 is in particular, as in FIG. 3 schematically shown as in the circumferential direction of the combustion chamber 4th extensive, elongated monitoring element executed.
- the temperature sensor 28 4 shows a detail of the combustion chamber wall 24.
- the isotherm 29, ie the contour of the same temperature essentially runs parallel to the inner wall.
- the temperature sensor 28 is thus at a significantly elevated temperature acted on, so that depending on the version, for example a significant change in electrical resistance or the electrical conductivity or a melting through Fusible wire can be determined.
- FIG 5 A cross-sectional view of this temperature sensor 28 is listed in FIG 5.
- sets the jacket thermocouple (31) consists of two arranged in parallel Thermal wires 32 together, which are in a temperature dependent Insulation material 34 and the length after are isolated from each other by this.
- the materials the thermal wires 32, the temperature coefficient of the insulating mass and the dimensioning of the entire jacket thermocouple are based on the temperature ranges to be measured Combustion chamber wall 24 matched so that there is a loss a heat shield element 24, the electrical resistance in Insulated material 34 of the heated area is reduced and the thermal voltage between the two thermal wires 32 elevated.
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Abstract
Eine Brennkammer (4) für eine Gasturbine (1), deren Brennkammerwand (24) innenseitig mit einer von einer Anzahl von Hitzeschildelementen (26) gebildeten Auskleidung versehen ist, soll für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit ausgelegt sein. Dazu befindet sich erfindungsgemäß zwischen Brennkammerwand (24) und Hitzeschildelementen (26)ein oder eine Anzahl von Temperatursensoren (28). <IMAGE>A combustion chamber (4) for a gas turbine (1), the combustion chamber wall (24) of which is provided on the inside with a lining formed by a number of heat shield elements (26), should be designed for particularly high operational safety. According to the invention, there is one or a number of temperature sensors (28) between the combustion chamber wall (24) and the heat shield elements (26). <IMAGE>
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für eine Gasturbine, deren Brennkammerwand innenseitig mit einer von einer Anzahl von Hitzeschildelementen gebildeten Auskleidung versehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.The invention relates to a combustion chamber for a gas turbine, whose combustion chamber wall on the inside with one of a Number of liners formed by heat shield elements is provided. The invention further relates to a gas turbine with such a combustion chamber.
Brennkammern sind u. A. Bestandteil von Gasturbinen, die in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu von Brennern in den ihnen nachgeschalteten Brennkammern verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird.Combustion chambers are u. A. Part of gas turbines, which in many areas for driving generators or work machines be used. Thereby the energy content a fuel to produce a rotational movement a turbine shaft. The fuel is used by Burners burned in the downstream combustion chambers, compressed air supplied by an air compressor becomes.
Dabei kann jedem Brenner eine separate Brennkammer zugeordnet sein, wobei das aus den Brennkammern abströmende Arbeitsmedium vor oder in der Turbineneinheit zusammengeführt sein kann. Alternativ kann die Brennkammer aber auch in einer so genannten Ringbrennkammer-Bauweise ausgeführt sein, bei der eine Mehrzahl, insbesondere alle, der Brenner in eine gemeinsame, üblicherweise ringförmige Brennkammer münden.A separate combustion chamber can be assigned to each burner be, the working medium flowing out of the combustion chambers be brought together before or in the turbine unit can. Alternatively, the combustion chamber can also be used in such a way mentioned annular combustion chamber design, in which a plurality, especially all, of the burners in a common, usually annular combustion chamber open.
Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird ein unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium mit einer hohen Temperatur erzeugt. Dieses Arbeitsmedium entspannt sich in der den Brennkammern nachgeschaltete Turbineneinheit arbeitsleistend. Dazu weist die Turbineneinheit eine Anzahl von mit der Turbinenwelle verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln auf. Die Laufschaufeln sind kranzförmig an der Turbinenwelle angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse der Turbine befestigt sind. Die Laufschaufeln dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle durch Impulsübertrag vom die Turbine durchströmenden Arbeitsmedium. Die Leitschaufeln dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln oder einer Leitschaufelreihe und aus einem in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nachgeschalteten Kranz von Laufschaufeln oder einer Laufschaufelreihe bildet dabei eine Turbinenstufe.The combustion of the fuel turns it into a low Pressurized working medium generated at a high temperature. This working medium relaxes in the combustion chambers downstream turbine unit performing work. To the turbine unit has a number of with the turbine shaft connected, rotatable blades. The blades are arranged in a ring on the turbine shaft and thus form a number of rows of blades. Farther the turbine includes a number of fixed vanes, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner casing of the turbine are. The blades serve to drive the Turbine shaft by momentum transfer from the turbine flowing through Working medium. The guide vanes, however, are used for Flow of the working medium between two in each Direction of flow of the working medium seen consecutive Blade rows or blade rings. A successive Pair from a wreath of guide vanes or a row of guide vanes and one in the direction of flow of the working medium downstream of rotor blades or a row of moving blades forms a turbine stage.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium von der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.When designing such gas turbines in addition to achievable performance usually a particularly high efficiency a design goal. An increase in efficiency can basically be used for thermodynamic reasons by increasing the outlet temperature, with which the working medium from the combustion chamber and into the Turbine unit flows. Therefore temperatures of around Desired 1200 ° C to 1500 ° C for such gas turbines and also achieved.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem Medium ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Ausgestaltung mit besonders hitzebeständigen Materialien und eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere der Brennkammer, nötig.At such high temperatures of the working medium, however the components and parts exposed to this medium exposed to high thermal loads. To still at high Reliability a comparatively long lifespan It is usually necessary to ensure the affected components a design with particularly heat-resistant materials and cooling the affected components, in particular the combustion chamber, necessary.
Die Brennkammerwand ist dazu in der Regel auf ihrer Innenseite mit einer aus Hitzeschildelementen bestehenden Innenauskleidung versehen, die mit besonders hitzebeständigen Schutzschichten versehen werden können, und die durch die eigentliche Brennkammerwand hindurch gekühlt werden. Dazu wird in der Regel ein auch als "Prallkühlung" bezeichnetes Kühlverfahren eingesetzt. Bei der Prallkühlung wird ein Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, durch eine Anzahl von Bohrungen in der Brennkammerwand den Hitzeschildelementen zugeführt, so dass das Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht auf ihre der Brennkammerwand zugewandte, außen liegende Fläche prallt. Das durch den Kühlprozess aufgeheizte Kühlmittel wird anschließend aus dem Innenraum, den die Brennkammerwand mit den Hitzeschildelementen bildet, abgeführt.The combustion chamber wall is usually on the inside with an inner lining consisting of heat shield elements provided with particularly heat-resistant Protective layers can be provided, and by the actual Cooling the combustion chamber wall. This will usually a cooling process also referred to as "impact cooling" used. Impact cooling uses a coolant, usually cooling air, through a number of holes supplied to the heat shield elements in the combustion chamber wall, so that the coolant is substantially perpendicular to their the The outer surface facing the combustion chamber wall bounces. The coolant heated by the cooling process is then from the interior, the combustion chamber wall with the heat shield elements forms, dissipated.
Um die Hitzeschildelemente an der Brennkammerwand zu befestigen gibt es einerseits die Möglichkeit diese mit Schrauben oder Befestigungsbolzen mit der Brennkammerwand zu verbinden. Alternativ können Hitzeschildelemente über entsprechende Halterungen auch an Nuten, die sich in der Brennkammerwand befinden, an dieser verankert werden.To attach the heat shield elements to the combustion chamber wall on the one hand there is the possibility of using screws or connecting bolts to the combustion chamber wall. Alternatively, heat shield elements can be attached using appropriate brackets also on grooves in the combustion chamber wall, to be anchored to this.
Problematisch beim Betrieb einer Gasturbine ist, dass sich Hitzeschildelemente oder auch Teilstücke dieser von der Brennkammerwand lösen können. Dieses geschieht in der Regel, weil die Hitzschildelemente oder ihre Befestigungsvorrichtungen durch die extremen Einflüsse im Brennkammerinnenraum, wie die hohen thermischen Belastungen oder Stöße und Vibrationen der Brennkammer, beschädigt werden. Diese von der Brennkammerwand gelösten Teile gelangen durch die Strömungsbewegung des Arbeitsmediums in die Turbineneinheit, wo sie Lauf- und Leitschaufeln zerstören können. Bei einem derartigen Hitzeschildelementverlust gelangen abgelöste Hitzeschildelemente oder Teile dieser jedoch nicht in die Turbineneinheit, da sie sich vor der ersten Leitschaufelreihe der ersten Turbinenstufe ansammeln bzw. vor oder in Leitschaufeln dieser verkeilen. Die Anwesenheit von Hitzeschildelementen oder Teile dieser vor der Turbineneinheit führt bei Betrieb der Gasturbine zu Strömungs- und Druckschwankungen in Form von Strömungsturbulenzen in der Turbineneinheit. Diese Turbulenzen sind in der Regel so stark, dass Laufschaufeln wie insbesondere die Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe abreißen und damit große Teile der Turbineneinheit, wie die benachbarten und sich anschließenden Leit- und Laufschaufelreihen, zerstören. In der Regel vergehen im Falle eines Hitzeschildverlustes zwischen dem sich Lösen eines Hitzeschildelementes an der Brennkammerwand und dem ersten Abreißen von Laufschaufeln, welche durch Turbulenzen durch verklemmte Hitzeschildelemente ausgelöst werden, einige Minuten. Bei einer Beschädigung der Turbineneinheit fallen neben den Reparaturkosten insbesondere auch Produktionsausfallskosten der Gasturbine an, so dass die sehr hohe Gesamtkosten anfallen können.The problem with operating a gas turbine is that Heat shield elements or sections of these from the Can solve the combustion chamber wall. This usually happens because the heat shield elements or their fasteners due to the extreme influences in the combustion chamber interior, such as the high thermal loads or shocks and vibrations the combustion chamber. This from the combustion chamber wall loosened parts pass through the flow movement of the working medium in the turbine unit, where they run and Can destroy guide vanes. With such a loss of heat shield element detached heat shield elements or parts of it, however, not in the turbine unit, since they in front of the first row of guide vanes of the first turbine stage accumulate or wedge in front of or in the guide vanes. The presence of heat shield elements or parts thereof leads in front of the turbine unit during operation of the gas turbine to flow and pressure fluctuations in the form of flow turbulence in the turbine unit. These turmoil are in usually so strong that blades like the one in particular Tear off blades of the first turbine stage and thus large parts of the turbine unit, like the neighboring ones and subsequent rows of guide vanes and blades. As a rule, in the event of a loss of the heat shield, it passes between loosening a heat shield element on the Combustion chamber wall and the first tearing of blades, caused by turbulence due to jammed heat shield elements triggered a few minutes. If the Turbine unit in addition to the repair costs fall in particular production downtimes of the gas turbine, so that very high total costs may arise.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Brennkammer der oben genannten Art anzugeben, bei der eine besonders hohe betriebliche Sicherheit erreichbar ist.The invention is therefore based on the object of a combustion chamber of the type mentioned above, in which a particular high operational security can be achieved.
Bezüglich der Brennkammer wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem zwischen Brennkammerwand und Hitzeschildelementen ein oder eine Anzahl von Temperatursensoren angeordnet sind.With regard to the combustion chamber, this object is achieved according to the invention solved by between the combustion chamber wall and heat shield elements one or a number of temperature sensors arranged are.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine Gewährleistung einer hohen betrieblichen Sicherheit der Brennkammer eine Zerstörung der Turbine durch sich gelöste Hitzeschildelemente vermieden werden muss. Daher sollte die Gasturbine bei einem Hitzeschildelementverlust rechtzeitig abschaltbar sein, falls sich ein Hitzeschildelement löst. Dazu müsste der Verlust eines Hitzeschildelementes an der Brennkammerwand rechtzeitig registrierbar sein. Auf besonders einfache Weise ist der Verlust eines Hitzeschildelementes durch die auftretende Temperaturänderung an der Brennkammerwand detektierbar. Bei der Ablösung eines Hitzeschildes an der Brennkammerwand wird sich der sonst gekühlte Zwischenraum zwischen Brennkammerwand und Hitzeschildelement aufgrund der fehlenden thermischen Isolation zum Brennkammerinnenraum vergleichsweise schnell und stark erwärmen bzw. sich die Brennkammerwand im Bereich von fehlender Innenwandauskleidung nahezu an die Temperaturen im Brennkammerinnenraum angleichen. Diese Temperaturdifferenz, die bei der Ablösung eines Hitzeschildelementes auftritt, kann mit temperaturabhängigen Sensoren, bei denen die Temperaturabhängigkeit insbesondere über den elektrischen Widerstand oder das Schmelzverhalten gegeben ist, gemessen und damit indirekt das Fehlen eines Hitzeschildelemntes detektiert werden.The invention is based on the consideration that for a guarantee of a high level of operational security for the Combustion chamber a destruction of the turbine by itself Heat shield elements must be avoided. Therefore, the Gas turbine in time in the event of loss of heat shield element can be switched off if a heat shield element comes loose. To do this, the loss of a heat shield element on the The combustion chamber wall can be registered in good time. On special the simple way is the loss of a heat shield element due to the temperature change occurring on the combustion chamber wall detectable. When a heat shield is removed the otherwise cooled space becomes the combustion chamber wall between the combustion chamber wall and the heat shield element due to the lack of thermal insulation to the combustion chamber interior comparatively heat up quickly and strongly or the combustion chamber wall almost in the area of missing inner wall lining adjust to the temperatures in the combustion chamber interior. This temperature difference that occurs when a heat shield element is detached can occur with temperature-dependent sensors, where the temperature dependence is especially about given the electrical resistance or the melting behavior is measured and thus indirectly the absence of a heat shield element can be detected.
Um mit einem Temperatursensor mehrere Hitzeschildelemente der Brennkammerwandauskleidung gleichzeitig auf ihre Vollständigkeit bzw. auf ein eventuelles Fehlen hin zu überwachen, ist ein Temperatursensor vorteilhafterweise als ein entlang einer Streckenrichtung ausgedehntes Bauteil ausgebildet. Auf diese Weise kann dieser entlang der Brennkammerwand positioniert werden und sämtliche Hitzeschildelemente, die sich zwischen Temperatursensor und dem Brennkammerinnenraum befinden überwachen. Damit ist insgesamt auch eine besonders einfache Bauweise erreichbar.To use multiple heat shield elements with a temperature sensor Combustion chamber lining at the same time for completeness or to monitor for a possible absence a temperature sensor advantageously as one along one Component stretched direction. To this This can be positioned along the combustion chamber wall and all heat shield elements that are between Monitor the temperature sensor and the combustion chamber interior. Overall, this is also a particularly simple construction reachable.
Um einen Temperatursensor an der Brennkammerwand zu fixieren und entlang dieser zu führen befindet sich dieser zweckmäßigerweise in einer zugeordneten Nut in Umfangsrichtung der Brennkammerwand.To fix a temperature sensor on the combustion chamber wall and to lead along this is conveniently in an associated groove in the circumferential direction of the Combustion chamber wall.
Um die Temperaturänderung an der Brennkammerwand bei dem Verlust eines Hitzeschildelementes zuverlässig zu detektieren, sind unterschiedliche Ausführungsvarianten denkbar.To the temperature change on the combustion chamber wall in the event of loss to reliably detect a heat shield element, different versions are conceivable.
Bei einer ersten Variante besteht ein Temperatursensor vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Schmelzdraht. Im Bereich eines fehlenden Hitzeschildelementes schmilzt beim Überschreiten der Schmelztemperatur der Draht und zerstört dadurch die elektrische Leitfähigkeit. Die dadurch starke Widerstandserhöhung bzw. die Leitungsunterbrechung des Schmelzdrahtes lässt sich wiederum messen und dadurch ein Hitzeschildelementverlust anzeigen.In a first variant, there is preferably a temperature sensor from an electrically conductive fuse wire. In the area a missing heat shield element melts when Exceeding the melting temperature of the wire and destroyed thereby the electrical conductivity. The resulting strong increase in resistance or the open circuit of the fuse wire can in turn be measured and thereby loss of heat shield element Show.
Vorteilhafterweise weist ein Schmelzdraht eine Schmelztemperatur zwischen 300°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 500°C und 700°C, auf. Dieser Temperaturbereich ist derart gewählt, dass die Schmelztemperatur zwischen der Temperatur der gekühlten Seite der Hitzeschildelemente und der Brennkammerwand im Normalbetrieb einerseits und der sehr viel höheren Temperatur der ungeschützten Brennkammerwand andererseits liegt, so dass bei einem Hitzeschildelementverlust die Schmelztemperatur am Schmelzdraht vergleichsweise schnell und deutlich überschritten wird.A fuse wire advantageously has a melting temperature between 300 ° C and 1000 ° C, preferably between 500 ° C and 700 ° C. This temperature range is chosen that the melting temperature is between the temperature of the cooled Side of the heat shield elements and the combustion chamber wall in normal operation on the one hand and the much higher temperature the unprotected combustion chamber wall, so that if the heat shield element is lost, the melting temperature comparatively quickly and clearly on the fuse wire is exceeded.
Bei einer zweiten Variante wird der Temperatursensor vorteilhafterweise aus einem stromdurchflossenen Draht gebildet, der einen temperaturabhängigen elektrischen Leitwert aufweist, damit dieser im Fall eines Hitzeschildelementverlustes nicht zerstört wird. Bei einer Temperaturänderung im Bereich des Drahtes ändert sich der temperaturabhängige Widerstand des Drahtes und damit auch der Strom, der durch den Draht fließt, wodurch sich der Verlust eines Hitzeschildelementes detektieren lässt.In a second variant, the temperature sensor is advantageously formed from a current-carrying wire, the has a temperature-dependent electrical conductivity, so that it does not in the event of loss of the heat shield element gets destroyed. With a temperature change in the range of Wire changes the temperature dependent resistance of the Wire and with it the current that flows through the wire whereby the loss of a heat shield element is detected leaves.
Um ein aktives Signal für den Verlust eines Hitzeschildelementes zu verwenden, besteht ein Temperatursensor zweckmäßigerweise aus einem Thermoelement. An diesem lässt sich über eine Veränderung der Thermospannung eine Temperaturveränderung und damit ein Hitzeschildelementverlust im Bereich des Thermoelementes detektieren.An active signal for the loss of a heat shield element to use, there is a temperature sensor expediently from a thermocouple. This can be done via a change in thermal voltage a change in temperature and thus a heat shield element loss in the area of Detect thermocouple.
Damit bei der Verwendung von Thermoelenten zur Überwachung der Hitzeschildelemente mit einer Meßschaltung mehrere Hitzeschildelemente der Brennkammerwandauskleidung gleichzeitig auf ihre Vollständigkeit bzw. auf ein eventuelles Fehlen eines Hitzeschildelementes zu überwachen sind, besteht ein Temperatursensor vorzugsweise aus einer Reihenschaltung von Thermoelementen. Eine durch eine Temperaturerhöhung ausgelöste Spannungsveränderung eines Thermoelementes lässt sich durch eine Überwachung der Gesamtspannung der Reihenschaltung überwachen, da sich die Ausgangsspannungen der einzelnen Thermoelemente bedingt durch die Reihenschaltung addieren. So when using thermocouples for monitoring the heat shield elements with a measuring circuit several heat shield elements the combustion chamber wall lining at the same time for their completeness or for the possible absence of a There is a temperature sensor to monitor the heat shield element preferably from a series connection of Thermocouples. A triggered by an increase in temperature Voltage change of a thermocouple can be by monitoring the total voltage of the series connection monitor because the output voltages of each Add thermocouples due to the series connection.
Um den Aufbau einer geeigneten Meßschaltung für die Überwachung der Hitzeschildelemente möglichst einfach zu gestalten, besteht ein Temperatursensor zweckmäßigerweise aus einem Mantelthermoelement. Dieses besteht vorteilhafterweise aus zwei parallelen Thermodrähten, die ihrer Länge nach durch ein Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten voneinander isoliert sind. Bei einer Temperaturerhöhung an einer Stelle des Endlosthermoelementes verringert sich der elektrische Widerstand im Isolationmaterial des erwärmten Bereiches, so dass sich die Thermospannung zwischen den zwei Thermodrähten erhöht. Die Thermospannung entspricht daher etwa der höchsten Temperatur im Verlauf des Mantelthermoelementes.To build a suitable measuring circuit for monitoring to make the heat shield elements as simple as possible, a temperature sensor expediently consists of a jacket thermocouple. This advantageously consists of two parallel thermal wires that are lengthwise through a material with a positive temperature coefficient from each other are isolated. With a temperature increase on one The place of the endless thermocouple is reduced Resistance in the insulation material of the heated area, so that the thermal voltage between the two thermal wires elevated. The thermal voltage therefore corresponds approximately to that highest temperature in the course of the jacket thermocouple.
Um die gesamte Brennkammer während des Betriebes ständig auf eventuelle Verluste von Hitzeschildelementen zu überwachen, sind Sensoren vorzugsweise an eine zugeordnete Auswerteschaltung angeschlossen, die über die Temperatursensoren die Temperaturverteilung der Brennkammer überwacht und dadurch den Verlust von Hitzeschildelementen oder Teile dieser registriert.To keep the entire combustion chamber open during operation monitor any loss of heat shield elements, sensors are preferably to an assigned evaluation circuit connected, the temperature distribution via the temperature sensors monitors the combustion chamber and thereby the Loss of heat shield elements or parts thereof registered.
Die oben genannte Brennkammer ist vorzugsweise Bestandteil einer Gasturbine.The above-mentioned combustion chamber is preferably a component a gas turbine.
Um Schäden durch sich gelöste Hitzeschildelemente oder Teile dieser im Bereich der Turbineneinheit der Gasturbine zu vermeiden ist die Gasturbine über die Auswerteschaltung vorteilhafterweise automatisch abschaltbar. Im Falle einer Detektion eines Hitzeschildelementverlustes von Temperatursensoren bzw. der nachgeschalteten Auswerteschaltung kann so insbesondere die Brennkammer als auch die Turbine zeitnah zum Hitzeschildelementverlust heruntergefahren werden.Damage caused by loosened heat shield elements or parts to avoid this in the area of the turbine unit of the gas turbine the gas turbine is advantageously via the evaluation circuit can be switched off automatically. In case of detection heat shield element loss from temperature sensors or the downstream evaluation circuit can in particular the combustion chamber as well as the turbine promptly after the loss of the heat shield element be shut down.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Positionierung von Temperatursensoren zwischen Brennkammerwand und Hitzeschildelementen einer Brennkammer ein Verlust eines Hitzeschildelementes bzw. Teile dieser zuverlässig detektierbar sind und sich dadurch Schäden in der der Brennkammmer nachgeschalteten Turbineneinheit vermeiden lassen, indem die Gasturbine im Falle eines Hitzeschildelemtverlustes durch die den Temperatursensoren nachgeschaltete Auswerteschaltung automatisch abgestellt wird. Der Vorteil des Einsatzes von Temperatursensoren, die insbesondere längs einer Strecke ausgebildet sind, ist, dass nicht jedes Hitzeschildelement einzeln mit einem Temperatursensor versehen werden muss, sondern mehrere Hitzeschildelemente mit einem Temperatursensor bzw. einer Meßschaltung überwachbar sind. Der Einsatz von Thermoelementen und insbesondere eines Mantelthermoelementes hat neben der guten Überwachungsmöglichkeit der Hitzeschildelemente und leichten Auswertbarkeit des Ausgangssignals, den Vorteil, dass Thermoelemente für sehr hohe Temperaturen einsetzbar sind und sich daher für die Hitzeschildelementüberwachung an der Brennkammerwand empfehlen.The advantages achieved with the invention are in particular in that by positioning temperature sensors between the combustion chamber wall and heat shield elements Combustion chamber loss of a heat shield element or parts these are reliably detectable and cause damage Avoid in the turbine unit downstream of the combustion chamber by the gas turbine in the event of heat shield loss through the downstream of the temperature sensors Evaluation circuit is turned off automatically. The Advantage of using temperature sensors, in particular are formed along a route, that is not each heat shield element individually with a temperature sensor must be provided, but several heat shield elements with a temperature sensor or a measuring circuit can be monitored are. The use of thermocouples and especially one Sheathed thermocouples have good monitoring options of the heat shield elements and easy evaluation of the output signal, the advantage that thermocouples for very high temperatures can be used and are therefore suitable for Recommend heat shield element monitoring on the combustion chamber wall.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
- FIG 2
- die Brennkammer der Gasturbine nach Fig. 1,
- FIG 3
- einen in Umfangsrichtung der Brennkammer angeordnete Temperatursensor,
- FIG 4
- einen Ausschnitt aus der Wand der Brennkammer nach Fig. 2, und
- FIG 5
- einen Schnitt durch ein Mantelthermoelement.
- FIG. 1
- a half-section through a gas turbine,
- FIG 2
- the combustion chamber of the gas turbine according to FIG. 1,
- FIG 3
- a temperature sensor arranged in the circumferential direction of the combustion chamber,
- FIG 4
- a section of the wall of the combustion chamber of FIG. 2, and
- FIG 5
- a section through a jacket thermocouple.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. The same parts have the same reference symbols in all the figures Mistake.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum
Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators
oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine
6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als
Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit
der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden
ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die
in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4
ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines
flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.The gas turbine 1 according to FIG. 1 has a compressor 2 for
Combustion air, a
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6
durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen
hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen
jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von
Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem
Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird
dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8
connected,
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel
14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement
angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise
stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung
eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende
Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger
Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20
an der Turbinenwelle 8 befestigt.Each guide vane 14 has one which is also referred to as a
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel
12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21
dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand
16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende
heiße Arbeitsmedium M schützt.Between the spaced
Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte
Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in
Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten
Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu
ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige
Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert
ist.The
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist
die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur
des Arbeitsmediums M von etwa 1000 °C bis 1600 °C ausgelegt.
Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern
eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen,
ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium
M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen
26 gebildeten Innenauskleidung versehen. Jedes Hitzeschildelement
26 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders
hitzebeständigen Schutzschicht ausgestattet oder aus hochtemperaturbeständigem
Material gefertigt. Aufgrund der hohen
Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die
Hitzeschildelemente 26 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem
vorgesehen.To achieve a comparatively high efficiency
the
Die Brennkammer 4 ist insbesondere für eine Detektion von
Verlusten der Hitzeschildelemente 26 ausgelegt. Dazu sind
zwischen der Brennkammerwand 24 und den Hitzeschildelementen
26 eine Anzahl von Temperatursensoren 28 positioniert, die
längsgestreckt in jeweils einer Nut 30 der Brennkammerwand 24
verlaufen, wobei diese die Hitzeschildelemente 26 jeweils in
Umfangsrichtung der Brenkammer 4 umgeben, wie sich aus FIG 2
erkennen lässt. Um eine Temperaterhöhung durch den Verlust
eines Hitzeschildelementes 26 an der Brennkammerwand 24 messen
zu können, besteht der Temperatursensor 28 wahlweise aus
einem stromdurchflossenen Schmelzdraht, einem bzw. mehreren
Thermoelementen oder aus einem Mantelthermoelement 31. Der
Temperatursensor 28 ist dabei insbesondere, wie in Fig. 3
schematisch gezeigt, als in Umfangsrichtung der Brennkammer 4
ausgedehntes, lang ausgestrecktes Überwachungselement ausgeführt.The
Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des Temperatursensors 28
ist in Fig. 4 die Brennkammerwand 24 ausschnittsweise dargestellt.
Bei intakten, ordnungsgemäß installierten Hitzeschildelementen
26 werden diese über das Arbeitsmedium M vom
Inneren der Brennkammer 4 thermisch belastet, wobei die Isotherme
29, also die Kontur gleicher Temperatur, im wesentlichen
parallel zur Innenwand verläuft. Über die Dicke des Hitzeschildelements
26 hinweg besteht dabei ein erhebliche Temperaturgradient
so dass die auf der kühlen Seite der Hitzeschildelemente
26 angeordneten Temperatursensoren 28 mit nur
vergleichsweise geringerer Temperatur beaufschlagt werden.
Falls jedoch ein Hitzeschildelement 26 abhanden kommen
sollte, so stellt sich die Isotherme 29a ein. In diesem Fall
wird der Temperatursensor 28 somit mit deutlich erhöhter Temperatur
beaufschlagt, so dass je nach Ausführung beispielsweise
eine deutliche Änderung des elektrischen Widerstands
oder des elektrischen Leitwerts oder ein Durchschmelzen eines
Schmelzdrahtes festgestellt werden kann.To clarify the mode of operation of the
Eine Querschnittsdarstellung dieses Temperatursensors 28 ist
in FIG 5 aufgeführt. Wie aus der Figur erkennbar ist, setzt
sich das Mantelthermoelement (31) aus zwei parallel angeordneten
Thermodrähten 32 zusammen, die sich in einem temperaturabhängigen
Isolationsmaterial 34 befinden und der Länge
nach durch dieses voneinander isoliert sind. Die Materialien
der Thermodrähte 32, der Temperaturkoefizient der Isoliermasse
sowie die Dimensionierung des gesamten Mantelthermoelementes
sind auf die zu messenden Temperaturbereiche an der
Brennkammerwand 24 abgestimmt, so dass sich bei einem Verlust
eines Hitzeschildelementes 24 der elektrische Widerstand im
Isolationmaterial 34 des erwärmten Bereiches verringert und
sich so die Thermospannung zwischen den zwei Thermodrähten 32
erhöht.A cross-sectional view of this
Um den Verlust von Hitzeschildelementen 26 zentral erfassen
zu können, sind sämtliche Temperatursensoren 28 an die Auswerteschaltung
36 angeschlossen. Diese ist insbesondere dazu
ausgelegt, bei dem Verlust eines Hitzeschildelementes 26 die
Gasturbine 1 abzuschalten. Dafür ist sie mit der
Relaissteuerung der Gasturbine 1 verbunden.To record the loss of
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