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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammerschindel für
eine Gasturbine mit mehreren Kühllöchern.
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Bei Gasturbinen-Brennkammern ist wegen einer hohen
Umweltverträglichkeit eine möglichst effiziente
Kraftstoffausnutzung anzustreben, um dadurch niedrige Schadstoffemissionen
zu erhalten. Ein guter Wirkungsgrad der Gasturbine wird
unter anderem dann erzielt, wenn möglichst wenig Prozessluft
zu Kühlungszwecken verwendet werden muss. Hierbei spielt die
Brennkammerwandkühlung eine große Rolle.
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Es ist bekannt, durch eine Vielzahl von Pralluftlöchern
Kühlluft in einen Luftspalt zwischen der Brennkammerschindel
und der Brennkammerwandung einzuleiten. Diese Luft wird
wiederum durch Kühllöcher oder Effusionsbohrungen durch die aus
hochtemperaturfesten Materialien gefertigten
Brennkammerschindeln geleitet. Um die zur Verfügung stehende Kühlluft
möglichst wirksam einzusetzen, ist die Anzahl der Kühllöcher
sehr groß gewählt, die Größe der Kühllöcher bzw. deren
Durchmesser allerdings entsprechend klein, da die
Querschnittsfläche der insgesamt zur Verfügung stehenden
Kühllöcher konstruktiv vorgegeben ist.
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Zur Fertigung der Kühllöcher wird üblicherweise ein
Bohrverfahren eingesetzt, welches Laserstrahlen verwendet. Während
die Pralluftlöcher in der Regel senkrecht zu der zu
bohrenden Wandung der Brennkammer ausgebildet sind, müssen die
Kühllöcher oder Effusionslöcher unter einem relativ flachen
Winkel in Richtung der allgemeinen Brennkammerströmung
angeordnet sein, um eine optimale Ausbildung des Kühlfilms auf
der Heißseite der Brennkammerschindeln zu erreichen. Zur
Erzielung gleichmäßiger Strömungsvorgänge weisen die
Kühllöcher beim Stand der Technik alle denselben Neigungswinkel
zur Mittelachse der Brennkammerschindeln auf. Hierdurch ist
es theoretisch möglich, eine gleichmäßige Kühlwirkung auf
der gesamten Fläche der Brennkammerschindel zu erzielen. Die
Ausbildung von sogenannten heißen Stellen, welche eine
negative Auswirkung auf die Lebensdauer der Brennkammerschindeln
hätte, wird somit vermieden.
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Problematisch sind jedoch sogenannte Singularitäten im
Kühllochfeld. Hierzu beschreibt beispielsweise die EP 972 992 A1
Maßnahmen, um in den Bereichen hinter den Mischluftlöchern,
in deren Nachlauf die unter einem flachen Winkel gebohrten
Kühllöcher in den Lochrand laufen würden, zur effizienteren
Kühlung zu ergreifen. Im negativen Fall würden dort hohe
Spannungsspitzen auftreten, die ihrerseits zu einem Anriss
des Bauteils und einem nachfolgenden Bauteilversagen führen
würden.
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Der Stand der Technik zeigt, dass die Herstellung der
Kühllöcher (Effusionsbohrungen) mittels Laserstrahl die derzeit
einzige wirtschaftliche Variante ist, um die benötigte große
Anzahl von Kühllöchern in den Brennkammerschindeln zu
erzeugen. Man unterscheidet dabei zwischen zwei möglichen
Verfahren, einer Schlagbohrvariante (Percussion) und einer
Schneidvariante (Trepanning). In beiden Fällen kann die
Schneidwirkung des Laserstrahls nicht auf das zu bohrende
Kühlloch beschränkt werden. Vielmehr wird sämtliches
Material, welches sich im Bereich des Laserstrahls befindet, mehr
oder weniger stark aufgeschmolzen und/oder entfernt. Sofern
ausreichend Platz zur Verfügung steht, kann die Beschädigung
benachbarter Materialbereiche durch geeignete Masken
verhindert werden. Dies ist jedoch insbesondere bei den
Kühllöchern, die am Randbereich der Schindel gebohrt werden
sollen, nicht möglich. Somit ist es mit den bekannten
Herstellungsverfahren nicht möglich, eng angrenzend an den
Randbereich einer Schindel Kühllöcher einzubringen, da bei deren
Herstellung der Randbereich der Brennkammerschindel
beschädigt würde. Hieraus resultiert, dass angrenzend an den
umlaufenden Schindelrand ein relativ breiter Bereich der
Brennkammerschindel nicht mit Kühllöchern versehen sein
kann. Dieser Bereich wird somit nicht optimal gekühlt. Um
trotzdem eine Kühlwirkung zu erzielen, muss im Vorbereich
der Brennkammerschindel ein entsprechender Kühlfilm erzeugt
werden, der über den Anfangsbereich der Brennkammerschindel
wirksam ist und sich bis zu den ersten Kühllöchern
erstreckt. Der hierbei benötigte Kühlluftmassenstrom nimmt
überproportional mit der zu überwindenden Lauflänge dieses
Anfangskühlluftstroms zu. Dies bedeutet, dass eine
erhebliche Kühlluftmenge benötigt wird, um den Anfangsbereich der
Brennkammerschindel zu kühlen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine
Brennkammerschindel der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche
bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger
Herstellbarkeit unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik
bekannten Nachteile eine effiziente Kühlung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die
Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die in
Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Kühllöcher, beginnend am
Randbereich der Schindel, bezogen auf ihre Mittelachse, einen
abnehmenden Winkel zur Mittelebene der Brennkammerschindel
aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Brennkammerschindel zeichnet sich durch
eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die an den Randbereich
der Brennkammerschindel angrenzenden Kühllöcher
(Effusionsbohrungen) mit einem steileren Winkel zu erzeugen. Hierdurch
ist es möglich, dass kein Teil der Brennkammerschindel, auch
nicht deren Randbereich, sich in der Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls befindet.
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Erfindungsgemäß sind somit die direkt an den Randbereich
anschließenden Kühllöcher mit einem relativ großen Winkel,
bezogen auf ihre Mittelachse, gebohrt, während die
nächstfolgenden Kühllöcher jeweils einen flacheren Winkel einnehmen
können, solange bis der für die restliche Kühlung der
Brennkammerschindel optimale flache Winkel der Kühllöcher
erreicht ist.
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Bedingt durch den steileren Winkel der sich an den
Randbereich anschließenden Kühllöcher ist dort zwar die Kühlung
nicht ganz optimal, sie ist in jedem Falle jedoch besser,
als wenn sich dort, wie beim Stand der Technik bekannt,
keinerlei Kühllöcher befinden. Weiterhin ist die zu der Kühlung
dieses Bereichs erforderliche Kühlluftmenge geringer, als
die für den Starterfilm benötigte Kühlluftmenge.
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Insgesamt ergibt sich somit eine weitaus bessere Kühlung des
Randbereichs der Brennkammerschindel. Dies wiederum führt zu
einer Vergleichmäßigung des Temperaturfeldes auf der
Brennkammerschindel und damit zu einer erheblichen Reduzierung
der durch den thermischen Gradienten induzierten Spannungen.
Als Folge hieraus ist eine wesentlich höhere Lebensdauer der
Brennkammerschindeln zu erzielen.
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Weiterhin führt das im Wesentlichen homogene Temperaturfeld
der Brennkammerschindel zu einer gleichmäßigeren thermischen
Verformung, sodass es möglich ist, eine bessere
Spaltkontrolle zwischen der Brennkammerschindel und der Wandung der
Brennkammer zu erhalten. Diese bessere Spaltkontrolle
ermöglicht eine weitaus bessere Ausnutzung der eingesetzten
Kühlluft. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Gasturbine
ganz erheblich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei
zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Teil-Schnittansicht einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammer,
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Fig. 2 eine vergrößerte Seiten-Schnittansicht einer
erfindungsgemäß ausgestalten Brennkammerschindel, wie in
Fig. 1 gezeigt, und
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Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Brennkammerschindel.
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Die stark vereinfachte, schematische Teil-Schnittansicht der
Fig. 1 zeigt eine Brennkammerwandung 1, in der mehrere
senkrechte zu dieser verlaufende Prallkühllöcher 2 ausgebildet
sind.
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In einem Abstand zu der Brennkammerwand 1 ist eine
Brennkammerschindel 3 angeordnet, deren Randbereiche 14, 15 unter
Bildung einer Kühlluftkammer 16 gegen die Brennkammerwand 1
anliegen.
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Die Darstellung der Fig. 1 zeigt weiterhin einen Hitzeschild
4 sowie ein Loch 5 für einen Kühlluft-Starterfilm 6. Die
Ausgestaltung des Hitzeschildes 4 sowie des Lochs 5 und des
Starterfilms 6 zeigen den aus dem Stand der Technik
bekannten Zustand, auf weitere Erläuterungen kann deshalb an
dieser Stelle verzichtet werden.
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Die Kühlluft strömt durch die Kühlluftkammer 16 zu einer
Vielzahl von Kühllöchern 10 (Effusionslöcher), sodass sich
auf der Heißseite der Brennkammerschindel 3 ein Kühlfilm 8
ausbildet. Auch dieser Vorgang ist grundsätzlich aus dem
Stand der Technik bekannt, sodass auf detailliertere
Beschreibungen an dieser Stelle verzichtet werden kann.
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Mit dem Bezugszeichen 7 ist ein Kühlluftstrom durch die
Kühllöcher 10 beschrieben.
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Die eigentliche Brennkammerströmung ist durch die Pfeile 11
verdeutlicht.
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In Fig. 2 ist in vergrößerter Darstellung die
erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühllöcher 10 dargestellt.
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Während es bei der aus dem Stand der Technik bekannten
Vorgehensweise nicht möglich ist, die Kühllöcher näher an den
Randbereich 14 anzunähern, als das dargestellte Kühlloch 10c
mit der Folge, dass der mit B gekennzeichnete Bereich nicht
ausreichend gekühlt ist, ergibt sich erfindungsgemäß bei dem
gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich ein sehr schmaler,
nicht optimal durch die durch die Kühllöcher 10 austretende
Kühlluft gekühlter Bereich C. Die erste Anordnung von
Kühllöchern 10a weist, wie in Fig. 2 gezeigt, einen relativ
großen Winkel α zur Mittelachse oder Oberfläche der
Brennkammerschindel 3 auf. Mit dem Bezugszeichen 9 ist jeweils ein
Laserstrahl schematisch dargestellt. Es ergibt sich, dass
dieser in seiner Verlängerung, bezogen auf das Kühlloch 10a
einen Abstand von A zu dem Randbereich 14 einhält, sodass
letzterer nicht beschädigt wird.
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Die nächstfolgende Anordnung von Kühllöchern 10b weist einen
kleineren Winkel α auf, als die erste Anordnung von
Kühllöchern 10a. Dieser Winkel α ist jedoch größer, als der für
die restliche Kühlung der Brennkammerschindel 3 optimale
Winkel α, der bei der Kühllochanordnung 10c realisiert ist.
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Auf die Darstellung der weiteren Kühllöcher, welche parallel
zu der Kühllochanordnung 10c in der Brennkammerschindel 3
ausgebildet sind, wurde aus Gründen der übersichtlicheren
Darstellung in Fig. 2 verzichtet.
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Die Fig. 3 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Brennkammerschindel. Aus der Darstellung ist
ersichtlich, dass die Mittelachsen 13 der Kühllöcher 10 nicht
zwangsweise parallel oder in der gleichen Ebene wie die
Brennkammerströmung 11 zu liegen brauchen. Die Bohrrichtung,
d. h. die Richtung der Achsen 11 kann einen Winkel zum
Randbereich 14 der Brennkammerschindel 3 haben, welcher von 90°
abweicht. Dies ist aus der in Fig. 3 von oben gezeigten
Ansicht der Brennkammerschindel 3 ersichtlich.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten
Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der
Erfindung vielfältige Abwandlungs- und
Modifikationsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, das erste Kühlloch
10 mit einem noch größeren Winkel α durch die
Brennkammerschindel 3 zu führen.
Bezugszeichenliste
1 Brennkammerwand
2 Prallkühlloch
3 Brennkammerschindel
4 Hitzeschild
5 Loch
6 Kühlluftstarterfilm
7 Kühlluftstrom
8 Kühlfilm
9 Laserstrahl
10 Kühlloch
11 Brennkammerströmung
12 -
13 Mittelachse
14 Randbereich
15 Randbereich
16 Kühlluftkammer