DE102007018061A1

DE102007018061A1 - Gasturbinenbrennkammerwand

Info

Publication number: DE102007018061A1
Application number: DE102007018061A
Authority: DE
Inventors: Miklós Dr.-Ing. Gerendás
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2008-10-23
Also published as: US20080264065A1; EP1983265A3; US8099961B2; EP1983265A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammerwand für eine Gasturbine mit einer Brennkammerwand 9, an deren Innenseite mehrere Schindeln 10 angeordnet sind, wobei die Schindeln 10 zur Brennkammerwand 9 einen Zwischenraum 14 bilden, in welchen Kühlluft durch in der Brennkammerwand 9 ausgebildete Prallkühllöcher 8 eingeleitet wird und ausgebildete Effusionskühlungslöcher 11, 23 in die Brennkammer ausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel 10 an ihrer der Brennkammerwand 9 zugewandten Seite mit einer Oberflächenstruktur 19, 22 versehen ist und der Bereich der Prallkühllöcher 8 nicht deckungsgleich mit dem Bereich der Effusionslöcher 11 ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammerwand gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die GB 9 106 085 A und die WO 92/16798 A beschreiben den Aufbau einer Gasturbinenbrennkammer durch mit Stehbolzen befestigten, metallischen Schindeln, welche durch die Kombination von Prall- und Effusionskühlung zu einer recht effektiven Kühlwirkung führt und somit die Reduktion des Kühlluftverbrauchs erlaubt. Allerdings wird der Druckverlust, welcher über die Wand hinweg existiert, auf zwei Drosselstellen verteilt, den Schindelträger und die Schindel selbst. Zur Vermeidung von Randleckagen wird meist der größere Anteil des Druckverlustes über den Schindelträger erzeugt, so dass die Kühlluft weniger Veranlassung hat, an der Effusionsschindel vorbeizufließen.
Die GB 2 087 065 A beschreibt eine Prallkühlkonfiguration mit einer bestifteten bzw. berippten Schindel, wobei jeder einzelne Prallkühlstrahl von einem stromauf liegenden Stift bzw. einer Rippe auf der Schindel vor der Querströmung geschützt wird. Desweiteren erhöhen die Stifte bzw. Rippen die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche.
Die GB 2 360 086 A beschreibt eine Prallkühlkonfiguration mit hexagonalen Rippen und zum Teil zusätzlichen zentral innerhalb der hexagonalen Rippen angelegten Prismen zur Erhöhung des Wärmeübergangs.
Die GB 9 106 085 A nutzt nur eine ebene Fläche als Ziel der Prallkühlung. Eine Anbringung von Rippen würde außer der einfachen Erhöhung der Fläche wenig bringen, da die Rippen, wie sie z. B. in der GB 2 360 086 A gezeigt sind, eine Überströmung benötigen, um wirksam zu werden. Durch die Deckungsgleichheit von Prallkühlluftzuführung und Abführung der Luft durch die Effusionsbohrungen ergibt sich allerdings keine nennenswerte Geschwindigkeit bei der Überströmung der Rippen. Zum Teil wird die Druckdifferenz über die Schindel durch den Brennerdrall so vermindert, dass keine effektive Durchströmung der Effusionslöcher mehr stattfindet oder sogar Heißgaseinbruch in die Prallkühlkammer der Schindel droht.
Die Filmkühlung ist die effektivste Möglichkeit, die Wandtemperatur zu senken, da das Bauteil durch den isolierenden Kühlfilm vor der Übertragung von Wärme aus dem Heißgas geschützt wird, statt bereits eingekoppelte Wärme durch andere Methoden im Nachhinein wieder zu entfernen. Die GB 2 087 065 A und die GB 2 360 086 A enthalten keine technische Lehre zur Erneuerung des Kühlfilms auf der Heißgasseite innerhalb der Erstreckung der Schindel. Die Schindel muss jeweils in Strömungsrichtung so kurz ausgeführt werden, dass der von der stromauf liegenden Schindel erzeugte Kühlfilm über die gesamte Länge der Schindel trägt. Dies erzwingt eine Vielzahl von Schindeln entlang der Brennkammerwand und erlaubt nicht, diese Strecke mit einer einzigen Schindel abzudecken.
Bei der GB 2 087 065 A strömt die Luft als geschichtete Strömung entlang eines durchgehenden geraden Kanals, was die Grenzschicht schnell wachsen lässt und somit den Wärmeübergang trotz des Aufwandes schnell vermindert.
Eine technische Lehre zur Abführung der verbrauchten Luft wird in der GB 2 360 086 A nicht gegeben. Somit ist auch diese Anordnung nur für kleine Schindeln geeignet. Bei größeren Schindeln würde die Querströmung zu stark und die Wirkung der Prallkühlung würde durch die Ablenkung des Prallkühlstrahls vermindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammerwand der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die eine hohe Kühleffizienz und eine gute Dämpfung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß werden prall-effusionsgekühlte Schindeln mit einer Oberflächenstruktur, z. B. durch hexagonale Rippen oder andere mehreckige Formen, ausgestattet, wobei die verbrauchte Luft durch Effusionsbohrungen aus dem Prallkühlspalt so abgeführt wird, dass die Erstreckung von Prallkühllöchern zur Luftzufuhr, und das Effusionslochfeld zur Luftabfuhr nicht deckungsgleich sind. Der Bereich, der mit einer Oberflächenstruktur ausgestattet ist, kann die gesamte Schindel abdecken, oder nur einen optimierten Bereich, in welchem eine nennenswerte Überströmung der Oberflächenstruktur stattfindet und somit den merklichen Wärmeübergang erhöht. Die Verschiebung kann in Umfangsrichtung oder in axialer Richtung oder einer beliebigen Kombination dieser vorgesehen werden.
Die hexagonalen Rippen können mit einem Prisma gefüllt sein, so dass die Spitze des Prismas auf dem Niveau der Rippen oder darüber bzw. darunter liegt. Die Oberflächenstruktur kann aus drei-, vier- oder anderen mehreckigen Zellen gebildet werden. Die Oberflächenstruktur kann auch aus kreis- bzw. tropfenförmige Vertiefungen bestehen, wobei auch hier eine Verschiebung zwischen Pralllochfeld, Oberflächenstrukturbereich und Effusionslochfeld in Axial- oder/und Umfangsrichtung entscheidend ist. Sofern Prallkühlbohrungen im Bereich der Oberflächenstruktur vorhanden sind, so treffen die Prallkühlstrahlen im Wesentlichen in der Mitte der mehreckigen Zelle bzw. am tiefsten Punkt der kreis- oder tropfenförmigen Vertiefung auf die Schindel.
Auf der heißgaszugewandten Seite kann die Schindel eine Wärmedämmschicht aus keramischem Material erhalten.
Die Prallkühllöcher können in Axial- und/oder Umfangsrichtung im Durchmesser variieren, ebenso wie die Effusionslöcher und die Dimensionen der Oberflächenstruktur.
Die Prallkühllöcher sind im Wesentlichen senkrecht zur Prallkühlfläche ausgerichtet, die Effusionslöcher hingegen in einem flachen Winkel zur heißgasseitigen Oberfläche im Bereich von 10–45 Grad, vorteilhafterweise im Bereich von 15–30 Grad. Die Effusionslöcher können rein axial ausgerichtet sein, oder einen Umfangswinkel bilden. Das Effusionslochmuster kann sich an der Oberflächenstruktur orientieren.
Erfindungsgemäß entsteht eine definierte Überströmung der Rippen bzw. Vertiefungen zur Maximierung der Rippenwirkung bei gleichzeitiger Minimierung der Beeinträchtigung der Prallkühlung durch die Querströmung. Durch eine stromab Verschiebung der Durchtritte der Effusionslöcher auf der Heißgasseite wird ein druckgradientbedingter Heißgasseinbruch in der unmittelbaren Nähe zum Brenner sicher verhindert. Durch die optimierte Überströmung der Rippen/Vertiefungen und eventuell Prismen wird genügend Kühlwirkung in diesem Bereich erzeugt.
Durch die Verhinderung des Heißgaseinbruches und die gute Kühlwirkung der Schindel mit verbesserter Prallkühlung wird die Schindeltemperatur gesenkt und somit die Lebensdauer des Bauteils verlängert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einer Gasturbinenbrennkammer,
2 eine Axialschnitt-Teilansicht einer Ausgestaltungsform nach dem Stand der Technik,
3 eine Schnittansicht, analog 3, eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
4 eine schematische Draufsicht der Anordnung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
5 eine Ansicht, analog 4, eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
6 eine vereinfachte Schnittansicht einer Ausgestaltungsform der Oberflächenstruktur, und
7 eine vereinfachte Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Oberflächenstruktur, analog 6.
Bei den Ausführungsbeispielen werden gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind schematisch Kompressorauslassschaufeln 1 sowie ein Brennkammeraußengehäuse 2 und ein Brennkammerinnengehäuse 3 dargestellt. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Brenner mit Arm und Kopf, das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Brennkammerkopf, an welchem sich eine mehrschichtige Brennkammerwand 6 anschließt, aus welcher die Strömung zu Turbineneinlassschaufeln 7 geleitet wird.
Die 2 zeigt eine Ausgestaltungsform gemäß dem Stand der Technik, so wie dies beispielsweise aus der WO 92/16798 A vorbekannt ist. Dabei ist eine Brennkammerwand 9 (Schindelträger) dargestellt, in welcher mehrere Zuströmbohrungen 8 (Prallkühllöcher) ausgebildet sind, durch welche Kühlluft aus der Kompressoraustrittsluft 12 in einen Zwischenraum 14 zwischen einer Schindel 10 und der Brennkammerwand 9 eingeleitet wird. Die Schindel 10 ist mittels Stehbolzen 15 und Befestigungsmuttern 16 gesichert. Weiterhin umfasst die Schindel mehrere Effusionskühlungslöcher 11.
Die 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkammerwand. Diese umfasst an der radial nach außen gerichteten, der Brennkammerwand 9 zugewandten Seite der Schindel 10 eine Oberflächenstruktur 19, welche somit auf der Prallfläche der Schindel 10 vorgesehen ist. Die 3 zeigt mit dem Bezugszeichen 17 einen Bereich der Prallkühllöcher 8, während das Bezugszeichen 18 einen Bereich der Effusionskühlungslöcher 11 darstellt. Es ergibt sich aus der Darstellung der 3, dass die Bereiche 17 und 18 in Axialrichtung (bezogen auf die Strömungsrichtung der Kompressoraustrittsluft 12 und der Flamme bzw. dem Rauchgas 13) versetzt sind.
Die 4 zeigt in schematischer Draufsicht die Versetzung des Bereichs 17 der Prallkühllöcher 8 und des Bereichs 18 der Effusionskühlungslöcher 11 bzw. 23. Dabei ist ersichtlich, dass zwischen den Bereichen 17 und 18 mit einer teilweisen Überlappung der Bereich der Oberflächenstruktur 20 angeordnet ist, wobei die Einzelelemente der Oberflächenstruktur schematisch mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet sind.
Die 5 zeigt eine weitere Modifikation in analoger Ansicht zu 4 mit nur teilweise überlappenden Bereichen (Bereich 17 für die Prallkühllöcher 8, Bereich 18 für die Effusionskühlungslöcher 11 und Bereich 20 für die Oberflächenstruktur 22). Mit dem Bezugszeichen 21 ist in schematischer Weise die Projektion eines Prallkühllochs 8 in der Brennkammerwand 9 (Schindelträger) auf die Schindel 10 dargestellt.
Die 6 zeigt in schematischer Seitenansicht (Querschnitt) unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Oberflächenstruktur 19, 22. Dabei ist beispielsweise eine Rippe 24 mit einem rechteckigen Querschnitt sowie eine Rippe 25 mit einem trapezförmigen Querschnitt vorgesehen. Weiterhin kann die Oberflächenstruktur 19 kreisförmige Vertiefungen 26 sowie tropfenförmige Vertiefungen 27 umfassen (siehe auch 7). Mit dem Bezugszeichen 30 ist schematisch eine prismatische Erhöhung (Prisma) dargestellt. Das Prisma kann niedriger als die Rippen 24, 25, höher als die Rippen 24, 25 oder gleich hoch wie die Rippen 24, 25 ausgebildet sein.
Die 7 zeigt eine schematische Draufsicht, analog 6, einer weiteren Ausgestaltungsvariante, aus welcher sich viereckige Zellen 28 und sechseckige Zellen 29 ergeben, die ebenfalls mit einem Prisma 30 versehen sein können.

1: Kompressorauslassschaufeln
2: Brennkammeraußengehäuse
3: Brennkammerinnengehäuse
4: Brenner mit Arm und Kopf
5: Brennkammerkopf
6: Mehrschichtige Brennkammerwand
7: Turbineneinlassschaufeln
8: Zuströmbohrung/Prallkühlloch
9: Brennkammerwand/Schindelträger
10: Schindel
11: Effusionskühlungslöcher
12: Kompressoraustrittsluft
13: Flamme und Rauchgas
14: Zwischenraum zwischen Schindel 10 und Brennkammerwand 9
15: Stehbolzen
16: Befestigungsmutter
17: Bereich der Prallkühllöcher 8
18: Bereich der Effusionskühlungslöcher 11
19: Oberflächenstruktur auf Prallfläche der Schindel 10
20: Bereich der Oberflächenstruktur 19
21: Projektion des Prallkühllochs im Schindelträger auf die Schindel
22: Einzelelement der Oberflächenstruktur (Rippe 4 oder Vertiefung 5)
23: Effusionskühlungsloch
24: Rippe mit rechteckigem Querschnitt
25: Rippe mit trapezförmigem Querschnitt
26: Kreisförmige Vertiefung
27: Tropfenförmige Vertiefung (Überströmung im Wesentlichen von links nach rechts)
28: Viereckige Zellen
29: Sechseckige Zellen
30: Prisma (niedriger, höher als Rippe oder gleich hoch)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- GB 9106085 A [0002, 0005]
- WO 92/16798 A [0002, 0028]
- GB 2087065 A [0003, 0006, 0007]
- GB 2360086 A [0004, 0005, 0006, 0008]

Claims

Gasturbinenbrennkammerwand für eine Gasturbine mit einer Brennkammerwand (9), an deren Innenseite mehrere Schindeln (10) angeordnet sind, wobei die Schindeln (10) zur Brennkammerwand (9) einen Zwischenraum (14) bilden, in welchen Kühlluft durch in der Brennkammerwand (9) ausgebildete Prallkühllöcher (8) eingeleitet wird und aus welchem die Kühlluft durch in der Schindel (10) ausgebildete Effusionskühlungslöcher (11, 23) in die Brennkammer ausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (10) an ihrer der Brennkammerwand (9) zugewandten Seite mit einer Oberflächenstruktur (19, 22) versehen ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit den Prallkühllöchern (8) versehener Bereich (17), ein mit der Oberflächenstruktur (19, 22) versehener Bereich (20) und ein mit den Effusionskühlungslöchern (11, 23) versehener Bereich (18) zueinander versetzt angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzung in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzung in Axialrichtung ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzung in Umfangsrichtung und in Axialrichtung ausgebildet ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (19, 22) mindestens eine Rippe (24, 25) umfasst.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (19, 22) mindestens eine Vertiefung (26, 27) umfasst.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (19, 22) zumindest eine Zelle (28, 29) umfasst.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (19, 22) mindestens eine prismatische Erhebung (30) umfasst.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindel (10) mit einer Wärmedämmschicht aus einem keramischen Material versehen ist.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkühllöcher (8) in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung im Durchmesser variierend ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionskühlungslöcher (11, 23) in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung im Durchmesser variierend ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen der Oberflächenstruktur (19, 22) in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung im Durchmesser variierend ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkühllöcher (8) im Wesentlichen senkrecht zur Brennkammerwand (9) ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionskühlungslöcher (11, 23) in einem flachen Winkel im Bereich von 10–45 Grad ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionskühlungslöcher (11, 23) in einem Winkel im Bereich von 15–30 Grad ausgebildet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionskühlungslöcher (11, 23) hinsichtlich ihrer Mittelachse axial zur Brennkammer ausgerichtet sind.
Gasturbinenbrennkammerwand nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Effusionskühlungslöcher (11, 23) hinsichtlich ihrer Mittelachse in einem Winkel zur Axialachse der Brennkammer ausgebildet sind.