DE4343332A1

DE4343332A1 - Vorrichtung zur Konvektivkühlung einer dichten Brennkammer

Info

Publication number: DE4343332A1
Application number: DE19934343332
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr Schulte-Werning; Daniel Walhood
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2013-12-21
Also published as: DE4343332C2; JPH07198142A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konvektivkühlung einer dichten Brennkammer von Gasturbogruppen.

Stand der Technik

Im Zuge der Entwicklung werden zur Verbesserung des Wirkungs grades in modernen Gasturbinen zunehmend der Druck und die Temperatur des Heißgases in der Brennkammer erhöht. Das führt dazu, daß die Brennkammerwände von den Druck- und Thermolasten wesentlich höher als früher beansprucht werden.

Da in den heutigen Gasturbinengenerationen gleichzeitig auch die Schadstoffemissionen gesenkt werden müssen und daher mög lichst der gesamte Luftmassenstrom durch die Brenner gehen sollte, kommen für die Brennkammerkühlung keine Techniken in Frage, die durch kontrollierte Einbringung einer isolierenden Luftschicht auf der Brennkammerseite zwar den Wärmestrom ver mindern, aber gleichzeitig auch den Brennermassenstrom redu zieren. Dies trifft zum Beispiel auf die Filmkühlung zu. Es werden daher vermehrt rein konvektive Kühlsysteme in einer "abgedichteten" Brennkammer eingesetzt, bei denen die gesamte Kühlluft in einem Kühlkanal zwischen Brennkammerinnen- und Brennkammeraußenwand entlangströmt, bevor sie durch die Brenner geleitet wird.

Die Kühlleistung zur Abfuhr der Wärmelast ist sowohl von der kühlluftseitig treibenden Temperaturdifferenz, von der vom Kühlmedium benetzten Oberfläche, als auch vom durch aerodyna mische Effekte hervorgerufene Wärmeübergangskoeffizienten ab hängig.

Ein höherer Verdichterdruck hat im allgemeinen auch eine hö here Kühllufttemperatur und die hohe Wärmebelastung eine ge ringere Metalltemperatur auf der Kühlluftseite bei einer üb licherweise festgelegten flammenseitigen Metalltemperatur zur Folge. Auf der Kühlluftseite wird daher die treibende Tempe raturdifferenz überproportional kleiner. Daher muß oft die Kühlwirkung verstärkt durch den aerodynamischen Effekt auf gebaut werden. Einer der Hauptparameter ist somit die Ge schwindigkeit im Kühlkanal, mit der aber wiederum quadratisch der Druckverlust im Kühlsystem, der den Gasturbinen-Wirkungs grad vermindert, gekoppelt ist.

Beim bisher bekannten Stand der Technik sind dichte Brennkam mern so ausgeführt, daß die eigentliche Brennkammerwand, d. h. die Trennwand zwischen Heißgas und Kühlluft, gleichzei tig sowohl die gesamte Wärmelast als auch die gesamte Druck last trägt. Der Kühlkanal selbst ist dann außen nur durch eine dünne Abdeckung begrenzt, die keine Drucklasten aufneh men kann. Bei den für stationäre Gasturbinen hohen Anforde rungen an die Lebensdauer sind deshalb relativ große Wand stärken der eigentlichen Brennkammerwand, die z. B. im Bereich von 5 mm bis 7 mm liegen können, notwendig.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die bei einer hochbelasteten, konvektiv gekühlten dichten Gasturbinenbrennkammer eine effektive Kühlung der Brennkam merwand mit geringen Druckverlusten bei uneingeschränkt hoher Lebensdauer der Brennkammer und relativ geringer Brennkammer wandstärke gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches die tra gende äußere Brennkammerwand entlang der Kühlstrecke fest mit der relativ dünnen inneren Brennkammerwand verbunden ist unter Bildung von mehreren voneinander getrennten Kühlkanä len.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, daß eine Entkopplung von Drucklast- und Wärmelastaufnahme er reicht und eine stabile und kompakte Kühlfiguration erzielt werden. Es treten bei der Kühlung nur geringe Druckverluste auf, die erzielbare Lebensdauer der Brennkammer ist wegen der hervorragenden Kühlwirkung sehr hoch und die Wandstärke der Brennkammerwand kann relativ gering sein.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Brennkammerwände min destens an den Stellen miteinander fest verbunden sind, an denen eine Relativbewegung auftreten könnte.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die innere Brennkammerwand entlang der Kühlstrecke mit Längsrippen versehen ist, wobei die Verbindung mit der tragenden Brennkammerwand die Längs rippen oben abschließt und dadurch die voneinander abge grenzten Kühlkanäle entstehen.

Schließlich wird mit Vorteil eine relativ dicke tragende Brennkammerwand verwendet wird, in welche nahe der Heißgasseite voneinander abgegrenzte Kühlkanäle eingebettet sind, wobei Form, Durchmesser und Abstand der Kühlkanäle variierbar sind. Dadurch kann eine optimale Anpassung an die spezifische Situation in der Brennkammer lokal erfolgen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die der Flamme zugewandte Seite der inneren Brennkammerwand mit einer Wärmedämmschicht versehen ist, weil dadurch der Wärmeeintrag von der Heißgasseite schon an seiner Quelle vermindert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer hochbelasteten, schadstoffarmen dichten Gastur binenbrennkammer dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbinenbrennkammer;

Fig. 2 einen Querschnitt II-II der Brennkammerwand von Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt der Brennkammerwand eines anderen Ausführungsbeispieles.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Kühlluft und des Heißgases ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Teil einer konvektiv gekühlten dichten Gas turbinenbrennkammer 1 dargestellt. Wegen der heutigen hohen Anforderungen an eine nur geringe Schadstoffemission wird der gesamte Massenstrom der Kühlluft A durch die Brenner 2 ge schickt. Als Brenner 2 werden in diesem Ausführungsbeispiel schadstoffarme umweltfreundliche Doppelkegelbrenner verwen det. Die Kühlluft A tritt am Ende der Brennkammer 1 in die Kühlstrecke 3 ein und verläßt diese am Anfang der Brennkam mer 1, um anschließend die Brenner 2 zu passieren. Das beim Betrieb der Brennkammer 1 mit Doppelkegelbrennern besonders vorteilhafte Gegenstromprinzip kann in anderen Ausführungs beispielen auch durch eine Gleich- oder Kreuzstromführung ersetzt werden.

Fig. 2 zeigt in einem Teilquerschnitt von Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennkammerwandsegment. Es besteht aus einer relativ dicken tragenden Wand 4 zum Auffangen der Drucklasten C, in der entlang der Kühlstrecke 3 Kühlkanäle 5 in Form von langen Löchern eingebettet sind. Die Kühlkanäle 5 befinden sich nahe der Heißgasseite, beispielsweise beträgt in diesem Ausführungsbeispiel der Abstand des Lochrandes zum Flammen raum 2 mm. Auf Grund dieser Anordnung ist dadurch der tragen den Brennkammerwand 4 eine relativ dünne Brennkammerwand 6 vorgelagert, die direkt mit der tragenden Wand 4 verbunden ist, so daß die so gebildete Gesamtstruktur alle Drucklasten c aufnehmen kann. Diese dünne innere Brennkammerwand 6 schützt im Sinne eines Hitzeschutzschildes die tragende Brennkammerwand 4 vor der Strömung des Heißgases B, nimmt die Wärmelast D auf und wird selbst gekühlt, beispielsweise konvektiv.

Bei gegebenen Wärmeströmen fallen nun die Temperaturdifferen zen über die Wand 6 gegenüber dem bisherigen Stand der Tech nik erheblich geringer aus. Dadurch ist eine Erhöhung des kühlluftseitig treibenden Temperaturgefälles gewährleistet. Als Folge kann der aerodynamische Aufwand zur Kühlung deut lich verringert werden.

Weil die Drucklast C durch die Gesamtstruktur aufgefangen wird, kann die Wand 6 sehr dünn ausgeführt werden mit den skizzierten positiven Auswirkungen auf die Kühlleistung.

Da die Form, der Abstand und der Durchmesser der Kühlkanäle 5 in weiten Grenzen variierbar sind, ist auch eine optimale lo kale Anpassung an die spezifische Situation in der Brennkam mer 1 möglich.

Die Herstellung einer solchen Kühlungsvorrichtung kann auf schweiß- und/oder gießtechnischem Wege erfolgen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die tragende Brennkammerwand 4 im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kälter ist und daher hohe Festigkeitswerte aufweist.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Brennkammersegment weist an der inneren Brennkammer wand 6 Längsrippen 7 entlang der Kühlstrecke 3 auf. Die Längsrippen 7 werden oben von der Tragstruktur, d. h. der tra genden Wand 4, abgeschlossen. Dadurch bilden sich einzelne voneinander getrennte Kühlkanäle 5, durch die die Kühlluft A strömt. Auch mit dieser Kühlkonfiguration werden die o.g. Vorteile erreicht.

Die Kühlleistung ist ebenso über Form, Abstand und Durchmes ser der Kanäle, also auch über die Rippenform optimierbar. Zusätzlich können noch Rauhigkeitselemente in beiden Ausfüh rungsbeispielen eingesetzt werden.

Bei den in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei spielen ist zusätzlich die der Flamme zugewandte Seite der Brennkammerwand 6 noch mit einer keramischen Wärmedämmschicht 8 versehen. Das führt zu einer Verminderung des Wärmeeintra ges schon an seiner Quelle.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kühltechnik be steht darin, daß Dehnungen auf Grund thermischer Spannungen zwar insgesamt zu einer Verformung der Brennkammerwand führen können, jedoch die Form der Kühlkanäle 5 nicht verändert und dadurch die Kühlwirkung konstant gehalten wird. Durch eine derart robuste Konstruktion wird eine "Selbstmord"-Schaltung der Kühlung, die auf thermische Dehnungen mit verschlechteter Kühlwirkung wegen einer veränderten Kanalgeometrie und damit zu weiterer Überhitzung mit vergrößerten Dehnungen reagiert, wirksam unterbunden.

Durch die Entkopplung von Druck- und Wärmelast führt diese Kühltechnik auch bei sehr hohen Wärmeströmen nur zu relativ geringen prozentualen Druckverlusten und damit zu einem ver besserten Gasturbinen-Wirkungsgrad. Andererseits erlaubt sie einen äußerst stabilen Aufbau auch bei den mit dem Verdich terdruck steigenden absoluten Drucklasten.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Brenner
3 Kühlstrecke
4 tragende Brennkammerwand
5 Kühlkanal
6 innere Brennkammerwand
7 Längsrippen
8 Wärmedämmschicht
A Kühlluft
B Heißgas
c Drucklast
D Wärmelast

Claims

1. Vorrichtung zur Konvektivkühlung einer dichten Brenn kammer (1) von Gasturbogruppen, welche im wesentlichen aus Brennkammeraußen- und Brennkammerinnenwand (4, 6) mit dazwischen befindlicher Kühlstrecke (3) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende äußere Brenn kammerwand (4) entlang der Kühlstrecke (3) fest mit der relativ dünnen inneren Brennkammerwand (6) verbunden ist unter Bildung von mehreren voneinander getrennten Kühl kanälen (5).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerwände (4, 6) mindestens an den Stel len miteinander fest verbunden sind, an denen eine Rela tivbewegung auftreten könnte.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß die innere Brennkammerwand (6) entlang der Kühlstrecke (3) mit Längsrippen (7) versehen ist, wobei die Verbindung mit der tragenden Brennkammerwand (4) die Längsrippen (7) oben abschließt und dadurch die vonein ander abgegrenzten Kühlkanäle (5) entstehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß eine relativ dicke tragende Brennkammerwand (4) verwendet wird, in welche nahe der Heißgasseite voneinander abgegrenzte Kühlkanäle (5) eingebettet sind, wobei Form, Durchmesser und Abstand der Kühlkanäle (5) variierbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Flamme zugewandte Seite der inneren Brennkammerwand (6) mit einer Wärmedämmschicht (8) versehen ist.