DE69929753T2

DE69929753T2 - Kühlungs- und Verbindungselement für das Brennkammerhemd einer Gasturbine

Info

Publication number: DE69929753T2
Application number: DE69929753T
Authority: DE
Inventors: David Louis Cincinnati Burrus; Arthur Wesley Cincinnati Johnson; George Eric Cincinnati Moertle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: DE69929753D1; JP2000179356A; EP1010944B1; JP4380855B2; EP1010944A3; US6286317B1; EP1010944A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einsatz für die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks mit einer Wirbeleinschlusskammer und insbesondere ein ringförmiges Kühlprofil (cooling nugget), das ein Hohlraumeinsatzteil mit einem stromabseitigen Einsatzteil verbindet.
Triebwerkstechnologieanforderungen moderner Flugzeuggasturbinen bedingen, dass die Brennkammern darin eine kürzere Länge aufweisen, höhere Leistungspegel über weitere Betriebsbereiche aufweisen und niedrigere Abgasschadstoff-Emissionspegel erzeugen. Ein Beispiel einer für die Lösung dieser Aufgaben konstruierte Brennkammer ist in dem U.S. Patent 5,619,855 für Burrus offenbart. Wie es darin zu sehen ist, ist die Burrus-Brennkammer in der Lage, bei Einlassluftströmungen mit einer hohen Unterschall-Mach-Zahl effizient zu arbeiten. Dieses beruht zum Teil auf einem Kammereinlassmodul, welches es ermöglicht, dass Luft aus einem stromaufseitigen Kompressor in die Brennkammer strömt, wobei Brennstoff in den Strömungskanal eingespritzt wird. Die Brennkammer weist innere und äußere Einsätze auf, die an dem Kammereinlassmodul befestigt sind, welche stromaufseitige Abschnitte beinhalten, um darin einen eingeschlossenen Wirbel aus Brennstoff und Luft zu erzeugen, sowie stromabseitige Abschnitte, die sich in die Turbinendüse erstrecken.
Es hat sich herausgestellt, dass in der vorstehend erwähnten Burrus-Brennkammer heiße Gase aus den Hohlraumverbrennungszonen mit hohen Temperaturen und moderat hohen Geschwindigkeiten auf einen Muffenübergang ("comer junction") auftreffen, wo sich das Hohlraumteil des entsprechenden Ein satzes mit dem restlichen stromabseitigen Einsatzteil vereint. Dieses führt zu hohen Wärmebelastungen an einer derartigen Übergangsstelle des Einsatzes. Obwohl ein Kühlkanal in der US 5,619,855 an dem stromaufseitigen Ende des stromabseitigen Einsatzteils zum Einleiten einer Kühlströmung entlang dessen Oberfläche offenbart ist, ist eine zusätzliche Kühlung sowohl an der Muffenübergangsstelle selbst, als auch entlang der Rückseite des Hohlraumeinsatzteils erforderlich. Ferner sind der Muffenübergang des Hohlraumeinsatzteiles und das abstromseitige Einsatzteil strukturell gefordert, und Maßnahmen, welche diesen Bereich auch verstärken sind ebenso erforderlich.
Eine Verbindungsanordnung mit einem Übergangsteil zwischen den Einsatzteilen, auf welche Kühlluft geleitet werden kann ist in US-A-5 791 148 dargestellt.
Demzufolge wäre es erwünscht, dass ein Einsatz entwickelt wird, in welchem der Übergang zwischen dem Hohlraumeinsatzteil und einem stromabseitigen Einsatzteil eine größere strukturelle Stabilität besitzt. Ferner wäre es erwünscht, wenn ein derartiger Einsatz eine bessere Kühlung an dieser Stelle und entlang einem hinteren Abschnitt des Hohlraumeinsatzteils bereitstellen würde.
Erfindungsgemäß wird ein Einsatz für eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks geschaffen, wobei der Einsatz ein stromaufseitiges Teil, ein stromabseitiges Teil, das in einem Winkel zu dem stromaufseitigen Einsatzteil ausgerichtet ist, und ein ringförmiges Kühlprofil aufweist, das die stromaufseitigen und stromabseitigen Einsatzteile verbindet, um eine mechanische Steifigkeit an einem Übergang der stromaufseiti gen und stromabseitigen Einsatzteile zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlprofil aufweist:

(a) einen mit dem stromaufseitigen Einsatzteil verbundenen ersten Abschnitt;
(b) einen mit dem stromabseitigen Einsatzteil (verbundenen zweiten Abschnitt; und
(c) einen die ersten und zweiten Kühlprofilabschnitte an einem ersten Ende verbindenden dritten Abschnitt, wobei sich der dritte Kühlprofilabschnitt radial von dem ersten Ende weg erstreckt; wobei das Kühlprofil mit einer Kühlluftzuführung in Strömungsverbindung steht und dafür konfiguriert ist, einen Startfilm aus Kühlluft entlang entsprechenden Oberflächen des stromaufseitigen Einsatzteils und des stromabseitigen Einsatzteils zu erzeugen.

Der dritte Abschnitt des Kühlprofils kann ferner einen ersten Flanschabschnitt enthalten, der mit einem zweiten Ende des dritten Abschnittes verbunden ist, wobei der erste Flanschabschnitt von dem stromaufseitigen Einsatzteil in Abstand angeordnet und parallel dazu orientiert ist, sowie einen zweiten Flanschabschnitt, der mit dem zweiten Ende des dritten Abschnittes verbunden ist, wobei der zweite Flanschabschnitt von dem stromabseitigen Einsatzabschnitt in Abstand angeordnet und dazu parallel ausgerichtet ist.
Die Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Längsquerschnittsansicht einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes mit einem Einsatz gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
2 eine vergrößerte Längsquerschnittsansicht des in 1 dargestellten Eckenkühlprofils ist.
Gemäß detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die Figuren bezeichnen, stellt 1 eine Brennkammer 10 dar, welche einen Hohlkörper aufweist, der einen Brennhohlraum 12 darin definiert. Die Brennkammer 10 ist im Wesentlichen um eine Achse 14 ringförmig und besteht ferner aus einem äußeren Einsatz 16, einem inneren Einsatz 18 und einem Kammereinlassmodul, das insgesamt mit den Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Ein Gehäuse 22 ist bevorzugt um die Brennkammer 10 herum so positioniert, dass ein äußerer radialer Kanal 24 zwischen dem Gehäuse 22 und dem äußeren Einsatz 16 ausgebildet wird, und es ist ein innerer Kanal 26 zwischen dem Gehäuse 22 und dem inneren Einsatz 18 ausgebildet.
Man erkennt, dass das Kammereinlassmodul 20 ähnlich wie das in dem U.S. Patent 5,619,855 (Burrus) dargestellte und offenbarte sein kann, welches ebenfalls im Besitz des Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung ist und hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Stattdessen stellt 1 jedoch eine Brennkammer 10 mit einem anderen Kammereinlassmodul 20 dar, bei dem dieses von einem stromaufseitig davor angeordneten Diffusor 28 getrennt ist, um einen Luftstrom aus einem Austrittsende 30 eines Kompressors zu führen. Das Kammereinlassmodul 20 ist detaillierter in einer weiteren Patentanmeldung mit dem Titel "Fuel Injector Bar For Gas Turbine Engine Combustor Having Trapped Vortex Cavity" beschrieben, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde und hierin durch Bezugnahme beinhaltet ist. Man erkennt, dass die Einsätze 16 und 18 der vorliegenden Erfindung in jeder Konstruktion verwendet werden können, und es wird Bezug auf das vorstehend erwähnte Patent und die Patentanmeldung bezüglich Größe und Details bezüglich des Kammereinlassmoduls 20 der Brennkammer 10.
Es sei angemerkt, dass das Erzielen und Aufrechterhalten einer Verbrennung in einer Strömung mit derart hoher Geschwindigkeit schwierig ist und sich in ähnlicher Weise stromabwärts in die Brennkammer 12 überträgt. Um dieses Problem innerhalb der Brennkammer 12 zu überwinden, sind einige Einrichtungen zum Zünden des Brennstoff/Luft-Gemisches und zum Stabilisieren von dessen Flamme erforderlich. Bevorzugt wird dieses durch die Einbeziehung eines insgesamt durch das Bezugszeichen 32 bezeichneten Wirbeleinschluss-Hohlraums erreicht, der wenigstens in dem äußeren Einsatz 16 ausgebildet ist. Ein ähnlicher Wirbeleinschluss-Hohlraum 34 ist bevorzugt auf dem Inneneinsatz 18 vorgesehen. Die Räume 32 und 34 werden dazu verwendet, einen eingeschlossenen Wirbel aus Brennstoff und Luft wie dem vorstehend diskutierten '855-Patent zu erzeugen. Man erkennt, dass eine weitere Beschreibung primär auf den äußeren Einsatz 16 und dessen Hohlraum 32 gerichtet ist, so dass sie auch in gleicher Weise auf dem inneren Einsatz 18 und den darin ausgebildeten Hohlraum 34 anwendbar ist.
Bezüglich des äußeren Einsatzes 16 ist der Wirbeleinschluss-Hohlraum 32 unmittelbar stromabwärts von dem Kammereinlassmodul 20 angeordnet und ist im Wesentlichen mit rechteckiger Form dargestellt (obwohl der Hohlraum 32 auch im Querschnitt gekrümmt sein kann). Der Hohlraum 32 ist zur Brennkammer 12 offen, so dass er durch eine hintere Wand 36, eine vordere Wand 38 und eine dazwischen ausgebildete äußere Wand 40, welche bevorzugt im Wesentlichen parallel zu dem äußeren Einsatz 16 liegt, ausgebildet ist. Obwohl Brennstoff in den Wirbeleinschluss-Hohlraum 32 über einen Brennstoffeinspritzdüse eintreten kann, welcher innerhalb eines Kanals in einer rückseitigen Wand 36 gemäß Darstellung im U.S. Patent 5,619,855 angeordnet ist, wird es bevorzugt, dass der Brennstoff durch eine vordere Wand 38 mittels einer Brennstoffeinspritzstange 42 gemäß Diskussion in dem vorstehend angegebenen Patentanmeldung eingespritzt wird.
Es wird in dem '855-Patent angegeben, dass der Hohlraum 32 (das heißt, die hintere Wand 36) direkt mit einem stromabseitigen Teil 44 des äußeren Einsatzes an einem (nicht gekennzeichneten) Eckenbereich verbunden ist. Eine weitere Analyse dieser Konstruktion hat aufgedeckt, dass dieser Eckenbereich hohen Wärmebelastungen unterworfen ist, die durch heiße Gase aus einer Brennzone 46 innerhalb des Hohlraums 32 bewirkt werden, welche mit hohen Temperaturen und moderat hohen Geschwindigkeiten darauf auftreffen. Ferner hat es sich herausgestellt, dass dieser Eckenbereich ein struktureller Schwachpunkt innerhalb des Einsatzes 16 ist.
Um diese Probleme anzugehen, sowie die Wirbelströmung innerhalb der Räume 32 und 34 zu verbessern, führt die vorliegende Erfindung ringförmige Kühlprofile 48 bzw. 49 für die Verbindung von Einsatzteilen 32 und 34 mit stromabseitigen Einsatzteilen 44 und 50 des äußeren Einsatzes 16 und inneren Einsatzes 18 ein. Man erkennt, dass die hinteren Wände 36 und 52 der äußeren Räume 32 und 34 im Wesentlichen senkrecht zu dem stromabseitigen Einsatzteilen 44 und 50 und bevorzugt in nerhalb eines Bereichs von angenähert 75° bis angenähert 105° orientiert sind.
Wie es am Besten in 2 zu sehen ist, enthält das Kühlprofil 48 einen ersten Abschnitt 54, der mit einem Hohlraumeinsatzteil 32 bei der hinteren Wand 36 verbunden ist, einen zweiten Abschnitt 56 der mit dem abstromseitigen Einsatzteil 44 verbunden ist, und einen dritten Abschnitt (58), der die ersten und zweiten Abschnitte 54 und 56 bei einem ersten Ende 60 verbindet. Es sei angemerkt, dass sich der dritte Kühlprofilabschnitt 58 radial nach innen vom ersten Ende 60 zu einem zweiten Ende 62 erstreckt. Ein erster Flanschabschnitt 64 ist mit dem zweiten Ende 62 eines dritten Kühlprofilabschnittes 58 wie auch ein zweiter Flanschabschnitt 66 verbunden, wobei der erste Flanschabschnitt 64 bevorzugt von der hinteren Wand 36 in Abstand angeordnet und im Wesentlichen parallel dazu angeordnet ist, und der zweite Flanschabschnitt 66 bevorzugt von einem stromabseitigen Einsatzteil 44 in Abstand angeordnet und im Wesentlichen parallel dazu ausgerichtet ist. Auf diese Weise wirken die ersten und zweiten Flanschabschnitte 64 und 66 so, dass sie einen Wärmeschild an dem Übergang eines Hohlraumeinsatzteils 32 und eines stromabwärtigen Einsatzteiles 44 ausbilden.
Man wird erkennen, dass der dritte Kühlprofilabschnitt mit einer Kühlluftzuführung (zum Beispiel Nebenstromluft, die aus dem Inneren des Außenkanals 24 verfügbar ist) über mehrere ringförmig in Abstand angeordnete Kühlkanäle 68 innerhalb des ersten Kühlprofilabschnittes 54 und mehrere ringförmig in Abstand angeordnete Kühlkanäle 70 innerhalb des zweiten Kühlprofilabschnittes 56 in einer Strömungsverbindung steht. Auf diese Weise kann der Aufbau des Kühlprofilabschnittes 48 kühl gehalten werden und dadurch seine mechanische Steifigkeit be wahrt werden, um den Übergang zwischen dem Hohlraumeinsatzteil 32 und dem stromabseitigen Einsatzteil 44 zu unterstützen. Ferner ist das Kühlprofil 48 so konfiguriert, dass es einen Startfilm einer Kühlluft entlang der Oberfläche 72 der hinteren Wand 36 und einer Oberfläche 74 eines abstromseitigen Einsatzteiles 44 bereitstellt. Alternativ können Kühlkanäle 68 und 70 innerhalb der hinteren Wand 36 und des stromabseitigen Einsatzteils 44 ausgebildet werden, um die Strömungsverbindung zwischen der Kühlluftzuführung und dem dritten Kühlprofilabschnitt 58 zu ermöglichen. Da der Winkel zwischen den Kühlkanälen 68 und 70 typischerweise den Winkel zwischen der hinteren Wand 36 und dem abstromseitigen Einsatzteil 44 entspricht, fällt er bevorzugt ebenfalls in den Bereich von angenähert 75° bis angenähert 105°.
Insbesondere sieht man, dass der erste Kühlprofilabschnitt 54, der erste Flanschabschnitt 64 und eine Oberfläche 76 des dritten Kühlprofilabschnittes 58 so konfiguriert sind, dass sie Kühlluft entlang der hinteren Wandoberfläche 72 des äußeren Hohlraums führen. Ebenso sind der zweite Kühlprofilabschnitt 56, zweite Flanschabschnitt 76 und eine Oberfläche 77 eines dritten Kühlprofilabschnittes 58 so konfiguriert, dass sie Kühlluft entlang der Oberfläche 74 des äußeren stromabseitigen Einsatzteils 44 führen. Es dürfte sich auch verstehen, dass Starterfilme von Kühlluft in gleicher Weise durch das Kühlprofil 49 der vorliegenden Erfindung entlang der Oberfläche 80 der hinteren Wand 52 des inneren Hohlraums und der Oberfläche 82 des inneren stromabseitigen Einsatzteils 50 erzeugt werden. Außer der Unterstützung der Kühlung der Einsätze 16 und 18 werden die Wirbelströmungen innerhalb der Räume 32 und 34 durch die an die hinteren Wandoberflächen 72 und 80 gelieferte Kühlluft verbessert.
Um bei der Kühlung des Bereichs entlang den ersten und zweiten Flanschabschnitten 64 und 66 zu unterstützen, kann eine Serie in Abstand angeordneter Kühlkanäle 78 durch den mittleren Abschnitt 76 des dritten Profilabschnittes 58 vorgesehen werden. Dieses ermöglicht eine Strömungsverbindung aus der Kühlluftzuführung direkt zu dem Bereich, wo das Hohlraumeinsatzteil 32 und das stromabseitige Einsatzteil 44 verbunden sind.
Nachdem die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, können weitere Anpassungen des Einsatzes durch geeignete Modifikationen durch einen Fachmann auf diesem Gebiet erreicht werden. Insbesondere sei angemerkt, dass, obwohl das speziell hierin beschriebene Kühlprofil sich auf das Kühlprofil 48 und den äußeren Einsatz 16 bezieht, dasselbe auch auf das Kühlprofil 49 und den inneren Einsatz 18 zutrifft. Ferner kann, obwohl der hierin beschriebene Brennkammereinsatz einen Wirbeleinschluss-Hohlraum aufweist, die vorliegende Erfindung mit jedem Einsatz mit benachbarten Abschnitten verwendet werden, welche in einem Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind.

Claims

Einsatz für die Brennkammer (10) eines Gasturbinentriebwerks, wobei der Einsatz aufweist: ein stromaufseitiges Teil (20), ein stromabseitiges Teil (44, 50), das in einem Winkel zu dem stromaufseitigen Einsatzteil (20) ausgerichtet ist, ein ringförmiges Kühlprofil (cooling nugget) (48, 49), das die stromaufseitigen und stromabseitigen Einsatzteile (20, 44, 50) verbindet, um eine mechanische Steifigkeit an einem Übergang der stromaufseitigen und stromabseitigen Einsatzteile (20, 44, 50) zu erzeugen, wobei das Kühlprofil (48, 49) aufweist: (a) einen mit dem stromaufseitigen Einsatzteil (20) verbundenen ersten Abschnitt (54); (b) einen mit dem stromabseitigen Einsatzteil (44, 50) verbundenen zweiten Abschnitt (56); und (c) einen die ersten und zweiten Kühlprofilabschnitte (54, 56) an einem ersten Ende verbindenden dritten Abschnitt (58), wobei sich der dritte Kühlprofilabschnitt (58) radial von dem ersten Ende weg erstreckt; wobei das Kühlprofil (48, 49) mit einer Kühlluftzuführung in Strömungsverbindung steht und dafür eingerichtet ist, einen Startfilm aus Kühlluft entlang entsprechenden Oberflächen des stromaufseitigen Einsatzteils (20) und des stromabseitigen Einsatzteils (44, 50) zu erzeugen.
Einsatz nach Anspruch 1, wobei das stromaufseitige Einsatzteil ferner einen Hohlraum (46) aufweist mit: (a) einer hinteren Wand (36); (b) einer vorderen Wand (38); und (c) einer Zwischenwand, die mit der hinteren Wand (36) an einem Ende und mit der vorderen Wand (38) an dem anderen Ende verbunden ist; wobei die hintere Wand (36) des stromaufseitigen Einsatzteils (20) mit dem Kühlprofil (48, 49) verbunden und in dem Winkel zu dem stromabseitigen Einsatzteil (44, 50) ausgerichtet ist.
Einsatz nach Anspruch 1 oder 2, wobei das stromabseitige Einsatzteil (20) eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist.
Einsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Kühlprofilabschnitte (54, 56) mehrere darin in Strömungsverbindung mit dem dritten Kühlprofilabschnitt (54) enthaltene, ringförmig beabstandete Kühlkanäle (68, 70) aufweisen.
Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die stromaufseitigen und stromabseitigen Einsatzteile (20, 44, 50) mehrere darin enthaltene mit dem dritten Kühlpro filabschnitt (54) in Strömungsverbindung stehende, ringförmig beabstandete Kühlkanäle (68, 70) aufweisen.
Einsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der dritte Kühlprofilabschnitt (58) ferner aufweist: (a) einen mit einem zweiten Ende des dritten Kühlprofilabschnitts (58) verbundenen ersten Flanschabschnitt (64), wobei der erste Flanschabschnitt (64) von dem stromaufseitigen Einsatzteil (20) in Abstand und parallel zu diesem angeordnet ist; und (b) einen mit dem zweiten Ende des dritten Kühlprofilabschnitts (58) verbundenen zweiten Flanschabschnitt (66), wobei der zweite Flanschabschnitt (66) von dem stromabseitigen Einsatzteil (44, 50) in Abstand und parallel zu diesem angeordnet ist.
Einsatz nach Anspruch 6, wobei der erste Kühlprofilabschnitt (54), der erste Flanschabschnitt (64) des dritten Kühlprofilabschnitts (58) und eine Oberfläche (76) des dritten Kühlprofilabschnitts (58) so konfiguriert sind, dass sie die Kühlluft entlang einer Oberfläche des stromaufseitigen Einsatzteils (20) leiten.
Einsatz nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zweite Kühlprofilabschnitt (56), der zweite Flanschabschnitt (66) des dritten Kühlprofilabschnitts (58) und eine Oberfläche (77) des dritten Kühlprofilabschnitts (58) so konfiguriert sind, dass sie die Kühlluft entlang einer Oberfläche des stromabseitigen Einsatzteils (44, 50) leiten.
Einsatz nach Anspruch 9, 7 oder 8, wobei die ersten und zweiten Flansche (64, 66) des dritten Kühlprofilabschnitts (58) an dem Übergang der stromaufseitigen und stromabseitigen Einsatzteile (20, 44, 50) einen Hitzeschild bilden.
Einsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der dritte Kühlprofilabschnitt (58) mehrere darin in Strömungsverbindung mit einer Kühlluftzuführung enthaltene Kühlkanäle (78) aufweist, wodurch Hitzebelastungen an dem Übergang zwischen den stromaufseitigen und stromabseitigen Einsatzteilen (20, 44, 50) reduziert werden.
Einsatz nach Anspruch 4, wobei die Kühlkanäle (68, 70) der ersten und zweiten Kühlprofilabschnitte (54, 56) in einem spezifizierten Winkel in Bezug zueinander ausgerichtet sind.
Einsatz nach Anspruch 11, wobei der spezifizierte Winkel innerhalb eines Bereichs von angenähert 75° bis angenähert 105° liegt.
Einsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einsatz ein innerer Einsatz (18) der Brennkammer ist.
Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Einsatz ein äußerer Einsatz (16) der Brennkammer ist.