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WO2018202407A1 - Brennkammer - Google Patents

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WO2018202407A1
WO2018202407A1 PCT/EP2018/059617 EP2018059617W WO2018202407A1 WO 2018202407 A1 WO2018202407 A1 WO 2018202407A1 EP 2018059617 W EP2018059617 W EP 2018059617W WO 2018202407 A1 WO2018202407 A1 WO 2018202407A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion chamber
openings
heat shield
support structure
shield element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/059617
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Prade
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2018202407A1 publication Critical patent/WO2018202407A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F23R2900/03042—Film cooled combustion chamber walls or domes
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03043—Convection cooled combustion chamber walls with means for guiding the cooling air flow
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03045—Convection cooled combustion chamber walls provided with turbolators or means for creating turbulences to increase cooling

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber and a method for its operation.
  • EP1062461 B1 discloses such a concept for an annular combustion chamber with heat shield elements with fuel injections axially downstream of the main burner.
  • a heat shield element is disclosed as a type of porous burner having a provided with cavities material, fuel and air are supplied such that combustion within this material it is ⁇ zeugbar, so that the material heats up, resulting in a stabilization of the combustion leads.
  • a pore structure has a strong damping effect on combustion vibrations.
  • the EP1493972 AI discloses a combustion chamber with burner stages, which are arranged one behind the other with respect to the longitudinal direction of a gas turbine.
  • the object of the present invention is to provide a combustion chamber in which a sufficient cooling of the heat shield elements can take place in all operating states, in which a largely homogenous premixing of the fuel of the downstream axial stage can take place with air, wherein the setting of a suitable time delay is possible, so that the additional heat input in the axial stage does not enter thermoacoustic interaction with corresponding acoustic natural frequencies of the combustion chamber.
  • Another object of the invention relates to a corresponding method.
  • the object directed to a combustion chamber is achieved by a combustion chamber with a support structure enclosing a combustion chamber and with an inner lining formed from a multiplicity of heat shield elements fastened to the support structure, wherein at least one heat shield element has a wall with a surface which can be acted upon by a hot medium
  • Hot side one of the hot side opposite cold side and has a peripheral edge web, which extends over the Extends cold side out in the direction of the support structure and rests in operation of the combustion chamber, taking into account thermal expansion substantially close to the support structure, so that between the wall, the peripheral edge web and the support structure, a cavity is formed, wherein in the support structure a plurality of first openings for the addition of air is arranged in the cavity, wherein in the wall a plurality of second openings are arranged from the cavity to the combustion chamber in the main flow direction of the combustion gases of the combustion chamber downstream of the first openings, wherein arranged in the support structure a plurality of third openings for the addition of fuel in the cavity are, wherein the third openings are arranged in the flow direction of the air through the cavity downstream of the first openings, wherein on the cold side of the heat shield element webs are arranged substantially parallel to the main ⁇ flow direction, with its downstream end at the downstream Part of the peripheral edge web is arranged, and the second openings between each two webs
  • This relative arrangement of the first, second and third openings ensures that the combustion takes place within the combustion chamber and in no way within the heat shield element. It is desirable that the peripheral edge web of the heat shield element in the loading ⁇ combustion of the combustion chamber, taking into account thermal strains rests largely tightly on the support structure. If this can not be achieved directly, seals such as Riffle Seals can be used in the edge bar.
  • the height of an edge ridge is in the range of about 5 to 15mm. The webs divide the airflow into partial streams. As a result, fuel can be injected into partial streams of the transverse air, which improves the mixing of air and fuel with the right choice of dimensions.
  • the heat shield element has a fastening device for fastening the Heat shield element on the support structure and the third openings are arranged in the flow direction of the air through the cavity downstream of the fastening device. This reduces the risk of uncontrolled fuel leaks.
  • the height of the substantially parallel webs is at least 90% of the height of the cavity, so that they extend almost like the peripheral edge web almost to the supporting structure.
  • Their length is defined by the length of adjacent webs whose width is defined by the distance between adjacent webs and their height by the height of the cavity.
  • a good mixing of the fuel with the air is achieved when a ratio of length to the hydraulic diameter of a channel is greater than 7.
  • the hydraulic diameter is defined by an equal ratio of cross-sectional area to circumference, i. by [4 * (height * width)] / [2 * (height + width)].
  • the channels at their inlet have a greater width than the other channels or a smaller overall length.
  • the second openings constitute outlets of the channels and the third openings are arranged on each of the outlets opposite inlets of the channels.
  • the third openings for fuel are of different sizes or are adapted accordingly.
  • at least partially turbulence-generating internals are arranged at the inlets of the channels or in the channels. These may be part of the heat shield element or the support structure. The arrangement of such turbulence-generating internals is preferably carried out upstream of the third openings, ie upstream of the openings for the addition of fuel.
  • the third openings are arranged offset in such a way that second and third openings, which can be assigned to one another via the channels, are differently spaced apart from one another. This results in different mixing distances and thus different delay times up to the exit into the combustion chamber through the second openings, which reduces a possible coupling with thermoacoustic oscillations.
  • the peripheral edge web fourth openings To be ⁇ neighboring heat shield element sides and the gap between adjacent heat shield elements can be cooled or salkar locked against H depictga-.
  • the at least one heat shield element 4 is arranged in the combustion ⁇ chamber, that the second openings are one to four times far away from a combustion chamber, such as the
  • Combustor output is high.
  • part-load operation in which no fuel is supplied to the fuel bores, that is to say to the third openings, the heat shield element can be used as an airbubble. pass, so that the gas turbine has a low part load extended pollutant arms operating range.
  • the residence time of the resulting hot gases is comparatively very small, so that only comparatively ⁇ small amounts of nitrogen oxides.
  • the heat shield element is a metallic heat shield element, because metallic plates are most suitable for the production of such heat shield elements because of the ease of casting or the possibility of machining with the corresponding geometries.
  • the object directed to a method is achieved by a method for operating a combustion chamber with a combustion chamber enclosing a support structure and with one of a plurality of heat shield elements attached to the support structure formed inner lining, wherein at least one of the heat shield elements fuel and air supplied for a combus ⁇ tion be, with fuel and air are premixed in the heat ⁇ shielding element and discharged as a fuel-air mixture in the combustion chamber for local combustion, the fuel is injected into partial streams of the cross-flow of air in the heat shield.
  • the advantages achieved by the invention are in particular the concrete design of a heat shield element which provides controlled flowed, bordered channels for the mixing of fuel available.
  • the proposed design allows the heat shield element to be sufficiently cooled throughout its operation.
  • the heat shield element comprises webs which divides the flowing cooling ⁇ air in small channels in which in spite of small absolute size channel length or a good mix because of the large relative channel length is achieved.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an annular combustion chamber of a
  • FIG. 2 shows the cold side of a heat shield element according to FIG.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a combustion chamber 1, in particular an annular combustion chamber for a gas turbine.
  • the combustion chamber 1 is rotationally symmetrical about an axis 27. For clarity, only one half of the longitudinal section is shown.
  • the combustion chamber 1 has a support structure 3.
  • the support structure 3 encloses a combustion chamber 2.
  • the inner wall of the support structure 3 is lined with an inner lining.
  • the inner lining is formed by a plurality of heat shield elements 4, 35.
  • heat shields are e.g. of refractory ceramic 35 or metal 4.
  • Into the combustion chamber 1 opens a burner system 28. This is formed by a pilot burner 29 and a main burner 30 (typically a premix burner) which surrounds the pilot burner 29 in the form of an annular channel.
  • the burner system 28 is at a burner-side end 31 of
  • Combustion chamber 1 is arranged.
  • a schematically illustrated gas turbine 33 follows.
  • the pilot burner 29 fuel and air is supplied.
  • the fuel and the air for example, via a diffusion operation of the pilot burned burner 29 in the combustion chamber 2 of the combustion chamber 1.
  • a mixture of fuel and combustion air which is supplied to the main burner 30, is ignited.
  • the exhaust gas produced by the combustion exits the turbine-side end 32 of the combustion chamber 1 through the combustion chamber outlet 38 and drives the gas turbine 33.
  • FIG. 2 shows how the conventional single-stage combustion illustrated in FIG. 1 can be supplemented in a particularly simple manner by a second stage of combustion using a heat shield element 4 according to the invention.
  • FIG. 2 shows the diagram of a heat shield element 4 and dashed-line elements which are arranged on the support structure 3.
  • the heat shield element 4 comprises a wall 5 with a hot medium 6 which can be charged with a hot medium (rear side in the illustration of FIG. 2), a cold side 7 opposite the hot side 6 and a peripheral edge web 8 extending beyond the cold side 7 in the direction of the support structure 3 extends.
  • the edge web 8 is substantially close to the support structure 3, taking into account thermal expansions, so that between the wall 5, the peripheral edge web 8 and the support structure 3, a cavity 9 is formed.
  • a plurality of first openings 10 for the addition of air are arranged in the cavity 9. This can also be slots Lö ⁇ cher or perhaps what also to
  • These first openings 10 are, with respect to a main flow direction 12 of the combustion gases in the combustion chamber 1, arranged in an upstream part of the cavity 9.
  • a plurality of third openings 13 for the addition of fuel in the cavity 9 is arranged ⁇ in such a way that they are not only downstream of the first openings 10 are arranged in the flow direction of the air through the cavity 9, but also downstream Fastening device 14 for fixing the heat shield element 4 to the support structure 3.
  • a closed fuel-carrying manifold (not shown).
  • webs 15 are arranged, which extend substantially parallel to Hauptströ ⁇ tion direction 12 approximately from the third openings 13 to the second openings 11. That is, a downstream end 36 of the webs 15 is disposed on the downstream part 37 of the peripheral edge web 8, and the second
  • Openings 11 are arranged between each pair of webs 15.
  • the height of the webs 15 is at least 90% of the height of the hollow ⁇ space 9.
  • channels 16 are formed between heat ⁇ shield member 4 and support structure 3, in the area of their entrances 20 thus the third openings 13 (for the injection of fuel into the transversely flowing air) and as its exit ⁇ step 19, as close to the downstream part 37 of the edge ⁇ web 8, the second openings 11 for the delivery of the fuel-air mixture in the transverse hot exhaust gases
  • the hydraulic diameter is defined by an equal ratio of cross-section area to the circumference, ie by [4 * (height * width)] / [2 * (height + width)] for a rectangular cross-section.
  • turbulence-generating internals 21 are arranged at the inlets 20 of the channels 16. These can also be arranged in the channels 16. In both cases, the arrangement of the turbulence generating internals 21 is preferred in view of good mixing of air and fuel upstream of the third fuel cell openings 13.
  • the third openings 13 are not arranged on a line but offset such that on the channels 16 mutually assignable second 11 and third openings 13 are spaced apart from each other.
  • Figure 2 shows that the outermost formed by a respective web 15 and the edge web 8 edge channels 34 are free of second 11 and third openings 13.
  • fourth openings 22 in parts of the peripheral edge web 8 are provided in the heat shield element 4 of FIG. 2 and in the gap 24 at the downstream end 25 of the heat shield element in relation to a main flow direction 12 of the combustion gases 4, ie in the figure 2 right with dashed holes, in the support structure 3 fifth openings 26th
  • such a heat shield element 4 is arranged so that the second openings 11 are a times as ⁇ far away to 4 of a combustor exit 38, as the combustion chamber output 38 is high.
  • This usually corresponds to an arrangement in one of the two last in the main flow direction 12 of the combustion gases formed by at the periphery of the combustion chamber 1 adjacent heat shield elements formed heat shield rows 23 of the combustion chamber 1 (see Figure 1).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (1) mit einer einen Brennraum (2) umschließenden Tragstruktur (3) und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur (3) befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens ein Hitzeschildelement (4) eine Wand (5) mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite (6), einer der Heißseite (6) gegenüberliegenden Kaltseite (7) und einen umlaufenden Randsteg (8) aufweist, der sich über die Kaltseite (7) hinaus in Richtung der Tragstruktur (3) erstreckt und im Betrieb der Brennkammer (1) unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur (3) aufliegt, so dass zwischen der Wand (5), dem umlaufenden Randsteg (8) und der Tragstruktur (3) ein Hohlraum (9) gebildet ist, wobei in der Tragstruktur (3) mehrere erste Öffnungen (10) für die Zugabe von Luft in den Hohlraum (9) angeordnet sind, wobei in der Wand (5) mehrere zweite Öffnungen (11) vom Hohlraum (9) zum Brennraum (2) in Hauptströmungsrichtung (12) der Verbrennungsgase der Brennkammer (1) stromab der ersten Öffnungen (10) angeordnet sind, wobei in der Tragstruktur (3) mehrere dritte Öffnungen (13) für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum (9) angeordnet sind, wobei die dritten Öffnungen (13) in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum (9) stromab der ersten Öffnungen (10) angeordnet sind, wobei auf der Kaltseite (7) des Hitzeschildelements (4) Stege (15) im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung (12) angeordnet sind, wobei ein stromabwärtiges Ende (36) der Stege (15) an einem stromabwärtigen Teil (37) des umlaufenden Randstegs (8) angeordnet ist und die zweiten Öffnungen (11) zwischen je zwei Stegen (15) angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer (1).

Description

Beschreibung Brennkammer
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Im Zuge der Weiterentwicklung von Brennkammern für Gasturbi- nen sind häufig deutliche Anhebungen der Brennkammertempera¬ turen im Betrieb vorgesehen. Damit sind mehrere Nachteile bzw. Risiken verbunden, wie beispielsweise der Anstieg der Stickoxidemissionen, möglicherweise starke, thermoakustische Schwingungen verbunden mit Bauteilschädigung sowie ein hoher korrosiv-erosiver Verschleiß keramischer Hitzeschildelemente.
Üblicherweise wird dem Anstieg der Brennkammertemperatur mit verschiedenen Strategien begegnet. Eine Möglichkeit ist es, zu versuchen, über eine Änderung des Strömungs-und Mischungs- felds der Hauptbrenner den Anstieg der Stickoxidemission möglichst klein zu halten und thermoakustische Schwingungen zu kompensieren. Dies ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand und einem gewissen Erfolgsrisiko verbunden, geht man da¬ von aus, dass es sich bei Weiterentwicklungen um bereits über Jahre optimierte Systeme handelt.
Die Thematik korrosiv-erosiver Verschleiß ist ein bereits bei der heutigen Gasturbinengeneration bestehendes Problem und es wird versucht, dieses durch Entwicklung neuer keramischer Hitzeschildmaterialien bzw. -beschichtungen zu lösen.
Bekannt sind verschiedene Lösungen, bei denen mit einer se¬ quentiellen Verbrennung bzw. einer axial gestuften Brennstoffeindüsung gearbeitet wird. Dabei kann der Brennstoff vorgemischt oder auch ohne Vormischung in die Brennkammer über Düsen eingebracht werden. Neben einer Verbesserung der Teillastfähigkeit haben diese das Ziel, mit der Eindüsung in dieser zweiten Stufe bei gleichen Stickoxid-Emissionen eine höhere Brennkammertemperatur zu erreichen, ermöglicht durch die geringe Verweilzeit des Heißgases bis zum Brennkammeren¬ de .
Die EP1062461 Bl offenbart beispielsweise für eine Ringbrenn- kammer mit Hitzeschildelementen ein solches Konzept mit auf den Hauptbrenner bezogen axial stromabwärtiger Brennstoffein- düsung. Insbesondere wird ein Hitzeschildelement als eine Art Porenbrenner offenbart, der ein mit Hohlräumen versehenes Material aufweist, wobei Brennstoff und Luft derart zugeführt werden, dass eine Verbrennung innerhalb dieses Materials er¬ zeugbar ist, so dass sich das Material aufheizt, was zu einer Stabilisierung der Verbrennung führt. Zusätzlich wirkt eine Porenstruktur auf Verbrennnungsschwingungen stark dämpfend. Auch die EP1493972 AI offenbart eine Brennkammer mit Brennerstufen, die bezogen auf die Längsrichtung einer Gasturbine hintereinander angeordnet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen, bei der in allen Betriebszuständen eine ausreichende Kühlung der Hitzeschildelemente erfolgen kann, bei der eine weitgehend homogene Vormischung des Brennstoffes der stromabwärtigen axialen Stufe mit Luft erfolgen kann, wobei die Einstellung eines geeigneten Zeitverzugs möglich ist, so dass die zusätzliche Wärmezufuhr in der axialen Stufe nicht in thermoakustische Wechselwirkung mit entsprechenden akustischen Eigenfrequenzen der Brennkammer tritt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung bezieht sich auf ein entsprechendes Verfahren .
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Brennkammer mit einer einen Brennraum umschließenden Tragstruktur und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildelementen gebildeten In- nenauskleidung, wobei mindestens ein Hitzeschildelement eine Wand mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren
Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Kaltseite und einen umlaufenden Randsteg aufweist, der sich über die Kaltseite hinaus in Richtung der Tragstruktur erstreckt und im Betrieb der Brennkammer unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur aufliegt, so dass zwischen der Wand, dem umlaufenden Randsteg und der Tragstruktur ein Hohlraum gebildet ist, wobei in der Tragstruktur mehrere erste Öffnungen für die Zugabe von Luft in den Hohlraum angeordnet sind, wobei in der Wand mehrere zweite Öffnungen vom Hohlraum zum Brennraum in Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase der Brennkammer stromab der ersten Öffnungen angeordnet sind, wobei in der Tragstruktur mehrere dritte Öffnungen für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum angeordnet sind, wobei die dritten Öffnungen in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum stromab der ersten Öffnungen angeordnet sind, wobei auf der Kaltseite des Hitzeschildelements Stege im Wesentlichen parallel zur Haupt¬ strömungsrichtung angeordnet sind, wobei ihr stromabwärtiges Ende am stromabwärtigen Teil des umlaufenden Randstegs angeordnet ist, und die zweiten Öffnungen zwischen je zwei Stegen angeordnet sind.
Durch diese relative Anordnung der ersten, zweiten und dritten Öffnungen, insbesondere der Eindüsung des Brennstoffs stromab der Luftzufuhröffnungen, wird sichergestellt, dass die Verbrennung innerhalb der Brennkammer und keinesfalls in- nerhalb des Hitzeschildelementes erfolgt. Es ist erwünscht, dass der umlaufende Randsteg des Hitzeschildelements im Be¬ trieb der Brennkammer unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen weitgehend dicht auf der Tragstruktur aufliegt. Wenn dies nicht direkt erreicht werden kann, können in den Randsteg Dichtungen z.B. Riffle Seals eingesetzt werden. Die Höhe eines Randstegs liegt im Bereich von ca. 5 bis 15mm. Durch die Stege wird der Luftstrom in Teilströme geteilt. Dadurch kann Brennstoff in Teilströme der querströmenden Luft eingedüst werden, was bei richtiger Wahl der Dimensionen die Durchmischung von Luft und Brennstoff verbessert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Hitzeschildelement eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Hitzeschildelementes an der Tragstruktur auf und die dritten Öffnungen sind in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum stromab der Befestigungsvorrichtung angeordnet. Dadurch wird das Risiko von unkontrollierten Brennstoffleckagen ver- mindert.
Es ist zweckmäßig, wenn die Höhe der weitgehend parallelen Stege mindestens 90% der Höhe des Hohlraums beträgt, so dass sie sich wie der umlaufende Randsteg fast bis zur Tragstruk- tur erstrecken. Durch diese Stege werden Kanäle zwischen Hitzeschildelement und Tragstruktur gebildet. Deren Länge ist durch die Länge benachbarter Stege, deren Breite durch den Abstand benachbarter Stege und deren Höhe durch die Höhe des Hohlraums definiert. Eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird erreicht, wenn ein Verhältnis von Länge zum hydraulischen Durchmesser eines Kanals größer als 7 ist. Der hydraulische Durchmesser ist definiert durch ein gleiches Verhältnis von Querschnittsfläche zum Umfang, d.h. durch [4 * (Höhe * Breite) ] / [2 * (Höhe + Breite) ] .
Im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung kann evtl. eine Verringerung in der Luftströmung zu den Kanälen vorliegen. Es ist daher zweckmäßig, wenn im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung die Kanäle an ihrem Eintritt eine größere Breite aufweisen als die übrigen Kanäle oder insgesamt eine geringe¬ re Länge .
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die zweiten Öffnungen Austritte der Kanäle darstellen und die dritten Öffnungen an jeweils den Austritten gegenüberliegenden Eintritten der Kanäle angeordnet sind.
Um die Gefahr von SelbstZündungen aufgrund einer ungleichförmige Luftströmung im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung zu verringern, ist es zweckmäßig, wenn die dritten Öffnungen für Brennstoff unterschiedlich groß sind bzw. entsprechend ange- passt werden. Um die Mischung weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn an den Eintritten der Kanäle oder in den Kanälen zumindest teilweise turbulenzerzeugende Einbauten angeordnet sind. Diese können Teil des Hitzeschildelementes oder auch der Tragstruktur sein. Die Anordnung solcher turbulenzerzeugender Einbauten erfolgt bevorzugt stromauf der dritten Öffnungen, also stromauf der Öffnungen für die Zugabe von Brennstoff.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die dritten Öffnungen, al- so diejenigen für Brennstoff, derart versetzt angeordnet sind, dass über die Kanäle einander zuordenbare zweite und dritte Öffnungen unterschiedlich voneinander beabstandet sind. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Mischstrecken und damit unterschiedliche Verzugszeiten bis zum Austritt in den Brennraum durch die zweiten Öffnungen, was eine mögliche Kopplung mit thermoakustischen Schwingungen vermindert.
Um ein unkontrolliertes Ausströmen von Brennstoff über Lecka¬ gen in den Spalt zwischen zwei Hitzeschildelementen weitge- hend zu verhindern, ist es zweckmäßig, wenn die äußersten, durch je einen Steg und den Randsteg gebildeten Randkanäle frei von zweiten und dritten Öffnungen sind, d.h. wenn die Kanäle, die sich an den beiden Rändern des Hitzeschildelementes befinden, nicht mit Brennstoff versorgt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der umlaufende Randsteg vierte Öffnungen auf. So können be¬ nachbarte Hitzeschildelementseiten und der Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen gekühlt bzw. gegen Heißga- seinzug gesperrt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Hitzeschildelement 4 so in der Brenn¬ kammer angeordnet, dass die zweiten Öffnungen ein bis 4 mal soweit von einem Brennkammerausgang entfernt sind, wie der
Brennkammerausgang hoch ist. Im Teillastbetrieb, in dem kein Brennstoff den Brennstoffbohrungen, also den dritten Öffnungen zugeführt wird, kann das Hitzeschildelement als Luftby- pass dienen, so dass die Gasturbine über einen zu tiefer Teillast erweiterten Schadstoffarmen Betriebsbereich verfügt. Bei hoher Last, also bei Einspritzung von Brennstoff, ist dadurch zwar noch ein vollständiges Abbrennen des Gemisches sichergestellt, jedoch ist die Verweilzeit der entstehenden Heißgase vergleichsweise sehr klein, so dass nur vergleichs¬ weise geringe Mengen an Stickoxiden entstehen.
Um ein Eindringen von Brennstoff in den Spalt am bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase in der
Brennkammer stromabwärtigen Ende des Hitzeschildelements zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn im Spalt in der Tragstruktur fünfte Öffnungen vorgesehen sind. Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Hitzeschildelement ein metallisches Hitzeschildelement ist, weil metallische Platten wegen der einfachen Gießbarkeit bzw. Möglichkeit einer maschinellen Herstellung mit den entsprechenden Geometrien am besten für die Herstellung solcher Hitzeschildele- mente geeignet sind.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einer einen Brennraum umschließenden Tragstruktur und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens einem der Hitzeschildelemente Brennstoff und Luft für eine Verbren¬ nung zugeführt werden, wobei Brennstoff und Luft im Hitze¬ schildelement vorgemischt werden und als Brennstoff-Luft- Gemisch in den Brennraum zur dortigen Verbrennung abgegeben werden, wobei der Brennstoff in Teilströme der querströmenden Luft im Hitzeschild eingedüst wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re in der konkreten Gestaltung eines Hitzeschildelements, das kontrolliert beströmte, berandete Kanäle zur Einmischung von Brennstoff zur Verfügung stellt. Gleichzeitig wird durch das vorgeschlagene Design ermöglicht, dass das Hitzeschildelement während des gesamten Betriebs ausreichend gekühlt ist. Das Hitzeschildelement weist Stege auf, die die strömende Kühl¬ luft in kleine Kanäle teilt, in denen trotz kleiner absoluter Kanallänge bzw. Baugröße eine gute Mischung wegen der großen relativen Kanallänge erreicht wird.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer einer
Gasturbine und
Figur 2 die Kaltseite eines Hitzeschildelements nach der
Erfindung .
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennkammer 1, insbesondere eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine. Die Brennkammer 1 liegt rotationssymmetrisch um eine Achse 27. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Hälfte des Längs- Schnittes gezeigt. Die Brennkammer 1 weist eine Tragstruktur 3 auf. Die Tragstruktur 3 umschließt einen Brennraum 2. Die Innenwand der Tragstruktur 3 ist mit einer Innenauskleidung ausgekleidet. Die Innenauskleidung wird durch eine Vielzahl von Hitzeschildelementen 4,35 gebildet. Solche Hitzeschil- delemente bestehen z.B. aus feuerfester Keramik 35 oder Metall 4. In die Brennkammer 1 mündet ein Brennersystem 28. Dieses wird gebildet durch einen Pilotbrenner 29 und einen Hauptbrenner 30 (typischer Weise ein Vormischbrenner) , welcher den Pilotbrenner 29 in Form eines Ringkanals umgibt. Das Brennersystem 28 ist an einem brennerseitigen Ende 31 der
Brennkammer 1 angeordnet. An einem dem brennerseitigen Ende 31 gegenüberliegenden turbinenseitigen Ende 32 schließt sich eine schematisch dargestellte Gasturbine 33 an. Bei Verwendung einer solchen Brennkammer 1 in einer hier nicht dargestellten Gasturbinenanlage wird dem Pilotbrenner 29 Brennstoff und Luft zugeführt. Der Brennstoff und die Luft werden beispielsweise über einen Diffusionsbetrieb des Pilot- brenners 29 im Brennraum 2 der Brennkammer 1 verbrannt. An der am Pilotbrenner 29 stabilisierten Flamme dieser Verbrennung entzündet sich ein Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft, welches dem Hauptbrenner 30 zugeführt wird. Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas tritt aus dem turbinen- seitigen Ende 32 der Brennkammer 1 durch den Brennkammerausgang 38 aus und treibt die Gasturbine 33 an.
Figur 2 zeigt, wie die in Figur 1 dargestellte, konventionel- le einstufige Verbrennung in besonders einfacher Weise durch eine zweite Stufe einer Verbrennung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelements 4 ergänzt werden kann.
Insbesondere zeigt die Figur 2 das Schema eines Hitzeschild- elements 4 sowie gestrichelt dargestellte Elemente, die auf der Tragstruktur 3 angeordnet sind.
Das Hitzeschildelement 4 umfasst eine Wand 5 mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite 6 (Rückseite in der Darstellung der Figur 2), einer der Heißseite 6 gegenüberliegenden Kaltseite 7 und einen umlaufenden Randsteg 8, der sich über die Kaltseite 7 hinaus in Richtung der Tragstruktur 3 erstreckt. Im Betrieb der Brennkammer 1 liegt der Randsteg 8 unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur 3 auf, so dass zwischen der Wand 5, dem umlaufenden Randsteg 8 und der Tragstruktur 3 ein Hohlraum 9 gebildet ist.
In der Tragstruktur 3 sind mehrere erste Öffnungen 10 für die Zugabe von Luft in den Hohlraum 9 angeordnet. Das können Lö¬ cher oder eventuell auch Schlitze sein, welche auch zur
Prallkühlung des Hitzeschildelements 4 dienen können. Diese ersten Öffnungen 10 sind, bezogen auf eine Hauptströmungs¬ richtung 12 der Verbrennungsgase in der Brennkammer 1, in ei- nem stromaufwärtigen Teil des Hohlraums 9 angeordnet.
Weiter sind in der Wand 5, diametral zu den ersten Öffnungen 10 im Hohlraum 9 mehrere zweite Öffnungen 11 vom Hohlraum 9 zum Brennraum 2 in Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase der Brennkammer 1 stromab der ersten Öffnungen 10 angeordnet . Schließlich sind in der Tragstruktur 3 mehrere dritte Öffnungen 13 für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum 9 ange¬ ordnet und zwar so, dass sie in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum 9 nicht nur stromab der ersten Öffnungen 10 angeordnet sind, sondern auch stromab einer Befestigungs- Vorrichtung 14 zur Befestigung des Hitzeschildelementes 4 an der Tragstruktur 3. Auf der kaltseitigen Wand der Tragstruktur 3 befindet sich ein abgeschlossener brennstoffführender Verteiler (nicht gezeigt) . Auf der Kaltseite 7 des Hitzeschildelements 4 sind Stege 15 angeordnet, die sich im Wesentlichen parallel zur Hauptströ¬ mungsrichtung 12 in etwa von den dritten Öffnungen 13 bis zu den zweiten Öffnungen 11 erstrecken. D.h., ein strom- abwärtiges Ende 36 der Stege 15 ist am stromabwärtigen Teil 37 des umlaufenden Randstegs 8 angeordnet, und die zweiten
Öffnungen 11 sind zwischen je zwei Stegen 15 angeordnet. Die Höhe der Stege 15 beträgt mindestens 90% der Höhe des Hohl¬ raums 9. Durch die Stege 15 werden Kanäle 16 zwischen Hitze¬ schildelement 4 und Tragstruktur 3 gebildet, im Bereich deren Eintritte 20 somit die dritten Öffnungen 13 (für das Eindüsen von Brennstoff in die querströmende Luft) und als deren Aus¬ tritte 19, möglichst nah am stromabwärtigen Teil 37 des Rand¬ stegs 8, die zweiten Öffnungen 11 für die Abgabe des Brennstoff-Luft-Gemischs in die querströmenden heißen Abgase
(>1000°C) im Brennraum 2 angeordnet sind und deren Länge 17 durch die Länge benachbarter Stege 15, deren Breite 18 durch den Abstand benachbarter Stege 15 und deren Höhe durch die Höhe des Hohlraums 9 definiert sind. Eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird erreicht, wenn ein Ver- hältnis von Länge 17 zum hydraulischen Durchmesser eines Kanals 16 größer als 7 ist. Der hydraulische Durchmesser ist definiert durch ein gleiches Verhältnis von Querschnitts- fläche zum Umfang, d.h. durch [4 * (Höhe * Breite) ] / [2 * (Höhe + Breite)] bei einem rechteckigen Querschnitt.
In der Ausführungsform der Figur 2 sind an den Eintritten 20 der Kanäle 16 turbulenzerzeugende Einbauten 21 angeordnet. Diese können aber auch in den Kanälen 16 angeordnet sein. In beiden Fällen ist die Anordnung der turbulenzerzeugenden Einbauten 21 im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Luft und Brennstoff stromauf der dritten Öffnungen 13 für Brenn- Stoff bevorzugt.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind die dritten Öffnungen 13 nicht auf einer Linie sondern derart versetzt angeordnet, dass über die Kanäle 16 einander zuordenbare zweite 11 und dritte Öffnungen 13 unterschiedlich voneinander beabstandet sind .
Außerdem zeigt die Figur 2, dass die äußersten durch je einen Steg 15 und den Randsteg 8 gebildeten Randkanäle 34 frei von zweiten 11 und dritten Öffnungen 13 sind.
Hinsichtlich Kühl- bzw. Sperrluft sind beim Hitzeschildele¬ ment 4 der Figur 2 sowohl vierte Öffnungen 22 in Teilen des umlaufenden Randstegs 8 vorgesehen, sowie im Spalt 24 am be- zogen auf eine Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase in der Brennkammer 1 stromabwärtigen Ende 25 des Hitzeschildelements 4, d.h. in der Figur 2 rechts mit gestrichelten Löchern gekennzeichnet, in der Tragstruktur 3 fünfte Öffnungen 26.
Gemäß der Erfindung ist ein solches Hitzeschildelement 4 so angeordnet, dass die zweiten Öffnungen 11 ein bis 4 mal so¬ weit von einem Brennkammerausgang 38 entfernt sind, wie der Brennkammerausgang 38 hoch ist. Das entspricht üblicherweise einer Anordnung in einer der beiden in Hauptströmungsrichtung 12 der Verbrennungsgase letzten durch am Umfang der Brennkammer 1 nebeneinander angeordneten Hitzeschildelemente gebildeten Hitzeschildreihen 23 der Brennkammer 1 (s. Figur 1) .

Claims

Brennkammer (1) mit einer einen Brennraum
(2) umschließenden Tragstruktur (3) und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur
(3) befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens ein Hitzeschildelement
(4) eine Wand
(5) mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite (6), einer der Heißseite
(6) gegenüberliegenden Kaltseite (7) und einen umlaufenden Randsteg (8) aufweist, der sich über die Kaltseite (7) hinaus in Richtung der Tragstruktur (3) erstreckt und im Betrieb der Brennkammer (1) unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur (3) aufliegt, so dass zwischen der Wand (5), dem umlaufenden Randsteg (8) und der Trags¬ truktur (3) ein Hohlraum (9) gebildet ist, wobei in der Tragstruktur (3) mehrere erste Öffnungen (10) für die Zu¬ gabe von Luft in den Hohlraum (9) angeordnet sind, wobei in der Wand (5) mehrere zweite Öffnungen (11) vom Hohl¬ raum (9) zum Brennraum (2) in Hauptströmungsrichtung (12) der Verbrennungsgase der Brennkammer (1) stromab der ers¬ ten Öffnungen (10) angeordnet sind, wobei in der Trags¬ truktur (3) mehrere dritte Öffnungen (13) für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum (9) angeordnet sind, wobei die dritten Öffnungen (13) stromab der ersten Öffnungen (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltseite
(7) des Hitzeschildelements (4) Stege (15) im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung (12) angeordnet sind, wobei ein stromabwärtiges Ende (36) der Stege (15) an einem stromabwärtigen Teil (37) des umlaufenden Randstegs
(8) angeordnet ist, und die zweiten Öff¬ nungen (11) zwischen je zwei Stegen (15) angeordnet sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1, wobei das Hitzeschildelement (4) eine Befestigungsvorrichtung (14) zur Befestigung des Hitzeschildelementes (4) an der Tragstruktur (3) aufweist und wobei die dritten Öffnungen (13) in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum (9) stromab der Befestigungsvorrichtung (14) angeordnet sind.
Brennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Höhe der Stege (15) mindestens 90% der Höhe des Hohl¬ raums (9) beträgt.
Brennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch die Stege (15) Kanäle (16) zwischen Hitzeschildele¬ ment (4) und Tragstruktur (3) gebildet werden, deren Länge (17) durch die Länge benachbarter Stege (15), deren Breite (18) durch den Abstand benachbarter Stege (15) und deren Höhe (38) durch die Höhe des Hohlraums (9) defi¬ niert sind, wobei ein Verhältnis von Länge (17) zum hyd¬ raulischen Durchmesser eines Kanals (16) größer als 7 ist .
Brennkammer (1) nach den Ansprüchen 2 und 4, wobei im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung (14) die Kanäle (16) an ihrem Eintritt (20) eine größere Breite aufweisen oder eine geringere Länge aufweisen als die übrigen Kanäle (16) .
Brennkammer (1) nach Anspruch 5, wobei die zweiten Öffnungen (11) Austritte (19) der Kanäle (16) darstellen und die dritten Öffnungen (13) an jeweils den Austritten (19) gegenüberliegenden Eintritten (20) der Kanäle (16) angeordnet sind.
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritten Öffnungen (13) für Brennstoff unterschiedlich groß sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 5, wobei an den Eintritten (20) der Kanäle (16) oder in den Kanälen (16) zumindest teilweise turbulenzerzeugende Einbauten (21) angeordnet sind .
9. Brennkammer (1) nach Anspruch 4, wobei die dritten Öffnungen (13) derart versetzt angeordnet sind, dass über die Kanäle (16) einander zuordenbare zweite (11) und dritte Öffnungen (13) unterschiedlich voneinander beabstandet sind.
10. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußersten durch je einen Steg (15) und den Randsteg (8) gebildeten Randkanäle (34) frei von zweiten (11) und dritten Öffnungen (13) sind.
11. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der umlaufende Randsteg (8) vierte Öffnungen (22) aufweist .
12. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Hitzeschildelement (4) so ange¬ ordnet ist, dass die zweiten Öffnungen (11) ein bis 4 mal soweit von einem Brennkammerausgang (39) entfernt sind, wie der Brennkammerausgang (38) hoch ist.
13. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Spalt (24) am bezogen auf eine Hauptströ¬ mungsrichtung (12) der Verbrennungsgase in der Brennkammer (1) stromabwärtigen Ende (25) des Hitzeschildelements (4) in der Tragstruktur (3) fünfte Öffnungen (26) vorgesehen sind.
14. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hitzeschildelement (4) ein metallisches Hitze¬ schildelement ist.
15. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer (1) mit einer einen Brennraum (2) umschließenden Tragstruktur (3) und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur (3) befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der Hitzeschildelemente (4) Brennstoff und Luft für eine Ver- brennung zugeführt werden, wobei Brennstoff und Luft im Hitzeschildelement (4) vorgemischt werden und als Brenn¬ stoff-Luft-Gemisch in den Brennraum (2) zur dortigen Verbrennung abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff in Teilströme der querströmenden Luft im Hit¬ zeschild (4) eingedüst wird.
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