DE60029900T2

DE60029900T2 - Wandelemente für Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE60029900T2
Application number: DE60029900T
Authority: DE
Inventors: Anthony Pidcock; Desmond Close; Michael Paul Spooner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1999-11-06
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: EP1098141B1; GB9926257D0; EP1710501A2; DE60029900D1; US6408628B1; EP1098141A1; EP1710501A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkammern für Gasturbinen-Maschinen und insbesondere auf Wandelemente zur Verwendung in Wandstrukturen von Brennkammern von Gasturbinen-Maschinen, wie sie z.B. in US-A-5799491 und in US-A-4628694 offenbart sind.
Es ist bekannt, Brennkammern von Gasturbinen-Maschinen mit einer äußeren Wand und einer inneren Wand aufzubauen, wobei die innere Wand aus einer Vielzahl von Kacheln bzw. Platten gebildet ist. Es wird Kühlluft verwendet, um ein Überhitzen der Brennkammer-Wände zu verhindern, doch erfordern Luftverschmutzungs-Richtlinien, dass ein hoher Luftanteil für die Verbrennung verwendet wird, so dass die zum Kühlen verfügbare Luft verringert wird. Bekannte Kacheln bzw. Platten führen zu Problemen wegen der widersprüchlichen Anforderungen des Kühlens und der Emissionsverringerung.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Wandelement für eine Wandstruktur einer Gasturbinen-Maschinenbrennkammer bereitgestellt, wobei das Wandelement einen Basisabschnitt aufweist, der eine Achse hat, die sich im Betrieb im Wesentlichen parallel zur Hauptachse der Maschine erstreckt, wobei die Abmessung des Basisabschnitts parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 20% der Abmessung des Basisabschnitts quer zu der Achse ist, und wobei der Basisabschnitt eine Vielzahl von Reihen aus Mischanschlüssen enthält, um im Betrieb das Eintreten von Gas in die Brennkammer zu ermöglichen.
Die Abmessung des Basisabschnitts parallel zu dessen Achse kann größer als im Wesentlichen 40% seiner Länge quer zu der Achse sein. In einem Ausführungsbeispiel ist die Abmessung des Basisabschnitts parallel zu der Achse im Wesentlichen gleich groß wie dessen Abmessung quer zu dessen Achse.
Vorzugsweise ist die Abmessung des Wandelements parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 40 mm. Diese Abmessung kann zwischen im Wesentlichen 40 mm und im Wesentlichen 80 mm liegen, doch ist vorzugsweise die Abmessung des Wandelements parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 80 mm. In einem Ausführungsbeispiel ist die Abmessung des Wandelements parallel zu dessen Achse im Wesentlichen 250 mm und kann dieselbe Abmessung wie die Abmessung des Wandelements quer zu dessen Achse sein.
In einem Ausführungsbeispiel hat das Wandelement zwei derartiger Reihen. Vorzugsweise erstreckt sich jede Reihe im Wesentlichen quer zur Achse des Wandelements.
Der Basisabschnitt kann eine Vielzahl von Öffnungen für den Durchtritt eines Kühlfluid definieren, um eine Oberfläche des Wandelements zu kühlen, die im Betrieb ins Innere der Brennkammer weist. Vorzugsweise liegen die Öffnungen in Form von Effusionslöchern vor und können so angeordnet sein, dass sie einen Film aus Kühlluft entlang der Oberfläche des Basisabschnitts leiten.
Die Öffnungen können an oder neben den Kantenbereichen des Basisabschnitts definiert sein. Der Basisabschnitt kann mit stromaufseitigen und stromabseitigen Kantenbereichen ausgestattet sein, wobei die Öffnungen vorzugsweise neben dem stromabseitigen Kantenbereich angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich können die Öffnungen von den Kantenbereichen beabstandet sein und sind vorzugsweise entlang einer Linie beabstandet, die sich im Wesentlichen quer zu der Achse der Wandstruktur erstreckt. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Linie der Öffnungen im Wesentlichen mittig von dem Basisabschnitt. Vorzugsweise sind die Öffnungen abgewinkelt, um das Kühlfluid zur stromabseitigen Kante des Basisabschnitts zu leiten.
Zumindest die stromabseitige Kante des Basisabschnitts kann mit einem nach außen gerichteten Flansch ausgestattet sein, der so ausgelegt ist, dass er im Betrieb mit einer Außenwand der Brennkammer in Eingriff gelangt. Der nach außen gerichtete Flansch kann einen Lippenabschnitt enthalten, der so ausgelegt ist, dass er mit einem benachbarten stromabseitigen Wandelement in Eingriff gelangt. Ein nach außen gerichteter Flansch kann an der stromaufseitigen Kante des Basisabschnitts vorgesehen sein.
Alternativ kann die stromabseitige Kante des Basisabschnitts offen sein, um zu ermöglichen, dass ein Kühlfluid über die stromabseitige Kante strömt. Die stromaufseitige Kante kann offen sein, um zu ermöglichen, dass Kühlfluid über die stromaufseitige Kante strömt.
Das Wandelement kann abgestuft sein, um einer Stufe an der Außenwand der Brennkammer zu entsprechen.
In einem Ausführungsbeispiel enthält das Wandelement ein Barriereglied, das sich zumindest teilweise über den Basisabschnitt hinweg erstreckt, wobei das Barriereglied dafür vorgesehen ist, die Strömung des Kühlfluids über den Basisabschnitt hinweg zu steuern.
Vorzugsweise ist das Barriereglied an dem Wandelement derart vorgesehen, dass Kühlfluid, das über den Basisabschnitt an einer Seite des Barrieregliedes hinwegtritt, von dem Barriereglied an dieser Seite weggeleitet wird.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Barriereglied derart vorgesehen sein, dass Kühlfluid, das über den Basisabschnitt an einer ersten und einer zweiten einander entgegengesetzten Seite des Barriereglieds hinwegtritt, in eine erste und in eine zweite zueinander entgegengesetzte Richtung von dem Barriereglied weggeleitet wird.
Vorzugsweise wirkt das Barriereglied so, dass verhindert wird, dass über den Basisabschnitt an einer Seite von ihm hinwegtretendes Kühlfluid über das Barriereglied zu der anderen Seite hinwegtritt. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Seite des Barrieregliedes voneinander isoliert.
Vorzugsweise erstreckt sich das Barriereglied im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Wandstruktur. In einem anderen Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Barriereglied im Wesentlichen parallel zur Achse der Wandstruktur.
Das Barriereglied kann sich im Wesentlichen vollständig über den Basisabschnitt erstrecken.
Das Wandelement kann mit einer Vielzahl von Barrieregliedern ausgestattet sein, die eine Grenze eines Bereichs für das Strömen eines Kühlfluids definieren können, wobei der Bereich vom Rest des Wandelements isoliert ist, was zu einem erhöhten oder verringerten Druck des Kühlfluids in dem Bereich bezüglich des Restes des Wandelements führt.
Die vielzähligen Barriereglieder können jeweils sich axial erstreckende Barriereglieder sein oder können jeweils sich quer erstreckende Barriereglieder sein.
Vorzugsweise umfasst die Vielzahl der Barriereglieder mindestens ein sich axial erstreckendes Barriereglied und mindestens ein sich quer erstreckendes Barriereglied. Jedes Glied der Vielzahl an Barrieregliedern kann mit jedem benachbarten Barriereglied in Eingriff gelangen oder gegen dieses stoßen, um den Bereich zu definieren.
Das oder jedes Barriereglied kann die Form einer länglichen Stange haben, die sich im Wesentlichen von dem Basisabschnitt zu der äußeren Wand erstrecken kann.
Die Innenwand kann eine Vielzahl der Wandelemente aufweisen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Wandelement für eine Brennkammer einer Gasturbinen-Maschine bereitgestellt, wobei das Wandelement einen Basisabschnitt aufweist, der eine Achse hat, die sich im Betrieb im Wesentlichen parallel zur Hauptachse der Maschine erstreckt, wobei der Basisabschnitt ein erstes Paar gegenüberliegender Kanten hat, die sich quer zu Achse des Wandelements erstrecken, und ein zweites Paar gegenüberliegender Kanten hat, die sich quer zu dem ersten Paar erstrecken, wobei mindestens eine Kante des zweiten Kantenpaares bezüglich der Achse des Basisabschnitts gewinkelt ist, um sich schräg zu der Achse zu erstrecken.
Vorzugsweise sind beide Kanten des zweiten Kantenpaares bezüglich der Achse des Basisabschnitts zueinander gewinkelt. Zweckmäßigerweise erstrecken sich beide Kanten des zweiten Paares im Wesentlichen parallel zueinander.
Die oder jede Kante des zweiten Paares kann bezüglich der Achse des Basisabschnitts in einem Winkel gewinkelt sein, der zwischen im Wesentlichen 10° und im Wesentlichen 20° und vorzugsweise im Wesentlichen 20° und im Wesentlichen 30° liegt. Noch bevorzugter beträgt der Winkel im Wesentlichen 30°.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Wandelement die Merkmale des Wandelements auf, das in den obigen Abschnitten 3 bis 23 beschrieben ist.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Brennkammer-Wandstruktur einer Gasturbinen-Maschine dargestellt, wobei die Wandstruktur eine Innenwand und eine Außenwand aufweist und die Innenwand mindestens eines der oben beschriebenen Wandelemente enthält.
Es werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende schematische Zeichnung beschrieben, wobei:
1 eine Schnitt-Seitenansicht einer Gasturbinen-Maschine ist;
2 eine Schnitt-Seitenansicht eines Teils einer Brennkammer der in 1 gezeigten Maschine ist;
3 eine Schnitt-Seitenansicht eines Teils einer Wandstruktur einer Brennkammer ist und ein Wandelement zeigt;
4, 5 und 6 Schnitt-Seitenansichten ähnlich der 1 sind und unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Wandelemente zeigen;
7 eine Schnitt-Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wandstruktur ist und ein Wandelement zeigt;
8 eine Schnitt-Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Wandstruktur ist und ein weiteres Wandelement zeigt;
9 eine Perspektivansicht eines Teils des in 7 gezeigten Wandelements ist;
10 eine Perspektivansicht eines Teils eines weiteren Wandelements ist;
11 eine Perspektivansicht eines Teils eines anderen Wandelements ist;
12 eine Draufsicht eines Wandelements ist; und
13 eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wandelements ist.
Wie man in 1 sieht, hat eine doppelflutige Gasturbinen-Maschine bzw. ein Zweistrom-Triebwerk 10 eine Hauptachse X-X. Die Maschine 10 umfasst in axialer Strömungs-Reihenfolge einen Lufteinlass 11, ein Propellergebläse 12, einen Zwischendruck-Kompressor 13, einen Hochdruck-Kompressor 14, eine Verbrennungseinheit 15, eine Hochdruck-Turbine 16, eine Zwischendruck-Turbine 17, eine Niederdruck-Turbine 18 und eine Auslassdüse 19.
Die Gasturbinen-Maschine 10 arbeitet in herkömmlicher Weise, so dass in den Einlass 11 eintretende Luft durch das Gebläse beschleunigt wird, um zwei Luftströme zu erzeugen: einen ersten Luftstrom in den Zwischendruck-Kompressor 13 hinein und einen zweiten Luftstrom, der Vortriebskraft erzeugt. Der Zwischendruck-Kompressor 13 komprimiert den in ihn gerichteten Luftstrom, bevor er diese Luft dem Hochdruck-Kompressor 14 zuführt, wo eine weitere Kompression erfolgt.
Die aus dem Hochdruck-Kompressor 14 ausgestoßene komprimierte Luft wird in die Verbrennungseinheit 15 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die entstehenden heißen Verbrennungsprodukte dehnen sich dann durch die Hochdruck-, Zwischendruck- und Niederdruck-Turbinen 16, 17 und 18 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie durch die Düse 19 ausgestoßen werden, um zusätzliche Vortriebskraft zu erzeugen. Die Hochdruck-, Zwischendruck- und Niederdruck-Turbinen 16, 17 und 18 treiben den Hochdruck-Kompressor 14, den Zwischendruck-Kompressor 13 bzw. das Gebläse 12 durch geeignete Verbindungswellen an.
Wie man in 2 sieht, besteht die Verbrennungseinheit 15 aus einer ringförmigen Brennkammer 20 mit radial inneren und äußeren Wandstrukturen 21 bzw. 22. Die Verbrennungseinheit 15 ist an einer Wand 23 durch eine Vielzahl von Stiften 24 befestigt (wovon nur einer gezeigt ist). Der Brennstoff wird in die Kammer 20 durch eine Anzahl von Brennstoffdüsen 25 geführt, die sich an dem stromaufseitigen Ende 26 der Kammer 20 befinden. Die Brennstoffdüsen sind um die Maschine 10 herum in Umfangsrichtung beabstandet und dienen dazu, den Brennstoff in die Luft einzusprühen, die von dem Hochdruck-Kompressor 14 hergeleitet wird. Das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch wird dann im Innern der Kammer 20 verbrannt.
Der Verbrennungsprozess, der im Innern der Kammer 20 stattfindet, erzeugt natürlich eine große Menge Wärme. Es ist daher notwendig, dafür zu sorgen, dass die inneren und die äußeren Wandstrukturen 21 und 22 in der Lage sind, der Wärme standzuhalten.
Die radial inneren und äußeren Wandstrukturen 21 und 22 weisen jeweils eine äußere Wand 27 und eine innere Wand 28 auf. Die innere Wand 28 besteht aus einer Vielzahl diskreter Wandelemente in Form von Kacheln (bzw. Platten) 29A und 29B. Die Kacheln 29A haben eine Achse Y-Y (siehe 3 und 6), die sich im Wesentlichen parallel zur Hauptachse X-X der Maschine 10 erstreckt. Die Kacheln 29A haben eine Abmessung von nominal 40 mm parallel zur Achse Y-Y. Die Kacheln 29B haben eine Hauptachse Z-Z (siehe 3, 5, 7 und 8), die sich im Wesentlichen parallel zur Hauptachse X-X der Maschine 10 erstreckt. Die Abmessung der Kacheln 29B parallel zur Achse Z-Z ist länger als die entsprechenden Abmessungen der Kacheln 29A. Die Länge dieser Abmessung ist typischerweise größer als 20% der Länge der Abmessung senkrecht zur Achse Z-Z. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist z.B. die Abmessung der Kachel 29B parallel zur Achse Z-Z im Wesentlichen 80 mm. Man erkennt jedoch, dass die axiale Länge der Kacheln 29B länger als 40% der Abmessung senkrecht zur Achse Z-Z sein könnte. Die Abmessung der Kacheln 29B parallel zur Achse Z-Z könnte z.B. gleich groß wie die Abmessung der Kachel in der Umfangsrichtung, das heißt im Wesentlichen senkrecht zur Achse Z-Z sein. In einem derartigen Fall kann die Abmessung der Kacheln 29B parallel zur Achse Z-Z im Wesentlichen 250 mm betragen.
Jeder der Kacheln 29A, 29B hat sich in Umfangsrichtung erstreckende Kanten 30 und 31, und die Kacheln sind nebeneinander derart positioniert, dass die Kanten 30 und 31 benachbarter Kacheln 29A, 29B einander überlappen. Alternativ können die Kanten 30, 31 benachbarter Kacheln aneinander stoßen. Jede Kachel 29A, 29B weist einen Basisabschnitt 32 auf, der von der Außenwand 27 beabstandet ist, um dazwischen einen Raum 44 für die Strömung des Kühlfluids in Form von Kühlluft zu definieren, wie weiter unten erklärt wird. Es sind Wärmeabführungs-Vorrichtungen in Form von Sockeln 45 an dem Basisabschnitt 32 vorgesehen und erstrecken sich in den Raum 44 zwischen der äußeren Wand 27.
Befestigungsmittel in Form von einer Vielzahl von Gewindestiften 34 erstrecken sich von den Basisabschnitten 32 der Kacheln 29A, 29B durch Öffnungen in der äußeren Wand 27. Muttern 36 sind auf die Stifte 34 geschraubt, um die Kacheln 29A, 29B an der äußeren Wand 27 zu befestigen.
Wie man in 3 bis 6 sieht, lässt man während des Maschinenbetriebs einen Teil der von dem Hochdruck-Kompressor ausgestoßenen Luft über die äußeren Flächen der Kammer 20 austreten. Die Luft versorgt die Kammer 20 mit Kühlung, und ein Teil der Luft wird in das Innere der Kammer 20 geleitet, um den Verbrennungsprozess zu unterstützen. Erste und zweite Reihen von Mischanschlüssen 38, 39 sind in den längeren Kacheln 29B vorgesehen und voneinander axial beabstandet. Die Anschlüsse 38 entsprechen den Öffnungen 40 in der äußeren Wand 27, und die Anschlüsse 39 entsprechen den Öffnungen 41 der äußeren Wand 27.
Die Bereitstellung längerer Kacheln 29B hat den Vorteil, dass sie es ermöglicht, die Position der Reihen von Mischanschlüssen näher zusammenzubewegen, als wenn alle Kacheln in der Form der kürzeren Kachel 29A vorlägen.
Außerdem sind Löcher 42 (wovon nur einige gezeigt sind) in der äußeren Wand 27 vorgesehen, um ein Kühlfluid in Form von Kühlluft in den Raum 44 eintreten zu lassen, der zwischen der äußeren Wand 27 und dem Basisabschnitt 32 der Kacheln 29A, 29B definiert ist.
Die Kühlluft tritt durch die Löcher 42 hindurch und trifft auf die radial äußeren Oberflächen der Basisabschnitte 32 auf. Die Luft fließt dann durch den Raum 44 in eine stromaufseitige und eine stromabseitige Richtung und wird von dem Raum 44 zwischen den Kacheln 29A, 29B und der äußeren Wand 27 auf die eine oder mehrere Arten einer Vielzahl von Arten ausgestoßen, wie dies in 3 bis 6 gezeigt und weiter unten beschrieben ist.
Wie man insbesondere an den längeren Kacheln 29B sieht, zeigt der Pfeil A in 3 Luft, die über die offene stromaufseitige Kante 30 der Kachel 29 austritt und sich mit stromabseitiger Luft vermischt, die von der stromaufseitigen benachbarten Kachel 29A strömt, wie dies durch den Pfeil B gezeigt ist. Der Pfeil C zeigt die sich ergebende Luftströmung an. Es sind gewinkelte Effusionslöcher 46 an der Kachel 29B zwischen den Anschlüssen 38 und 39 mittig vorgesehen. Der Pfeil B zeigt eine Luftströmung, die aus dem Raum 44 durch die Löcher 46 austritt. Es tritt auch eine Strömung von stromabseitiger Luft aus der offenen stromabseitigen Kante 31 der Kachel 29B aus, nachdem ein Mischen mit stromaufseitiger Luft erfolgt, die von der benachbarten Kachel 29A strömt, wie dies durch den Pfeil E gezeigt ist.
Wie man insbesondere an der längeren Kachel 29B in 4 sieht, tritt Luft über mittig angeordnete Effusionslöcher 46A aus, wie dies durch den Pfeil G gezeigt ist. Außerdem tritt Luft über Effusionslöcher 46B aus, die in der stromabseitigen Kante 31 der Kachel 29B vorgesehen sind, wie dies durch den Pfeil F gezeigt ist. Die stromabseitige Kante 31 ist mit einem nach außen gerichteten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Flansch 47 ausgestattet, der die äußere Wand 27 berührt bzw. mit ihr in Eingriff steht. Der Flansch 47 enthält einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Lippenabschnitt 48, um die benachbarte stromabseitige Kachel 29A zu berühren bzw. mit ihr in Eingriff zu stehen. Die stromaufseitige Kante 30 ist mit einer Lippe 49 ausgestattet, welche die benachbarte stromaufseitige Kachel 29A an ihrem Lippenabschnitt 48 berührt bzw. mit ihm in Eingriff ist.
In 5 berührt die stromaufseitige Kante 30 der Kachel 29B eine Schulter 50 der äußeren Wand 27, wodurch der Austritt von Luft an der Kante 30 verhindert wird. Somit tritt Luft über die offene stromabseitige Kante 31 der Kachel 29B aus, nachdem ein Mischen mit Kühlluft von der benachbarten stromabseitigen Kachel 29A erfolgt, wie durch den Pfeil I gezeigt. Luft tritt auch über mittig angeordnete Effusionslöcher 46 aus, wie durch den Pfeil H gezeigt.
In 6 zeigt der Pfeil J Luft, die über die stromabseitige Kante 31 der Kachel 29B austritt, nachdem ein Mischen mit Luft von der stromabseitigen Kante 29A erfolgt, während der Pfeil K Luft zeigt, die über die stromaufseitige Kante 30 der längeren Kachel 29B austritt, nachdem ein Mischen mit Luft von der stromaufseitigen Kachel 29A erfolgt, und der Pfeil L Luft zeigt, die über mittig angeordnete Effusionslöcher 46 austritt. Die in 6 gezeigte Kachel 29A hat einen gestuften Aufbau und weist eine Stufe 32A in dem Basisabschnitt 32 auf, die einer Stufe 22A der äußeren Wand 22 entspricht. Somit passt sich die Kachel 29A an die Form der äußeren Wand 22 an.
Wie man in 7 bis 11 sieht, sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Kacheln 29B gezeigt.
In jedem Fall ist die äußere Wand 27 mit einer Vielzahl von Effusionslöchern 140 ausgestattet, um das Eindringen von Luft in den Raum 44 zwischen dem Basisabschnitt 32 der Kachel 29 und der äußeren Wand 27 zu gestatten. Die Pfeile A in 7 und 8 zeigen die Richtung des Luftstroms durch die Kacheln von den Effusionslöchern 140.
Jede der Kacheln 29B ist mit mindestens einem Barriereglied 144 in Form einer länglichen Stange ausgestattet, die sich quer über den Basisabschnitt 32 erstreckt.
7 zeigt einen Querschnitt der Wandstruktur 21 parallel zur Hauptachse der Maschine 10. Es wird auch auf 9 Bezug genommen, welche die Kachel 29 von 3 zeigt. Die in 3 und 5 gezeigte Kachel 29 hat ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Barriereglied 144. Das Barriereglied 144 erstreckt sich vollständig über den Basisabschnitt 32. Wie man in 7 sieht, erstreckt sich das Barriereglied 144 von dem Basisabschnitt 32 im Wesentlichen zu der äußeren Wand 27.
Wie in 7 gezeigt, sind die Effusionslöcher 140 in der äußeren Wand 27 auf der einen als auch der anderen Seite des Barrieregliedes 144 vorgesehen. Somit wird Kühlluft, die über Effusionslöcher 140 in den Raum 44 eintritt, durch das Barriereglied 144 in entgegengesetzten Richtungen von dem Barriereglied weggeleitet, wie durch die Pfeile A gezeigt. Die Kühlluft in dem Raum 44 folgt dann stromaufseitigen und stromabseitigen Wegen quer durch die Kachel 29, um von ihr am entgegengesetzten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kanten auszutreten.
Falls gewünscht, kann die Kachel 29 mittig mit Effusionslöchern 146 ausgestattet sein, um Luft in die Brennkammer 20 hinein zu leiten, wie durch die Pfeile B gezeigt, um den Luftfilm, der die Oberfläche 47 des Basisabschnitts 36 der Kachel 29 kühlt, zu ergänzen bzw. zu stärken.
Wie man in 9 sieht, erstreckt sich eine Lippe 148 entlang einer der sich axial erstreckenden Kanten 150 der Kachel 29. Eine ähnliche Lippe ist auch an der entgegengesetzten, sich axial erstreckenden Kante vorgesehen, doch ist aus Gründen der Klarheit nur eine axiale Kante 150 und somit nur eine Lippe 148 gezeigt.
8 zeigt eine Abwandlung der in 7 gezeigten Kachel, bei der zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende Barriereglieder 144A, 144B vorgesehen sind. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die äußere wand 27 mit Effusionslöchern 140 an entgegengesetzten Seiten der Barriereglieder 144A, 144B ausgestattet, wodurch Kühlluft in der stromaufseitigen als auch der stromabseitigen Richtung auf ähnliche Art und Weise wie in 7 gezeigt geleitet wird.
Die äußere Wand 27 ist auch mit weiteren Effusionslöchern 152 ausgestattet, die angeordnet sind, um Kühlluft in den Bereich zu leiten, der zwischen den Barrieregliedern 144A, 144B bestimmt ist. Die in den Bereich zwischen den Barrieregliedern 144A, 144B gelangende Luft wird durch Effusionslöcher 146 hindurchgeleitet, wie durch die Pfeile B gezeigt, um die entlang der inneren Oberfläche 47 der Kachel 49 hinwegtretende Kühlluft zu ergänzen. Durch Bereitstellen zweiter Barriereglieder 144A und 144B ist der Druckabfall an den Effusionslöchern 46 etwas geringer als bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Wie man in 10 sieht, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kachel 29 gezeigt, die ein Barriereglied 144 hat, das sich in einer Richtung erstreckt, die parallel zur Hauptachse der Maschine 10 wäre. Somit wird Kühlluft in Umfangsrichtung entlang der Kachel 29 geleitet.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ein erstes und ein zweites sich axial erstreckendes Barriereglied 144A, 144B und ein sich quer erstreckendes Barriereglied 144C aufweist, wobei die Barriereglieder 144A, 144B und 144C in Eingriff miteinander angeordnet sind, um einen Bereich 152 zu definieren, in den Kühlluft durch (nicht gezeigte) Effusionslöcher in der äußeren Wand 27 konzentriert werden kann. Das in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel ist besonders nützlich für den Fall, dass ein spezieller Bereich einer Kachel 29 beachtlich an Überhitzung leidet. Weitere Diffusionslöcher (nicht gezeigt) sind in dem Basisabschnitt 32 vorgesehen, um Luft von dem Bereich 152 durch den Basisabschnitt 32 hindurchzuleiten, um den entlang der inneren Oberfläche der Kachel 29 hinwegtretenden Kühlfilm zu ergänzen. Die Konzentration der Kühlluft in dem Bereich 52 durch die Barriereglieder 144A, 144B und 144C führt dazu, dass der Druckabfall an dem Basisabschnitt 36 kleiner als für den Rest der Kachel 29 ist.
Die oben beschriebenen und in 3 bis 11 gezeigten Kacheln sind mit axialen Kanten ausgestattet, die im Wesentlichen parallel zur Hauptachse X-X der Maschine 10 sind.
12 und 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele. 12 ist eine Draufsicht einer Anordnung, die eine Vielzahl von Kacheln 29A, 29B aufweist, die einen Teil der inneren Wand 28 der Wandstruktur 22 bilden. Die Kacheln 29A haben eine axiale Länge von im Wesentlichen 40 mm, und die Kacheln 29B haben eine axiale Länge von im Wesentlichen 80 mm, wobei die axiale Abmessung parallel zur Hauptachse X-X der Maschine 10 ist und zur besseren Erkennbarkeit durch den doppelten Pfeil gekennzeichnet ist. Die Kacheln 29B haben einen Basisabschnitt 32, der zwei Reihen aus Mischanschlüssen 38, 39 enthält, durch die Luft ins Innere der Brennkammer 20 eindringen kann. Nur eine Kachel 29B ist aus Gründen der Klarheit vollständig gezeigt. Bei Bedarf können auch die kürzeren Kacheln 29A mit einer einzigen Reihe aus Mischanschlüssen 38 ausgestattet sein, wie in 12 gestrichelt gezeigt.
Wie man sieht, sind die Mischanschlüsse 38, 39 in den beiden Reihen relativ zueinander versetzt, und die Kacheln 29B haben entgegengesetzte axiale Kanten 52, die schräg zur Hauptachse X-X der Maschine 10 angeordnet sind. Die axialen Kanten 52 der Kachel 29B sind parallel zueinander und im Wesentlichen 30° zur Hauptachse X-X der Maschine 10 gewinkelt. Die Kacheln 29A haben axiale Kanten 54, die parallel zueinander sind, und sind auch quer zur Hauptachse in einem Winkel von im Wesentlichen 30° angeordnet.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem eine Vielzahl von Kacheln 29A die innere Wand 27 bilden. Die Kacheln 29A haben einen Basisabschnitt 32 mit einer axialen Länge von im Wesentlichen 40 mm und sind mit abgewinkelten Kanten 54 ausgestattet, die ähnlich wie die Kanten 54 sind, die für die Kacheln 49A in 12 gezeigt sind. Jede der Kacheln 29A, wie in 8 gezeigt, umfasst eine einzige Reihe aus Mischanschlüssen 38. Die Winkel der Kanten 44, wie in 13 gezeigt, sind ebenfalls im Wesentlichen 30° zur Hauptachse X-X der Maschine 10.
Somit sind in 3 bis 12 Brennkammer-Wandkacheln beschrieben, die in der axialen Abmessung der Brennkammer vorwiegend länger als bekannte Kacheln sind. Die in 3 bis 11 beschriebenen Kacheln haben den Vorteil, dass sie mindestens zwei Reihen aus Mischanschlüssen enthalten, um Luft in die Brennkammer für Verbrennungszwecke und gesondert von Kühlzwecken eintreten zu lassen. Dies hat den Vorteil, dass Emissionen von Verunreinigungen, wie z.B. NOx-Emissionen verringert werden. Die oben beschriebenen Kacheln haben auch den Vorteil, dass sie die Anzahl der Befestigungen verringern, die zum Abdecken einer Brennkammer-Wand mit Kacheln benötigt werden, da weniger einzelne Kacheln erforderlich sind, weil sie axial länger sind. Dies verringert das Gesamtgewicht und die Kosten einer Brennkammer. Außerdem verringert eine Verringerung der Anzahl an Kacheln auch die Kosten und die Komplexität der Brennkammer.
Außerdem verringert die Verwendung längerer Kacheln 29B und die folgliche Verringerung der Anzahl an Kacheln die Anzahl und die Gesamtlänge der Kachelkanten. Dies verringert einen unkontrollierten Austausch von Kühlluft um die Kanten der Kacheln herum, wodurch die Kühleffizienz verbessert wird.
Ein Vorteil der Bereitstellung von Kacheln mit derartigen schrägen Kanten, wie in 12 und 13 weiter oben gezeigt, besteht darin, dass nicht nur zwei Reihen aus Mischanschlüssen an den längeren Kacheln 29B vorgesehen werden können, sondern die diagonale Kante auch den Effekt eines Strömungslecks an den Verbindungsstellen zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Kacheln 29A oder 29B verringert. Außerdem ergibt sich eine Verringerung des Defizits an Kühlfilm in dem Bereich unmittelbar stromab von den Kanten dieser benachbarten Kacheln 29A oder 29B.
Jeder der oben beschriebenen Kacheln 29A, 29B kann entlang ihrer Abmessung in Umfangsrichtung, das heißt in der Abmessung senkrecht zur Achse Y-Y oder Z-Z gekrümmt sein, um der Krümmung der Brennkammer-Wände 27 der inneren und der äußeren Wandstrukturen 21 und 22 zu entsprechen.
Es können verschiedene Abwandlungen durchgeführt werden, ohne den in den Ansprüchen dargelegten Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Wandelement (29B) für eine Wandstruktur (21, 22) einer Gasturbinen-Maschinenbrennkammer (15), wobei das Wandelement (29B) einen Basisabschnitt (32) aufweist, der eine Achse hat, die sich im Betrieb im Wesentlichen parallel zur Hauptachse der Maschine erstreckt, wobei die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 20% der Abmessung des Wandelements (29B) quer zu der Achse des Wandelements (29B) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (32) eine Vielzahl von Reihen aus Mischanschlüssen (38, 39) enthält, um im Betrieb das Eintreten von Gas in die Brennkammer (15) zu ermöglichen.
Wandelement (29B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 40% seiner Abmessung quer zur Achse des Wandelements (29B) ist.
Wandelement (29B) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse im Wesentlichen gleich groß wie dessen Abmessung quer zur Achse des Wandelements (29B) ist.
Wandelement (29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 40 mm ist.
Wandelement (29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse zwischen im Wesentlichen 40 mm und im Wesentlichen 80 mm liegt.
Wandelement (29B) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse größer als im Wesentlichen 80 mm ist.
Wandelement (29B) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Wandelements (29B) parallel zu dessen Achse im Wesentlichen 250 mm ist.
Wandelement (29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (32) zwei derartiger Reihen aus Mischanschlüssen (38, 39) hat, wobei sich jede Reihe im Wesentlichen quer zur Achse des Wandelements (29B) erstreckt.
Wandelement (29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (32) eine Vielzahl von Öffnungen (46) für den Durchtritt eines Kühlfluids definiert, um eine Oberfläche des Basisabschnitts (32) zu kühlen, der im Betrieb ins Innere der Brennkammer (15) weist.
Wandelement (29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Öffnungen (46B) an oder neben den Kantenbereichen (30, 31) des Basisabschnitts (32) für den Durchtritt eines Kühlfluids im Betrieb durch diese hindurch.
Wandelement (29B) nach Anspruch 10, wobei der Basisabschnitt (32) mit stromaufseitigen und stromabseitigen Kantenbereichen (30, 31) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (46B) neben dem stromabseitigen Kantenbereich (30) angeordnet sind.
Wandelement (29B) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Öffnungen (46A), die von stromaufseitigen und stromabseitigen Kantenbereichen (30, 31) des Basisabschnitts (32) beabstandet sind, wobei die Öffnungen (46A) entlang einer Linie beabstandet sind, die sich im Wesentlichen mittig von dem Basisabschnitt (32) und quer zu der Achse erstreckt.
Wandelement (29B) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die stromabseitige Kante (30) des Basisabschnitts (32) mit einem nach außen gerichteten Flansch (47) ausgestattet ist, der so ausgelegt ist, dass er im Betrieb mit einer Außenwand (22) der Brennkammer (15) in Eingriff gelangt, wobei der Flansch (47) einen Lippenabschnitt (48) enthält, der so ausgelegt ist, dass er mit einem benachbarten stromabseitigen Wandelement (29B) in Eingriff gelangt, und wobei ein weiterer nach außen gerichteter Flansch (49) an der stromaufseitigen Kante (30) des Basisabschnitts (32) vorgesehen ist.
Wandelement (29B) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufseitigen und stromabseitigen Kanten (30, 31) des Basisabschnitts (32) offen sind, um zu ermöglichen, dass Kühlfluid über die jeweiligen Kanten strömt.
Wandelement (29B) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabseitige Kante (31) des Basisabschnitts (32) offen ist, um zu ermöglichen, dass Kühlfluid über die stromabseitige Kante (31) strömt, und wobei die stromaufseitige Kante (30) dazu ausgelegt ist, um mit einer Außenwand (22) in Eingriff zu gelangen, um im Wesentlichen zu verhindern, dass Kühlfluid über die stromaufseitige Kante (30) strömt.
Wandelement (29B) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (46) die Form von Effusionslöchern haben, die dazu ausgelegt sind, um einen Film aus Kühlfluid entlang der Oberfläche des Basisabschnitts (32) zu leiten.
Wandelement (29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Barriereglied (144), das sich zumindest teilweise über den Basisabschnitt (32) hinweg erstreckt, wobei das Barriereglied (144) dazu dient, um die Strömung des Kühlfluids im Betrieb über den Basisabschnitt (32) hinweg zu steuern.
Wandelement (29B) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Barrieregliedern (144), um eine Grenze eines Bereichs für das Strömen eines Kühlfluids zu definieren, der vom Rest des Wandelements (29B) isoliert ist, und die betätigbar sind, um einen erhöhten oder verringerten Druck des Kühlfluids in dem Bereich bezüglich des Restes des Wandelements (29B) zu erzeugen.
Wandelement (29A, 29B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (32) ein erstes Paar gegenüberliegender Kanten hat, die sich quer zur Achse des Basisabschnitts (32) erstrecken, und ein zweites Paar gegenüberliegender Kanten (52) hat, die sich quer zu dem ersten Paar Kanten erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kante des zweiten Kantenpaares (52) bezüglich der Achse des Basisabschnitts (32) gewinkelt ist, um sich schräg zu der Achse zu erstrecken.
Wandelement (29A, 29B) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kanten (52) des zweiten Kantenpaares (52) in besagter Weise bezüglich der Achse des Basisabschnitts (32) und zueinander gewinkelt sind.
Wandelement (29A, 29B) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Kante (52) des zweiten Kantenpaares (52) bezüglich der Achse des Basisabschnitts (32) in einem Winkel abgewinkelt ist bzw. sind, der zwischen im Wesentlichen 10° und im Wesentlichen 40° liegt.
Wandelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Kante (52) des zweiten Kantenpaares (52) bezüglich der Achse des Basisabschnitts (32) in einem Winkel gewinkelt ist, der zwischen im Wesentlichen 20° und im Wesentlichen 30° liegt.
Wandelement nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Kante (52) des zweiten Kantenpaares (52) bezüglich der Achse des Basisabschnitts (32) in einem Winkel von im Wesentlichen 30° gewinkelt ist.
Wandstruktur für eine Gasturbinen-Maschinenbrennkammer (15), die eine Innenwand und eine Außenwand (21, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand eine Vielzahl von Wandelementen (29A, 29B) aufweist, wie sie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist.
Gasturbinen-Maschinenbrennkammer, gekennzeichnet durch eine Wandstruktur, wie sie in Anspruch 24 beansprucht ist.
Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Brennkammer enthält, wie sie in Anspruch 25 beansprucht ist.