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WO2005003517A1 - Offen gekühltes bauteil für eine gasturbine, brennkammer und gasturbine - Google Patents

Offen gekühltes bauteil für eine gasturbine, brennkammer und gasturbine Download PDF

Info

Publication number
WO2005003517A1
WO2005003517A1 PCT/EP2004/006491 EP2004006491W WO2005003517A1 WO 2005003517 A1 WO2005003517 A1 WO 2005003517A1 EP 2004006491 W EP2004006491 W EP 2004006491W WO 2005003517 A1 WO2005003517 A1 WO 2005003517A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas turbine
cavity
wall
combustion chamber
component
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/006491
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Hoffmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to DE502004004752T priority Critical patent/DE502004004752D1/de
Priority to US10/561,641 priority patent/US7658076B2/en
Priority to EP04739955A priority patent/EP1651841B1/de
Priority to PL04739955T priority patent/PL1651841T3/pl
Publication of WO2005003517A1 publication Critical patent/WO2005003517A1/de
Priority to US12/631,940 priority patent/US8347632B2/en

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/08—Cooling thereof; Tube walls
    • F23M5/085—Cooling thereof; Tube walls using air or other gas as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to an open-cooled component for a gas turbine with a H adoptedgasbeetzmannten outer wall which at least partially defines a first cavity for a first means and are arranged in the fürgangso réelleen which fürgangso réelleen one hand into the cavity and on the other hand into the hot gas space and at least one second cavity for admixing a second means, which is in Strömungs- connection with the passage openings.
  • the invention further relates to a combustion chamber and a gas turbine.
  • Combustor walls as well as gas turbine blades are subject to high physical stress during normal operation of the gas turbine.
  • these components are provided with a cooling. If air is used as a coolant, it is taken from a combustion chamber upstream compressor with diffuser and is lost to the combustion process. As a result, flame temperatures and NO x emissions increase.
  • the wall of a combustion chamber is cooled either open or closed.
  • the open cooling is designed as convective cooling, film cooling or as impact cooling with a cooling air outlet in the combustion chamber.
  • the closed cooling requires a higher design effort and leads to an increased pressure loss due to the cooling air flow and the cooling itself.
  • US Pat. No. 5,125,793 shows a turbine blade of a gas turbine with a double-walled outer wall enclosing a cavity.
  • a flow channel for air is arranged in the double-walled outer wall.
  • the cavity flows a liquid fuel, which is injected through through openings in the flow channel located in the double wall and there meets a catalyst.
  • the catalyst Through the catalyst, the fuel decomposes endothermically into at least one combustible gas, which cools the blade.
  • the air transports the gases to an outlet, from which the mixture can flow into the turbine and burn there.
  • a disadvantage of the known concepts is that for the mixing of cooling air and fuel, a volume is to be provided by the reaction partners can ignite by auto-ignition or flashback in the components. As a result, under certain circumstances, stable combustion processes develop, so that the cooling effect of the fuel-air mixture is lost or the component can be damaged by the internal combustion.
  • the second cavity is formed by supply channels provided in the outer wall, which are connected via transverse channels with the fürgangso réelleen formed as a passage bore, so that the two means are miscible only within the through holes.
  • the invention further proposes a combustion chamber for a gas turbine with a wall element, which has a corresponding arrangement.
  • the invention turns away.
  • the previously formed between the double wall second cavity can be embedded as a supply channel in the outer wall, which is connected via separate transverse channels with the fürgangso réelleen.
  • a possibility is thus created for the first time to substantially completely avoid a mixing volume in the component, as a result of which flashback and self-ignition in the component can be largely avoided.
  • a component designed as a wall element of a combustion chamber it is possible to reduce a flame temperature increase in the case of open cooling, since the cooling air is now without the disadvantages described above can be enriched with fuel.
  • the present invention therefore allows the cooling air flow to be increased without adversely affecting combustion.
  • the present invention can also be achieved that the flame acoustics influenced, in particular detuned, can be.
  • the fürgangs ⁇ réelle can be provided, for example, that the cooling air flows into the combustion chamber of the combustion chamber. Via the supply channel provided in the outer wall of the component, fuel can be supplied which mixes with the cooling air as it flows into the passage opening and thus forms a combustible mixture. A flashback is avoided insofar as there is no ignitable mixture in one of the supply channels or in the cavities before the mouth of the transverse channel in the fürgangs ⁇ réelle. Thus, the above-mentioned undesirable, sometimes dangerous, conditions can be avoided.
  • the outer wall has a plurality of through holes, a plurality of supply channels extending between the holes, and a plurality of further transverse channels which crosslink the supply channels with the through holes. Due to the net-like structure of the channels and holes, a homogenization of the flowing mixture into the combustion chamber of fuel and cooling air can be achieved. In addition, it is possible to cool the component more uniformly, so that local overheating can be avoided.
  • the component has at least two interconnectable layers.
  • one layer may have the channel, while a second layer is formed on the combustion chamber side of a particularly resistant material.
  • a high load capacity of the component can be achieved.
  • the channel is introduced in at least one layer surface of one of the layers on the connection side. The channel can be introduced in this way by milling or similar material-removing processes in the surface of a layer, wherein by assembling the adjacent layers closed channels are formed. The channel can thereby be introduced into the component by means of known and also cost-effective methods.
  • the cavity with a first fluid source and the supply channel with a second fluid source is connectable.
  • Both fluids i.
  • Means can be used to cool the blade so that the amount of air required for cooling is reduced. A larger amount of air is available to the combustion process, so that high flame temperatures and NO ⁇ emission can be reduced.
  • the blade is basically the same principle as for the wall element of the combustion chamber at the bottom. Again, there is essentially no mixing volume, so that flashback and autoignition are largely avoided.
  • the reliability of the gas turbine with respect to defective blades can be increased.
  • the cooling air flow can be increased without negative effects on the combustion and the flame acoustics can be detuned.
  • the invention also proposes that one of the two fluid sources is an oxidant source and the other fluid source is a fuel source.
  • an ignitable mixture is formed only in the region of the mouth of the fürgangs ⁇ réelle in the flow channel of the gas turbine, when the mouth of the channels is arranged sufficiently close to the mouth of the passage opening in the flow channel.
  • the invention also proposes a gas turbine, wherein the gas turbine is a combustion chamber according to the invention.
  • the negative effects, as described above, can be largely reduced by supplying fuel, wherein the combustion chamber according to the invention enables safe operation with respect to auto-ignition and flashback. Furthermore, it is advantageous to influence the flame acoustics in order to reduce the stresses and wear caused by this.
  • the invention also proposes a gas turbine with a component designed as a blade.
  • the cooling effect for the blade of the turbine unit which can be designed as a fixed guide blade as well as a rotating rotor blade, can be improved by increasing the cooling air flow, wherein the negative effects on the combustion can be largely avoided.
  • an influence on the detuning of the flame acoustics can be exerted. Wear and tear can be further reduced.
  • FIG. 1 shows a section through an inventive wall element for a combustion chamber
  • FIG. 2 shows a section through the wall element in Fig. 1 along a line II
  • 3 shows a schematic representation of a system of channels in a wall element according to the present invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of a blade in a flow channel of a gas turbine
  • FIG. 5 shows a section through a blade according to the invention.
  • Fig. 1 shows a section through an inventive designed as a wall element 2 component with a plurality of fürgangso réelleen 3 can enter through the cooling air into the combustion chamber.
  • the wall element 2 also has transverse channels 4, which open at one end in each case into a passage opening 3.
  • a fluid fuel can be supplied, which is guided via the transverse channels 4 to the fürgangso réelleen 3 and is introduced there into the flow of cooling air.
  • Fig. 2 illustrates this system of channels for the fuel supply.
  • the wall element 2 has two interconnectable layers 6, 7. In the connection-side layer surface of the layer 6, the channel system is introduced by milling. By the connection of the layers 6 and 7 closed channels 4 and 9 are formed.
  • Fig. 3 shows a plan view of the surface of the layer 6 of the wall element 2 in which the channels 4 and 9 are introduced.
  • the connecting channel 9 is formed integrally with the wall element.
  • the combustion chamber of a plurality of wall elements 2 is modular.
  • the wall element 2 can also be advantageously used as a heat shield, liner and the like.
  • a section of a flow channel of a gas turbine is shown schematically by a blade 10 is arranged.
  • Hot gas space 21 open through openings 12, wherein in the mouth region junctions of transverse channels 13 are indicated schematically.
  • FIG. 5 A section through such a blade 10 is shown in FIG. 5.
  • a blade wall 14 encloses a cavity 15, wherein the blade wall 17 is provided with passage openings 12. Cooling air can be supplied via the cavity 15 and exits through the passage openings 12 into the flow channel 11.
  • the blade wall 14 is further provided with a system of supply channels 13, which are connected via transverse channels 4 each with the fürgangso réelleen 12.
  • the supply channels 13 are connected to a fluid fuel source in str ⁇ ungstechnischer connection.
  • the blade 14 is constructed in two layers, consisting of an outer layer 16 and a cavity 15 forming the inner layer 17.
  • the inner layer 17 has on its side facing the layer 16 by milling introduced recesses, which the channel system with the supply channels 13 form.
  • air is conducted as cooling air for the blade 10 via fürgangso réelleen 12 as Oxidati ⁇ nsstoffs in the flow channel 11.
  • the fluid fuel is introduced into the passage openings 12 of the blade wall 14, so that an ignitable mixture is formed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Offen gekühltes Bauteil für eine Gasturbine mit einer heißgasbeaufschlagten Außenwand (20), welche zumindest teilweise einen ersten Hohlraum (15) für ein erstes Mittel begrenzt und in der Durchgangsöffnungen (3, 12) angeordnet sind, welche Durchgangsöffnungen (3, 12) einerseits in den Hohlraum (15) und andererseits in den Heißgasraum (21) münden sowie mit zumindest einem zweiten Hohlraum zum Zumischen eines ein zweiten Mittels, der mit den Durchgangöffnungen (3, 12) in Strömungsverbindung steht. Um ein Bauteil für eine Gasturbine anzugeben, mit denen Flammenrückschlag und Selbstzündung bei Zufuhr von Brennstoff in die Kühlluft reduziert werden können, wird vorgeschlagen, dass der zweite Hohlraum durch in der Außenwand vorgesehenen (20) Versorgungskanäle (9, 13) gebildet wird, die über Querkanäle (4) mit den als Durchgangbohrung ausgebildeten Durchgangsöffnungen (3, 12) in Verbindung stehen, so dass die beiden Mittel erst innerhalb der Durchgangsbohrungen vermischbar sind. Ferner wird eine Brennkammer für eine Gasturbine und eine Gasturbine mit einem solchen Bauteil vorgeschlagen.

Description

Offen gekühltes Bauteil für eine Gasturbine, Brennkammer und Gasturbine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein offen gekühltes Bauteil für eine Gasturbine mit einer heißgasbeaufschlagten Außenwand, welche zumindest teilweise einen ersten Hohlraum für ein erstes Mittel begrenzt und in der Durchgangsoffnungen angeordnet sind, welche Durchgangsoffnungen einerseits in den Hohlraum und andererseits in den Heißgasraum münden sowie mit zumindest einem zweiten Hohlraum zum Zumischen eines ein zweiten Mittels, der mit den Durchgangöffnungen in Strδmungs- verbindung steht. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkammer sowie eine Gasturbine.
Brennkammerwände sowie auch Gasturbinenschaufeln sind beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Gasturbine einer hohen physikalischen Beanspruchung ausgesetzt. Um die Brennkammer sowie die Schaufel gegen die hohe Beanspruchung beständiger zu machen, sind diese Bauteile mit einer Kühlung versehen. Sofern Luft als Kühlmittel verwendet wird, wird diese aus einem der Brennkammer vorgeschalteten Verdichter mit Diffusor entnommen und geht dem Verbrennungsprozess verloren. Als Folge steigen Flammentemperaturen sowie NOx-Emissionen an.
Die Wand einer Brennkammer wird entweder offen oder geschlossen gekühlt. Die offene Kühlung ist dabei als konvektive Kühlung, Filmkühlung oder auch als Prallkühlung mit einem Kühl- luftauslass in den Verbrennungsraum ausgebildet. Die geschlossene Kühlung erfordert einen höheren konstruktiven Aufwand und führt zu einem erhöhten Druckverlust aufgrund der Kühlluftführung und der Kühlung selbst.
Um den negativen Effekt, den die Kühlluftentnähme verursacht, zu reduzieren, ist es bekannt Brennstoff zuzugeben. Im Stand der Technik ist dies als Kühlluftnachheizung oder im weiteren Sinne auch als gestufte Verbrennung bekannt.
Hierzu zeigt die US 5,125,793 eine Turbinenschaufel einer Gasturbine mit einer einen Hohlraum umschließenden doppelwan- digen Außenwand. In der doppelwandigen Außenwand ist ein Strömungskanal für Luft angeordnet . Im Hohlraum strömt ein flüssiger Brennstoff, welcher durch Durchgangöffnungen in den in der Doppelwand befindlichen Strömungskanal eingedüst wird und der dort auf einen Katalysator trifft. Durch den Katalysator zerlegt sich der Brennstoff endothermisch in zumindest ein brennbares Gas, was die Schaufel kühlt. Die Luft transportiert die Gase zum einem Auslass, von dem aus das Gemisch in die Turbine einströmen und dort verbrennen kann.
Ferner ist aus der US 6,192,688 eine Brennkammer einer Gasturbine mit mehreren hohlen freistehenden Speichen bekannt, in deren Hohlraum ein Brennstoff geführt wird. Der Hohlraum ist durch Öffnungen mit dem Verbrennungsraum verbunden. In einem in der Außenwand der Speichen angeordneten Versorgungs- kanal wird zusätzlich Luft zu den Öffnungen geführt, um in Verbindung mit dem Brennstoff ein brennbares Gemisch zu erhalten, welches in die Brennkammer zur NOx-Reduzierung während des Betriebs der Gasturbine eingespeist wird.
Nachteilig an den bekannten Konzepten ist, dass zur Vermischung von Kühlluft und Brennstoff ein Volumen bereitzustellen ist, indem sich die Reaktionspartner durch Selbstzündung oder Flammenrückschlag in den Bauteilen entzünden können. Hierdurch bilden sich unter Umständen stabile Verbrennungs- Vorgänge aus, so dass die Kühlwirkung des Brennstoff- Luftgemisches verloren geht bzw. das Bauteil durch die intern auftretende Verbrennung Schaden nehmen kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil für eine Gasturbine, eine Brennkammer sowie eine Gasturbine anzugeben, mit denen die oben beschriebenen Nachteile reduziert werden können. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Lösung sieht vor, dass eine getrennte Führung von Kühlmittel und Brennstoff in getrennten Kanälen erfolgt . Die Vermischung dieser beiden Mittel zu einem brennbaren Gemisch geschieht daher erst kurz vor der Ausblasung in das Heißgas . Somit wird verhindert, dass das brennbare Gemisch in den Bauteilen selber, also außerhalb des Strömungskanals und/oder außerhalb der Brennkammer, sich durch Flammenrückschlag oder Selbstentzündung entzündet.
Dies wird erreicht, indem der zweite Hohlraum durch in der Außenwand vorgesehenen Versorgungskanäle gebildet wird, die über Querkanäle mit den als Durchgangbohrung ausgebildeten Durchgangsoffnungen in Verbindung stehen, so dass die beiden Mittel erst innerhalb der Durchgangsbohrungen vermischbar sind.
Mit der Erfindung wird ferner eine Brennkammer für eine Gasturbine mit einem Wandelement vorgeschlagen, welches eine dementsprechende Anordnung aufweist.
Von der doppelwandigen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung wendet sich die Erfindung ab. Dadurch kann der bisher zwischen der Doppelwand gebildete zweite Hohlraum als Versorgungskanal in die Außenwand eingebettet werden, welcher über separate Querkanäle mit den Durchgangsoffnungen verbunden wird. Hierdurch wird erstmals somit eine Möglichkeit geschaffen, ein Mischvolumen im Bauteil im wesentlichen vollständig zu vermeiden, wodurch Flammenrückschlag und Selbst- .zündung im Bauteil weitgehend vermieden werden können. Ferner kann mit einem als Wandelement einer Brennkammer ausgebildeten Bauteil eine Flammentemperaturerhöhung bei einer offenen Kühlung reduziert werden, da die Kühlluft nunmehr ohne die oben beschriebenen Nachteile mit Brennstoff angereichert werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher, dass der Kühlluftstrom ohne negative Auswirkungen auf die Verbrennung angehoben werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung kann ferner erreicht werden, dass die Flammenakustik beeinflusst, insbesondere verstimmt, werden kann. Die Durchgangsδffnung kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, dass die Kühlluft in den Brennraum der Brennkammer strömt . Über den in der Außenwand des Bauteils vorgesehenen Versorgungskanal kann Brennstoff zugeführt werden, der sich beim Einströmen in die Durchgangsöffnung mit der Kühlluft mischt und so ein brennbares Gemisch bildet . Ein Flammenrückschlag wird insofern vermieden, als dass vor der Mündung des Querkanals in der Durchgangsδffnung kein zündfähiges Gemisch in einem der Versorgungskanäle oder in den Hohlräumen vorliegt. Somit können die oben genannten unerwünschten, teilweise gefährlichen, Zustände vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, die Außenwand eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen, eine Vielzahl von zwischen den Bohrungen verlaufenden Versorgungskanälen und eine Vielzahl von die Versorgungskanälen mit den Durchgangsbohrungen vernetzenden weiteren Querkanälen aufweist. Durch die netzartige Struktur der Kanäle und Bohrungen kann eine Vergleichmäßigung des in die Brennkammer strömenden Gemisches aus Brennstoff und Kühlluft erreicht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Bauteil gleichmäßiger zu kühlen, so dass lokale Überhitzungen vermieden werden können.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Bauteil wenigstens zwei miteinander verbindbare Schichten aufweist. So kann beispielsweise eine Schicht den Kanal aufweisen, während eine zweite Schicht brennkammerseitig aus einem besonders widerstandsfähigem Werkstoff gebildet ist . Eine hohe Belastbarkeit des Bauteils kann erreicht werden. Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Kanal in wenigstens einer Schichtoberfläche einer der Schichten verbindungsseitig eingebracht ist. Der Kanal kann auf diese Weise durch Fräsen oder ähnliche Werkstoff abtragende Verfahren in die Oberfläche einer Schicht eingebracht werden, wobei durch Zusammensetzen der benachbarten Schichten geschlossene Kanäle gebildet werden. Der Kanal kann hierdurch mittels bekannter sowie auch kostengünstiger Verfahren in das Bauteil eingebracht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Hohlraum mit einer ersten Fluidquelle und der Versorgungskanal mit einer zweiten Fluidquelle verbindbar ist. Beide Fluide, d.h. Mittel, können zur Kühlung der Schaufel so verwendet werden, dass die zur Kühlung erforderliche Luftmenge reduziert wird. Eine größere Luftmenge steht dem Verbrennungsprozess zur Verfügung, so dass hohe Flammentemperaturen sowie NOχ-Emission reduziert werden können. Der Schaufel liegt grundsätzlich dasselbe Prinzip wie für das Wandelement der Brennkammer zu Grunde. Auch hier existiert im Wesentlichen kein Mischvolumen, so dass Flammenrückschlag und Selbstzündung weitgehend vermieden werden. Die Zuverlässigkeit der Gasturbine in Bezug auf defekte Schaufeln kann erhöht werden. Wie auch bei der Brennkammer kann der Kühlluft- ström ohne negative Auswirkungen auf die Verbrennung erhöht werden sowie die Flammenakustik verstimmt werden.
Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass einer der beiden Fluidquellen eine Oxidationsmittelquelle und die andere Fluidquelle eine Brennstoffquelle ist. Vorteilhaft kann erreicht werden, dass ein zündfähiges Gemisch erst im Bereich der Mündung der Durchgangsδffnung in den Strömungskanal der Gasturbine entsteht, wenn die Mündung der Kanäle hinreichend nahe der Mündung der Durchgangsöffnung im Strömungskanal angeordnet ist . Die Erfindung schlägt auch eine Gasturbine vor, wobei die Gasturbine eine erfindungsgemäße Brennkammer auf eist . Die negativen Auswirkungen, wie sie oben beschrieben sind, können durch Zuführung von Brennstoff weitgehend reduziert werden, wobei die erfindungsgemäße Brennkammer einen sicheren Betrieb hinsichtlich Selbstzündung und Flammenrückschlag ermöglicht. Ferner kann vorteilhaft auf die Flammenakustik Einfluss genommen werden, um hierdurch bedingte Beanspruchungen und Verschleiß zu reduzieren.
Die Erfindung schlägt darüber hinaus eine Gasturbine mit einem als Schaufel ausgebildeten Bauteil vor. Die Kühlwirkung für die Schaufel der Turbineneinheit, welche als feststehende Leitschaufel sowie auch als rotierende Laufschaufei ausgebildet sein kann, kann durch Erhöhung der Kühlluftströmung verbessert werden, wobei die negativen Auswirkungen auf die Verbrennung weitgehend vermieden werden können. Auch mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung lässt sich ein Einfluss auf das Verstimmen der Flammenakustik ausüben. Verschleißerscheinungen können weiter reduziert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Im Wesentlichen gleichbleibende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner wird bezüglich gleicher Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 verwiesen.
Es zeigen:
Fig. 1: einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Wandelement für eine Brennkammer,
Fig. 2: einen Schnitt durch das Wandelement in Fig. 1 entlang einer Linie I-I, Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Systems von Kanälen in einem Wandelement gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Schaufel in einem Strömungskanal einer Gasturbine und
Fig. 5: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Schaufel.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes als Wandelement 2 ausgebildetes Bauteil mit einer Vielzahl von Durchgangsoffnungen 3 durch die Kühlluft in die Brennkammer eintreten kann. Das Wandelement 2 weist ferner Querkanäle 4 auf, die mit einem Ende jeweils in eine Durchgangsöffnung 3 münden. Über Verbindungskanäle 9 ist ein fluider Brennstoff zuführbar, der über die Querkanäle 4 zu den Durchgangsoffnungen 3 geführt wird und dort in die Strömung der Kühlluft eingeleitet wird. Fig. 2 verdeutlicht dieses System von Kanälen für die Brennstoffzufuhr. Das Wandelement 2 weist zwei miteinander verbindbare Schichten 6, 7 auf. In der verbindungs- seitigen Schichtoberfläche der Schicht 6 ist das Kanalsystem durch Fräsen eingebracht . Durch die Verbindung der Schichten 6 und 7 werden geschlossene Kanäle 4 und 9 gebildet .
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche der Schicht 6 des Wandelements 2 in dem die Kanäle 4 und 9 eingebracht sind. Der Verbindungskanal 9 ist einstückig mit dem Wandelement ausgebildet .
In der vorliegenden Ausgestaltung ist die Brennkammer aus einer Vielzahl von Wandelementen 2 modular aufgebaut. Das Wandelement 2 kann vorteilhaft auch als Hitzeschild, Liner und dergleichen verwendet werden.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einem Strömungskanal einer Gasturbine schematisch dargestellt, indem eine Schaufel 10 angeordnet ist. In den als Strömungskanal 11 ausgebildeten Heißgasraum 21 münden Durchgangsoffnungen 12, wobei in deren Mündungsbereich Einmündungen von Querkanälen 13 schematisch angedeutet sind.
Einen Schnitt durch eine solche Schaufel 10 zeigt Fig. 5. In dieser Ausgestaltung umschließt eine Schaufelwand 14 einen Hohlraum 15, wobei die Schaufelwand 17 mit Durchgangsoffnungen 12 versehen ist. Über den Hohlraum 15 ist Kühlluft zuführbar, die durch die Durchgangsoffnungen 12 in den Strömungskanal 11 austritt. Die Schaufelwand 14 ist ferner mit einem System aus Versorgungskanälen 13 versehen, die über Querkanäle 4 jeweils mit den Durchgangsoffnungen 12 verbunden sind. Die Versorgungskanäle 13 sind mit einer fluiden Brennstoffquelle in strδ ungstechnischer Verbindung. In dieser Ausgestaltung ist die Schaufel 14 zweischichtig aufgebaut, bestehend aus einer äußeren Schicht 16 sowie einer den Hohlraum 15 bildenden inneren Schicht 17. Die innere Schicht 17 weist auf ihrer der Schicht 16 zugewandten Seite durch Fräsen eingebrachte Ausnehmungen auf, die das Kanalsystem mit den Versorgungskanälen 13 bilden.
Erfindungsgemäß wird Luft als Kühlluft für die Schaufel 10 über Durchgangsoffnungen 12 als Oxidatiσnsmittel in den Strömungskanal 11 geführt. An der Einmündung des Querkanals 13 wird der fluide Brennstoff in die Durchgangsoffnungen 12 der Schaufelwand 14 eingeleitet, so dass ein zündfähiges Gemisch entsteht .
Hinsichtlich des Wandelements 2 der Brennkammer wird Luft als Kühlmittel und Oxidationsmittel durch die Durchgangsöffnung 3 des Wandelements 2 in die Brennkammer geführt. Zugleich wird in die Kühlluftströmung im Bereich der Kanalmündung 5 des Querkanals 4 ein fluider Brennstoff in die Kühlluft eingeführt, so dass ebenfalls ein zündfähiges Gemisch entsteht.
Aus dem Vorliegenden ergibt sich, dass das zündfähige Gemisch erst im Bereich der Mündung der Durchgangsoffnungen 3, 12 in die Brennkammer bzw. den Strömungskanal 11 der Gasturbine entsteht. Auf diese Weise wird ein Flammenrückschlag in das jeweilige KanalSystem hinein mit den hierdurch verursachten Schäden verhindert. Durch gezielte Variation der Brennstoff- zufuhr kann darüber hinaus die Flammenakustik beeinflusst werden. Dies wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf den Ver- schleiss und die Zuverlässigkeit der Gasturbine aus.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. So können insbesondere die Zahl und Anordnung der Kanäle und Durchgangsof nungen sowie auch die Verfahren zur Herstellung variiert werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Auch eine Verwendung anderer Fluide als Luft wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid oder auch flüssige Stoffe kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein. Insbesondere ist auch eine Kombination eines bereits vorhanden Kühlsystems mit der vorliegenden Erfindung umfasst .

Claims

Patentansprüche
1. Offen gekühltes Bauteil für eine Gasturbine, mit einer heißgasbeaufschlagten Außenwand (20) , welche zumindest teilweise einen ersten Hohlraum (15) für ein erstes Mittel begrenzt und in der Durchgangsoffnungen (3, 12) angeordnet sind, welche Durchgangsoffnungen (3, 12) einerseits in den Hohlraum (15) und andererseits in den Heißgasraum (21) münden sowie mit zumindest einem zweiten Hohlraum zum Zumischen eines ein zweiten Mittels, der mit den Durchgangöffnungen (3, 12) in Strömungsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hohlraum durch in der Außenwand vorgesehenen (20) Versorgungskanäle (9, 13) gebildet wird, die über Querkanäle (4) mit den als Durchgangbohrung ausgebildeten Durchgangsoffnungen (3, 12) in Verbindung stehen, so dass die beiden Mittel erst innerhalb der Durchgangsbohrungen vermischbar sind.
2 . Bauteil nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n z e i c h n e t , dass die Außenwand (20) eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen, eine Vielzahl von zwischen den Bohrungen verlaufenden Versorgungskanälen (9, 13) und eine Vielzahl von die Versorgungskanälen (9, 13) mit den Durchgangsbohrungen vernetzenden weiteren Querkanälen (4) aufweist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (2) wenigstens zwei miteinander verbindbare Schichten (6, 7, 16, 17) auf eist.
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch geke nzeichnet, dass die Kanäle (4, 9, 13) zwischen den beiden Schichten (6, 7) in wenigstens einer Schichtoberfläche (6) einge- bracht ist .
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlraum (15) mit einer ersten Fluidquelle und die Versorgungskanäle (9, 13) mit einer zweiten Fluidquelle verbindbar ist.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Fluidquellen eine Oxidati- ons ittelquelle und die andere Fluidquelle eine Brennstoffquelle ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Wandelement (2) einer Brennkammer oder eine Schaufel (10) einer Gasturbine ist.
8. Brennkammer für eine Gasturbine mit einem als Wandelement (2) ausgebildeten Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Gasturbine mit einer Brennkammer nach Anspruch 8.
10.Gasturbine mit einem als Schaufel ausgebildetem Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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