DE69933092T2

DE69933092T2 - Überschlagrohr für Gasturbinenbrennkammern

Info

Publication number: DE69933092T2
Application number: DE69933092T
Authority: DE
Inventors: Theodori Ishaq Mina
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1998-07-11
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: GB2339468B; GB9814975D0; DE69933092D1; EP0972993B1; JP2000039149A; GB2339468A; EA199900537A3; EP0972993A3; EP0972993A2; EA199900537A2; EA002319B1; JP4447077B2; US6220015B1; ES2270565T3

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Gasturbinenmotorenverbrennungssysteme und insbesondere Verbrennungssysteme, in denen Verbrennungskammern für Zündzwecke durch Überschlagrohre miteinander verbunden sind.
Allgemeiner Stand der Technik
Bei einem typischen industriellen Gasturbinenmotor sind mehrere Verbrennungsräume (im Folgenden als Brennkammern bezeichnet) um den Motor herum parallel angeordnet, um den Druckluftstrom von der Verdichterstufe als Oxidationsmittel für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff, der darin verbrannt wird, aufzunehmen. Zum Beispiel können sechs bis acht Brennkammern im gleichen Winkel um die Mittellinie des Motors in einem gegebenen radialen Abstand davon vorgesehen sein. Um das Erfordernis von Zündvorrichtungen zur Einleitung von Verbrennung in jeder Brennkammer bei Inbetriebnahme zu vermeiden, ist es gebräuchlich geworden, die Brennkammern mit Rohren, so genannten Überschlagrohren, zu verbinden, die dazu ausgeführt sind, eine Flamme von einer gezündeten Brennkammer zu einer anderen Brennkammer weiterzuleiten. Ein bei dieser Art von Anordnung aufgetretenes Problem besteht darin, dass die Überschlagrohre oder die Brennkammern durch den Strom heißer Gase bei normalem Betrieb nach der Inbetriebnahme beschädigt werden. Eine Art und Weise, dieses Problem zu lindern, wird in der eigenen europäischen Patentschrift Nr. 0 503 018 offenbart und beansprucht. Bei dieser Anordnung wird Luft so in das Überschlagrohr eingeführt, dass sie dazu gezwungen wird, über die Innenfläche des Überschlagrohrs neben seiner Verbindung mit der Brennkammer zu strömen, wodurch das Überschlagrohr gekühlt wird, ohne die Querzündungsleistung zu beeinträchtigen, und so seine Betriebslebensdauer verlängert wird.
Obgleich sich diese Anordnung als große Verbesserung gegenüber früheren Überschlagrohrausführungen erwiesen hat, hat sich in der Praxis herausgestellt, dass eine Möglichkeit der Überhitzung der Brennkammerwand neben der Stelle, an der das Überschlagrohr darin eintritt, verbleibt.
Die US-A-5 001 896 offenbart eine Überschlagrohranordnung zur Verbindung von Brennkammern, bei der ein doppelwandiges Überschlagrohr verwendet wird, wobei die Außenwand perforiert ist, um Kühlluft in den Raum zwischen den Wänden einzulassen, und wobei die Innenwand auch mit Öffnungen versehen ist, um einen Teil der Luft in den Gasstrom im Überschlagrohr zu entlüften. Die Außenwand passt in einen ringförmigen Flansch, der durch die Brennkammerwand und in die Brennkammer hinein ragt, während die Innenwand des Überschlagrohrs über seine Außenwand in den Flansch ragt. Obgleich diese Anordnung das Kühlen des Rohrs verbessert, besteht immer noch ein Problem mit lokalisierter Erhitzung des nach innen gerichteten Flansches sowie der ihn umgebenden Brennkammerwand und der Innenwand des Verbindungsrohrs, wo sie in den Flansch ragt. Unter extremen Bedingungen könnte diese lokalisierte Erwärmung zu einem Versagen dieser Komponenten führen, was dazu führt, dass Metallfragmente in die Turbine geschleudert werden, was möglicherweise wiederum zu ihrem Versagen führt. Obgleich das Risiko solch eines größeren Versagens sehr gering ist, ist die Wahrscheinlichkeit eines frühen Versagens der Brennkammer durch Überhitzung um den Flansch herum wesentlich größer.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, diese Probleme zu vermeiden und deshalb die Lebenserwartung des Verbrennungssystems zu vergrößern.
Kurze Darstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Gasturbinenmotorverbrennungssystem bereitgestellt, bei dem benachbarte Brennkammern durch eine Überschlagrohranordnung verbunden sind, die dazu ausge führt ist, eine Zündflamme von einer gezündeten Brennkammer zu einer anderen Brennkammer weiterzuleiten, wobei jede Überschlagrohranordnung ein Einlassmittel zur Einleitung von Luft zur Filmkühlung einer inneren zur Zündflamme weisenden Fläche der Überschlagrohranordnung umfasst, gekennzeichnet durch ein Kühlmittel, das die Überschlagrohranordnung an ihrer Verbindung mit einer Brennkammer umgibt und zur Filmkühlung einer Außenfläche der Überschlagrohranordnung ausgeführt ist, wodurch eine Filmkühlung sowohl über die Innen- als auch die Außenfläche der Überschlagrohranordnung erzeugt wird.
Des Weiteren wird gemäß der Erfindung ein Gasturbinenmotorverbrennungssystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: mehrere Brennkammern,
eine Überschlagrohranordnung zum Weiterleiten einer Zündflamme zwischen benachbarten Brennkammern, wobei jede Überschlagrohranordnung ein Endrohr zum Leiten der Zündflamme in eine und aus einer Brennkammer enthält und das Endrohr eine Innen- und eine Außenfläche aufweist, und
Mittel zum Führen von Kühlluft in die Überschlagrohranordnung zur Filmkühlung der Innenfläche des Endrohrs,
dadurch gekennzeichnet, dass das Endrohr durch eine Hülse mit der Brennkammer verbunden ist, wobei sich die Hülse von einer Wand der Brennkammer so erstreckt, dass sie das Endrohr über einen Teil seiner Länge neben der Brennkammer umgibt und überlappt, wodurch zwischen der Außenfläche des Endrohrs und einer Innenfläche der Hülse ein ringförmiger Spalt definiert wird, wobei die Hülse ein Einlassmittel zur Einleitung von Kühlluft in den ringförmigen Spalt zur Filmkühlung sowohl der Außenfläche des Endrohrs neben der Brennkammerwand als auch der Innenfläche der Hülse enthält.
Vorzugsweise ist die Hülse mit mehreren Öffnungen um sie herum neben einer Stelle versehen, an der die Hülse mit dem Endrohr verbunden ist, so dass Luft zur Filmkühlung der Außenfläche des Endrohrs zugeführt wird.
Vorzugsweise ist jedes Endrohr so angeordnet, dass es sich nicht über die Hülse hinaus in das Innere der Brennkammer erstreckt. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Überlappung zwischen der Hülse und dem Endrohr nicht über die gesamte Längserstreckung der Hülse, wodurch sich zwischen einer Innenfläche der Brennkammerwand und dem Endrohr ein Spalt befindet. Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Leistung erhalten wird, wenn der sich in Längsrichtung erstreckende Spalt, wie zwischen dem Endrohr und einer Innenfläche der Brennkammerwand gemessen, ca. doppelt so groß ist wie der ringförmige Spalt zwischen der Innenfläche der Hülse und der Außenfläche des Endrohrs.
Des Weiteren ist die Hülse vorzugsweise so angeordnet, dass sie nicht in die Brennkammer ragt, wodurch Kühlluft aus der Hülse über eine Innenfläche der Brennkammerwand, die die Hülse umgibt, austritt.
Vorzugweise umfasst die Überschlagrohranordnung eine Anordnung der in der EP-0 503 018 offenbarten Art, bei der eine sich zwischen der ersten und der zweiten Brennkammer erstreckende vollständige Überschlagrohranordnung einen mittleren Überschlagrohrteil und ein erstes und ein zweites Endrohr umfasst, die sich von der ersten bzw. der zweiten Brennkammer erstrecken, wobei ein erstes Ende des mittleren Überschlagrohrteils in das erste Endrohr geschweißt und ein zweites Ende des mittleren Überschlagrohrteils durch Schiebepassung in dem zweiten Endrohr angeordnet ist, wobei Kühlluft in einen zwischen einer Außenfläche des mittleren Überschlagrohrteils und einer Innenfläche jedes Endrohrs gebildeten Luftspalt geleitet wird, um die Enden des mittleren Überschlagrohrteils und die Innenflächen der Endrohre filmzukühlen.
Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung eine Gasturbine, die das obige Verbrennungssystem enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 reproduziert 2 der EP-A-0 503 018 als Stand der Technik, und
2 stellt in schematischem Querschnitt eine Hälfte einer Überschlagrohranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Schnittansicht eines Gasturbinenverbrennungsystems gemäß der Erfindung der EP 0 503 018 . Eine Überschlagrohranordnung erstreckt sich zwischen benachbarten Brennkammerwänden 11 und 12 und umfasst einen mittleren Überschlagrohrteil 16, der an seinem linken Ende in ein sich von der Brennkammerwand 11 erstreckendes Endrohr 15 geschweißt und an seinem rechten Ende durch Schiebepassung in einem sich von einer benachbarten Brennkammerwand 12 erstreckenden Endrohr 17 angeordnet ist. Kühlluft 18 wird durch Löcher 19 in einen ringförmigen Spalt oder Kanal 13 geleitet, der zwischen der Außenfläche an jedem Ende des mittleren Überschlagrohrteils 16 und der Innenfläche eines aufgeweiteten Teils 22 jedes Endrohrs ausgebildet ist, um die Enden 20 des mittleren Überschlagrohrteils 16 und die Innenflächen der Endrohre 15, 17 filmzukühlen. Für weitere Details dieser vorbekannten Erfindung wird auf die veröffentlichte Schrift verwiesen, auf die hiermit Bezug genommen wird.
2 zeigt die Hälfte einer Überschlagrohranordnung auf einer Seite einer Brennkammer 100, die sich von der Brennkammerwand 101 zu einer (nicht gezeigten) benachbarten Brennkammer erstreckt. Aus 1 geht hervor, dass jede Brennkammer auf einer Seite eine Steckteilanordnung und auf der gegenüberliegenden Seite eine Aufnahmeteilanordnung aufweist, wobei die beiden Teilanordnungen zusammenpassen, um die vollständige Anordnung zu bilden. Das mittlere Rohr 102 wird nur zum Teil gezeigt; wobei seine Verbindung mit der nächsten Teilanordnung im Wesentlichen die gleiche ist wie in der EP-0 503 018.
Das mittlere Rohr 102 ist in einen auf geweiteten Teil 103 eines Endrohrs 104 geschweißt. Öffnungen 105 um den aufgeweiteten Teil herum neben der Schweißstelle lassen einen Kühlluftstrom 106 ein. Eine zwischen dem auf geweiteten Teil 103 und dem freien Ende des mittleren Rohrs 102 ausgebildete ringförmige Düse leitet den Strom 106 entlang der Innenfläche des Endrohrs 104 zur Kühlung der Fläche und schützt sie im Gebrauch vor der vollen Heizwirkung der Flamme im Rohr. Ein äußeres Kühlmittelrohr ist als eine Buchse oder Hülse 107 ausgebildet, in die das Endrohr 104 so geschweißt ist, dass an der Überlappung zwischen der Innenfläche der Hülse 107 und der Außenfläche des Endrohrs 104 ein ringförmiger Spaltraum 112 vorliegt. Die äußere Kühlhülse 107 ist durch Schweißen an der Wand 101 der Brennkammer 100, um eine integrale Verlängerung der Brennkammerwand zu werden, oder mittels eines verschraubten Flansches oder irgendeines anderen geeigneten Befestigungsmittels befestigt.
Mehrere Einlasslöcher 108 sind um die geschweißte Verbindung zwischen der Außenhülse 107 und dem Endrohr 104 herum und daneben ausgebildet, um Kühlluft 109 in den ringförmigen Spaltraum 112 zwischen ihnen einzulassen. Die Kühlluft 109 strömt über die Außenfläche des Endrohrs 104, wodurch sie gekühlt wird, und tritt in die Brennkammer 100 ein, um über die Innenfläche der Brennkammerwand 101 nach innen zu strömen, wodurch an der Verbindung zwischen der Brennkammerwand und der äußeren Kühlmittelhülse 107 sowie am Ende 114 des Endrohrs 104 eine Kühlwirkung erzeugt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Überlappung zwischen der Hülse und dem Endrohr nicht über die gesamte Längserstreckung der Hülse erstreckt, wobei sich das Ende 114 des Endrohrs in einem Abstand D von der Innenfläche der Brennkammer wand 101 nach außen befindet. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Spaltabstand D vorzugsweise ungefähr doppelt so groß ist wie der ringförmige Spaltabstand G zwischen der Innenfläche der Hülse 107 und der Außenfläche des Endrohrs 104. Dadurch wird vermieden, dass das Ende 114 des Endrohrs 104 der ganzen Hitze des Verbrennungsprozesses im Inneren der Brennkammer 100 ausgesetzt wird.
Des Weiteren ist eine die Überschlagrohranordnung bei Inbetriebnahme durchquerende Zündflamme 110 zum Zünden der nächsten Brennkammer durch einen inneren Kühlluftfilm, der das Passieren der Flamme nicht behindert, von der zur Zündflamme weisenden Fläche des Metallendrohrs getrennt. Der Kühlstrom verläuft immer zur Brennkammer und somit zu den Bereichen mit der höchsten Temperatur. Infolgedessen wird die Temperatur der Verbindungsüberschlagrohranordnung verringert und ihre Lebensdauer somit verlängert, und die Gefahr einer Hitzebeschädigung des Endes der Überschlagrohranordnung am nächsten zur Brennkammer wird wesentlich verringert.

Claims

Gasturbinenmotorverbrennungssystem, bei dem benachbarte Brennkammern durch eine Überschlagrohranordnung verbunden sind, die dazu ausgeführt ist, eine Zündflamme (110) von einer gezündeten Brennkammer zu einer anderen Brennkammer weiterzuleiten, wobei jede Überschlagrohranordnung ein Einlassmittel (105) zur Einleitung von Luft (106) zur Filmkühlung einer inneren zur Zündflamme weisenden Fläche der Überschlagrohranordnung umfasst, gekennzeichnet durch ein Kühlmittel (107), das die Überschlagrohranordnung an ihrer Verbindung mit einer Brennkammer (100) umgibt und zur Filmkühlung einer Außenfläche der Überschlagrohranordnung ausgeführt ist, wodurch eine Filmkühlung sowohl über die Innen- als auch die Außenfläche der Überschlagrohranordnung erzeugt wird.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach Anspruch 1, bei dem – die Überschlagrohranordnung ein Endrohr (104) zum Leiten der Zündflamme in eine und aus einer Brennkammer (100) enthält, wobei das Endrohr (104) eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist, – die Überschlagrohranordnung weiterhin Mittel (103, 105) zum Führen von Kühlluft (106) in die Überschlagrohranordnung zur Filmkühlung der Innenfläche des Endrohrs (104) enthält, – das Endrohr (104) durch eine Hülse (107) mit der Brennkammer verbunden ist, wobei sich die Hülse von einer Wand (101) der Brennkammer (100) so erstreckt, dass sie das Endrohr (104) über einen Teil seiner Länge neben der Brennkammer umgibt und überlappt, wodurch zwischen der Außenfläche des Endrohrs (104) und der Innenfläche der Hülse (107) ein ringförmiger Spalt (G) definiert wird, – das Kühlmittel die Hülse (107) und ein Einlassmittel (108) zur Einleitung von Kühlluft (109) in den ringförmigen Spalt (G) zur Filmkühlung sowohl der Außenfläche des Endrohrs (104) neben der Brennkammerwand (101) als auch der Innenfläche der Hülse (107) enthält.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Hülse (107) mit mehreren Öffnungen (108) um sie herum neben einer Stelle versehen ist, an der die Hülse mit dem Endrohr (104) verbunden ist, so dass Luft (109) zur Filmkühlung der Außenfläche des Endrohrs zugeführt wird.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Endrohr (104) so angeordnet ist, dass es sich nicht über die Hülse (107) hinaus in das Innere der Brennkammer (100) erstreckt.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach Anspruch 2, bei dem sich die Überlappung zwischen der Hülse und dem Endrohr nicht über die gesamte Längserstreckung der Hülse erstreckt, wodurch sich zwischen einer Innenfläche der Brennkammerwand (101) und dem Endrohr (104) ein Spalt (D) befindet.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach Anspruch 5, bei dem der Spalt (D), wie zwischen dem Endrohr (104) und einer Innenfläche der Brennkammerwand (101) gemessen, ca. doppelt so groß ist wie der ringförmige Spalt (G) zwischen der Innenfläche der Hülse und der Außenfläche des Endrohrs.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Hülse (107) so angeordnet ist, dass Kühlluft aus der Hülse über eine Innenfläche der Brennkammerwand (101), die die Hülse umgibt, austritt.
Gasturbinenmotorverbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine sich zwischen der ersten und der zweiten Brennkammer erstreckende vollständige Überschlagrohranordnung einen mittleren Überschlagrohrteil (102) und ein erstes und ein zweites Endrohr (104) umfasst, die sich von der ersten bzw. der zweiten Brennkammer erstrecken, wobei ein erstes Ende des mittleren Überschlagrohrteils in das erste Endrohr geschweißt und ein zweites Ende des mittleren Überschlagrohrteils durch Schiebepassung in dem zweiten Endrohr angeordnet ist, wobei Kühlluft (106) in einen zwischen einer Außenfläche des mittleren Überschlagrohrteils (104) und einer Innenfläche jedes Endrohrs (104) gebildeten Luftspalt geleitet wird, um die Enden des mittleren Überschlagrohrteils und die Innenflächen der Endrohre filmzukühlen.
Gasturbinenmotor mit einem Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.