CH633351A5

CH633351A5 - RESISTANT SEALING OF A RING COMBUSTION CHAMBER FOR A GAS TURBINE.

Info

Publication number: CH633351A5
Application number: CH1152278A
Authority: CH
Inventors: Ferdinand Zerlauth
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1982-11-30
Also published as: JPS5566625A; GB2035474A; DE2849665A1; FR2441060A1; AT358336B; ATA817778A; SE7909227L

Description

Die Erfindung betrifft eine Abdichtung einer Ringbrennkammer für eine Gasturbine gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to a seal of an annular combustion chamber for a gas turbine according to the preamble of claim 1.

Wird eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine relativ zu anderen Maschinenteilen im Bereich ihrer Brenner fixiert, so erfährt ihr stromabwärtiges Ende infolge der herrschenden grossen Materialtemperatur-Unterschiede der angrenzenden Bauteile gegenüber diesen sowohl beim Anfahren und Abstellen als auch während des stationären Betriebs der Gasturbine erhebliche Relativverschiebungen. Weiterhin ist es erforderlich, ein unkontrolliertes Einströmen der aussehalb der Brennkammer strömenden Kühlluft, die gegenüber den Verbrennungsgasen einen erhöhten Druck aufweist, in den Strömungskanal der Verbrennungsgase zwischen Brennkammerende und Turbineneintritt zu vermeiden. If an annular combustion chamber for a gas turbine is fixed relative to other machine parts in the area of its burners, its downstream end experiences considerable relative displacements due to the large material temperature differences of the adjacent components compared to these when starting and stopping as well as during the stationary operation of the gas turbine. Furthermore, it is necessary to avoid an uncontrolled inflow of the cooling air flowing outside the combustion chamber, which has an increased pressure compared to the combustion gases, into the flow channel of the combustion gases between the end of the combustion chamber and the turbine inlet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abdichtung zwischen dem Brennkammerende bzw. dem Strömungsweg der Verbrennungsgase auf der einen Seite und dem mit Kühlluft gefüllten, die Brennkammer umgebenden Aussenraum auf der anderen Seite zu schaffen, die den erheblichen Relativverschiebungen der sich unterschiedlich rasch und unterschiedlich stark ausdehnenden Maschinenteile zu folgen vermag. The object of the invention is therefore to provide a seal between the end of the combustion chamber or the flow path of the combustion gases on the one hand and the outside space filled with cooling air surrounding the combustion chamber on the other, which has the considerable relative displacements of different speeds and strengths expanding machine parts is able to follow.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die, wegen der erforderlichen mechanischen Festigkeiten, beispielsweise aus einem hochlegierten Stahlblech bestehenden Ringmembranen sollten senkrecht zu ihrer Fläche in einem solchen Masse elastisch verformbar sein, dass sie einerseits den Dehnungen und Kontraktionen des inneren und des äusseren Ringmantels der Brennkammer bzw. der damit verbundenen Mantelrohre folgen und dabei andererseits dauernd auf dem stumpfen Ende der Mantelrohre als Dichtelement aufliegen. Sie können dabei entweder frei beweglich gehalten oder einseitig eingespannt sein. This object is achieved according to the invention with the features mentioned in claim 1. The ring membranes, consisting of a high-alloy steel sheet, for example, due to the required mechanical strength, should be elastically deformable perpendicular to their surface to such an extent that on the one hand they follow the expansions and contractions of the inner and outer ring jacket of the combustion chamber or the associated casing pipes and on the other hand constantly rest on the blunt end of the casing tubes as a sealing element. They can either be kept freely movable or clamped on one side.

Weiter ist es für eine gleichmässige Temperaturverteilung sowohl in Umfangsrichtung als auch über eine radiale Ausdehnung vorteilhaft, wenn die Ringmembranen allseitig von Kühlluft umflossen sind. Furthermore, for a uniform temperature distribution both in the circumferential direction and over a radial extent, it is advantageous if the ring membranes are surrounded by cooling air on all sides.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing.

Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt einen oberhalb der horizontal verlaufenden Maschinenachse gelegenen Ausschnitt aus einer Gasturbinenanordnung, der die Lage der Ringbrennkammer relativ zu den sie umgebenden Maschinenteilen wiedergibt; 1 shows, partly in section, a section of a gas turbine arrangement located above the horizontally running machine axis, which shows the position of the annular combustion chamber relative to the machine parts surrounding it;

Fig. 2 ist in grösserem Massstab ein Detail aus Fig. 1, das auf den die erfindungsgemässen Ringmembranen enthaltenden Bereich beschränkt ist; in FIG. 2 is, on a larger scale, a detail from FIG. 1, which is limited to the area containing the ring membranes according to the invention; in

Fig. 3 und 4 schliesslich ist die Lage der äusseren (Fig. 3) bzw. der inneren (Fig. 4) Ringmembran bei kalter Maschine bzw. in einer auf Grund der Wärmedehnungen verschobenen Lage skizziert. 3 and 4, finally, the position of the outer (FIG. 3) or the inner (FIG. 4) ring membrane is outlined when the machine is cold or in a position shifted due to the thermal expansion.

Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, ist innerhalb eines äusseren Statorgehäuses 1 einer nur im mittleren Bereich ihrer axialen Länge dargestellten Gasturbine eine Ringbrennkammer 3 gelagert, die auf der Höhe ihrer Brenner 4 gegenüber dem inneren Statorgehäuse mehrfach am Umfang entsprechend der gezeigten Stelle 34 axial fixiert und in wärmebeweglicher Weise s radial zentriert ist. Dieses innere Statorgehäuse ist beispielsweise über weiter stromaufwärts gelegene, nicht dargestellte Streben mit einem hohlzylindrischen Innengehäuse 5 verbunden, das mit einem später zu beschreibenden Zentralgehäuse 13 eine Einheit bildet, die ihrerseits im äusseren Statorgehäuse 1 befe-lo stigt ist. Die Brennkammer 3 ist nach aussen von einem Strahlungsschutzblech 2 umschlossen, das gleichzeitig zur Führung des Kühlluftstromes entlang dem Aussenmantel der Ringbrennkammer 3 dient. Dieser Kühlluftstrom tritt über Öffnungen im Brennkammerringmantel 32 als Verbrennungsluft in die Brenn-15 kammer 3 ein. Das Strahlungsschutzblech 2 liegt verschiebbar auf dem stromabwärtigen Endstück 30 des äusseren Brennkammerringmantels 32 auf. In ähnlicher Weise ist der innere Ringmantel 33 der Brennkammer 3 von einem Strahlungsschutzblech 6 umgeben, das entsprechend auf einem Endstück 31 be-20 weglich aufliegt. Auch dieses Blech 6 übernimmt gleichzeitig die Führung des Kühlluft- bzw. Verbrennungsluftstromes. As indicated schematically in Fig. 1, an annular combustion chamber 3 is mounted within an outer stator housing 1 of a gas turbine shown only in the central region of its axial length, which at the level of its burner 4 relative to the inner stator housing 4 axially fixed several times on the circumference in accordance with the point 34 shown and is radially centered in a heat-mobile manner. This inner stator housing is connected, for example, via upstream struts, not shown, to a hollow cylindrical inner housing 5, which forms a unit with a central housing 13 to be described later, which in turn is attached to the outer stator housing 1. The combustion chamber 3 is surrounded on the outside by a radiation protection plate 2, which at the same time serves to guide the cooling air flow along the outer jacket of the annular combustion chamber 3. This cooling air flow enters the combustion chamber 15 through openings in the combustion chamber ring jacket 32 as combustion air. The radiation protection plate 2 lies displaceably on the downstream end piece 30 of the outer combustion chamber ring jacket 32. In a similar manner, the inner ring jacket 33 of the combustion chamber 3 is surrounded by a radiation protection plate 6, which correspondingly lies movably on an end piece 31. This sheet 6 also takes over the management of the cooling air or combustion air flow at the same time.

Das Innengehäuse 5 schliesst den die Brennkammer 3 enthaltenden Ringraum 8 gegenüber dem nicht dargestellten Rotor der Maschine ab. Der Ringraum 8 zwischen dem Aussengehäu-25 se 1 und dem Innengehäuse 5 ist, wie erwähnt, von Kühl- bzw. Verbrennungsluft durchströmt, die gegenüber dem Verbrennungsgas im Inneren der Brennkammer 3 und im daran anschliessenden Strömungskanal 10 einen Überdruck aufweist. The inner housing 5 closes the annular chamber 8 containing the combustion chamber 3 from the rotor of the machine, not shown. As mentioned, the annular space 8 between the outer housing 25 and the inner housing 5 is flowed through by cooling or combustion air which has an overpressure with respect to the combustion gas inside the combustion chamber 3 and in the flow channel 10 adjoining it.

Die Endstücke 30 und 31 am stromabwärtigen Ende der 30 Brennkammer 3 verengen sich, so dass die Verbrennungsgase in den Strömungskanal 10 einströmen können. Dieser wird zunächst vom ersten Leitschaufelkranz 11 der nicht weiter dargestellten Turbine gebildet, der einen Zentrierring 12 trägt; dieser ist wärmebeweglich - beispielsweise durch nicht dargestellte 35 Radialkeile — auf dem Leitschaufelkranz 11 zentriert, der seinerseits auf dem Zentralgehäuse 13 abgestützt ist. Stromabwärts schliesst - in der Soll-Lage zu dem Zentrierring 12 fluchtend gelagert, aber nicht mit ihm verbunden - eine nur in ihrem äusseren Umriss dargestellte Begrenzung 14 für den Laufschau-40 felkanal an, die auch als Schaufelträger für die Leitschaufeln der weiteren Turbinenstufen dient. Die Begrenzung 14 ist im Aus-sengehäuse 1 wärmebeweglich fixiert, wie bei 15 schematisch angedeutet. The end pieces 30 and 31 at the downstream end of the combustion chamber 3 narrow so that the combustion gases can flow into the flow channel 10. This is first formed by the first guide vane ring 11 of the turbine, not shown, which carries a centering ring 12; this is heat-mobile - for example by 35 radial wedges, not shown - centered on the guide vane ring 11, which in turn is supported on the central housing 13. Downstream - in the desired position with the centering ring 12 in alignment but not connected to it - there is a boundary 14 for the moving channel 40, which is only shown in its outer outline, and which also serves as a blade carrier for the guide blades of the other turbine stages. The boundary 14 is fixed in the outer housing 1 in a heat-mobile manner, as indicated schematically at 15.

Um ein unkontrolliertes Einströmen von Kühlluft in den 45 Strömungskanal 10 zu verhindern, ist es notwendig, den mit Kühlluft gefüllten Ringraum 8 gegenüber dem Strömungsweg 10 der Verbrennungsgase abzudichten. Da darüberhinaus die Materialtemperatur der Ringbrennkammer 3 und der übrigen benachbarten Teile, beispielsweise insbesondere des Leitschau-50 felkranzes 11 mit dem Zentrierring 12 während der verschiedenen Betriebsphasen der Maschine stark unterschiedlich sind, muss die Abdichtung so ausgeführt sein, dass sie relativen axialen und radialen Verschiebungen der genannten Teile zueinander nachgeben kann. In order to prevent an uncontrolled inflow of cooling air into the flow channel 10, it is necessary to seal the annular space 8 filled with cooling air with respect to the flow path 10 of the combustion gases. In addition, since the material temperature of the annular combustion chamber 3 and the other adjacent parts, for example, in particular the Leitschau 50 rim ring 11 with the centering ring 12, vary greatly during the various operating phases of the machine, the seal must be designed so that it has relative axial and radial displacements of the mentioned parts can yield to each other.

55 An Endstücke 30 und 31 ist daher je ein Mantelrohr 16 und 17 angesetzt, das mit seinem verdickten freien Ende an je eine Ringmembran 18 und 19 anliegt. Die Membranen 18 und 19 sind in Halterungen 20 und 21 gehalten, die ihrerseits am Zentrierring 12 bzw. am Zentralgehäuse 13 befestigt, z.B. ange-60 schraubt, sind. 55 At end pieces 30 and 31, therefore, a jacket tube 16 and 17 is attached, which abuts an annular membrane 18 and 19 with its thickened free end. The membranes 18 and 19 are held in brackets 20 and 21, which in turn are attached to the centering ring 12 and the central housing 13, e.g. screwed-60, are.

Über den Umfang verteilt befinden sich in den Halterungen 20 und 21 Bohrungen 22 und 23 (Fig. 2), durch die eine kontrollierte Menge Kühlluft aus dem Ringraum 8 von aussen bzw. von innen in den Strömungskanal 10 einströmen kann. Mit Hüfe 65 von weiteren Strahlungsschutz- oder Führungsblechen 24 und 25, die zwischen die Halterungen 20 und 21 und dem Ring 12 bzw. Zentralgehäuse 13 eingeklemmt sind, wird die Kühlluft dabei so geführt, dass beide Membranen 18 und 19 von ihr Distributed over the circumference there are bores 22 and 23 in the brackets 20 and 21 (FIG. 2) through which a controlled amount of cooling air can flow from the annular space 8 from the outside or from the inside into the flow channel 10. With the help of 65 further radiation protection or guide plates 24 and 25, which are clamped between the brackets 20 and 21 and the ring 12 or central housing 13, the cooling air is guided so that both membranes 18 and 19 of it

3 3rd

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völlig umspült sind. Die Strömungswege der Kühlluft sind in Fig. 2 durch kleine Pfeile verdeutlicht. are completely washed around. The flow paths of the cooling air are illustrated in Fig. 2 by small arrows.

Mit dieser Kühlluftführung wird erreicht, dass die Ringmembranen 18 und 19, die aus einem CrNi-Stahl genügend hoher Warmfestigkeit gefertigt sind, sowohl in Umfangs- als auch in radialer Richtung eine gleichmässige Temperatur aufweisen, so dass in ihnen möglichst keine Wärmespannungen und deshalb auch keine unkontrollierbaren Deformationen entstehen. Die Bleche 24 und 25 dienen dabei gleichzeitig als Strahlungsschutz für die Ringmembranen 18 und 19 und als Leit- und Führungsbleche für die Kühlluft. With this cooling air duct it is achieved that the ring membranes 18 and 19, which are made from a CrNi steel of sufficiently high heat resistance, have a uniform temperature in both the circumferential and radial directions, so that as little as possible thermal stresses in them and therefore also none uncontrollable deformations arise. The plates 24 and 25 serve simultaneously as radiation protection for the ring membranes 18 and 19 and as guide and guide plates for the cooling air.

Die Ringmembranen 18 und 19 sind entweder in der Halterung 20 und 21 einseitig eingespannt (Fig. 2) oder auch nur beweglich in Schlitze 26 und 27 eingelegt; in diesen Schlitzen 26 und 27 sind sie im letzten Falle, in verengten Querschnitten 28 und 29 geführt, so gelagert, dass sie um diese Querschnitte 28, 5 29 als Drehpunkte Kippbewegungen ausführen können. Bewegliche Lagerungen, bei denen die Membranen 18 und 19 auf Grund ihres Gewichts auf dem oberen bzw. unteren Teil der Schlitze 26 bzw. 27 aufliegen, zeigen Fig. 3 für die äussere Ringmembran 18 und Fig. 4 für die innere Ringmembran 19. Wei-loterhin ist in diesen Figuren schematisch in strichpunktierten Linien Lage und Form der Membranen 18 bzw. 19 bei durch Wärmedehnungen relativ zu ihrer Umgebung verlängerter Ringbrennkammer 3 wiedergegeben. The ring membranes 18 and 19 are either clamped on one side in the holder 20 and 21 (FIG. 2) or are only movably inserted in slots 26 and 27; in these slots 26 and 27, in the last case, they are guided in narrowed cross sections 28 and 29 so that they can execute tilting movements around these cross sections 28, 5 29 as pivot points. 3 shows the outer ring membrane 18 and FIG. 4 the inner ring membrane 19. Movable bearings in which the membranes 18 and 19 rest on the upper and lower part of the slots 26 and 27 due to their weight. Loterhin is shown schematically in these figures in dash-dotted lines position and shape of the membranes 18 and 19 with the annular combustion chamber 3 extended by thermal expansion relative to its surroundings.

C C.

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

633 351 PATENT CLAIMS

1.Sealing expansion of the downstream end of an annular combustion chamber fixed in the area of the burner for a gas turbine, characterized by a jacket tube (16, 17), which has one end at the downstream end piece (30, 31) of the outer and the inner Ring jacket (32,33) of the combustion chamber (3) is fixed, and with its free end rests on a one-sided, elastically yielding ring membrane (18,19).

2. Seal according to claim 1, characterized in that the ring membranes (18, 19) are surrounded on all sides by cooling air.