DE10153911B4

DE10153911B4 - Befestigungsmittel für Einspritzdüsen in einem Luftansaugkanal einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE10153911B4
Application number: DE10153911A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Hoffmann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2021-11-03
Also published as: DE10153911A1

Abstract

Befestigungsmittel für Einspritzdüsen in einem Luftansaugkanal einer Strömungsmaschine, das sich aus einem rahmenförmigen Träger (3) zusammensetzt, der direkt oder über ein oder mehrere Trägerelemente (10) zumindest eine Halterung für zumindest eine Einspritzdüse (9) trägt und in den zumindest eine Versorgungsleitung (7) für die zumindest eine Einspritzdüse (9) integriert ist, wobei der rahmenförmige Träger (3) derart ausgebildet ist, dass er in einen Zwischenraum zwischen einem Luftansauggehäuse (2) sowie einem Gehäuse (4) zumindest einer weiteren Komponente des Luftansaugkanals eingesetzt werden kann.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungsmittel für Einspritzdüsen in einem Luftansaugkanal einer Strömungsmaschine sowie ein Luftansaugsystem einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Ansaugkanal, der von einem Luftansauggehäuse sowie einem Gehäuse zumindest einer weiteren Komponente gebildet wird und in dem zumindest eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Kühlmediums in den Ansaugkanal angeordnet ist.
Zur Leistungssteigerung von Gasturbinenanlagen wird die von der ersten Kompressorstufe angesaugte Luft vor der anschließenden Verdichtung vorgekühlt. Durch diese Vorkühlung wird ein größerer Massenstrom durch den Kompressor erreicht, so dass die Leistung der Gasturbine insgesamt erhöht wird. Zur Vorkühlung der angesaugten Luft ist es bekannt, ein Kühlmittel wie bspw. Wasser über ein oder mehrere Einspritzdüsen stromauf der ersten Kompressorstufe in den Ansaugkanal einzuspritzen, um auf diese Weise die Abkühlung der angesaugten Luft zu erreichen.
Stand der Technik
Für die Aufhängung bzw. Halterung dieser Einspritzdüsen sind entsprechende Träger erforderlich, die am oder im Ansaugkanal befestigt werden müssen. In der Regel erfolgt der Einbau eines derartigen Einspritz systems erst nachträglich über geeignete Schraub- oder Schweißverbindungen innerhalb des Ansaugkanals. Zur Wasser- oder Kühlmittelversorgung der ein oder mehreren Einspritzdüsen muss dann zusätzlich zumindest eine Bohrung in den sonst geschlossenen Luftansaugkanal eingebracht werden.
Ein derartiger nachträglicher Einbau des Einspritzsystems ist aufwendig und schafft mechanisch kritische Verbindungen, die eine Ursache für spätere Materialermüdungen sein können.
Zur Befestigung oder Verbindung von Komponenten einer Gasturbinenanlage sind z. B. aus der DE19824173 Rahmen bekannt. Aus der DE 4109870 ist weiter ein Rahmen zur Aufhängung von Triebwerken bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Befestigungsmittel für Einspritzdüsen in einem Luftansaugkanal einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, anzugeben, das sich ohne mechanisch kritische Verbindungen im Ansaugkanal installieren lässt ist und sich zudem auf einfache Weise in Luftansaugsystemen ohne Einspritzsystem nachrüsten lässt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Befestigungsmittel gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 7 gibt ein mit dem Befestigungsmittel ausgestattetes Luftansaugsystem an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Befestigungs mittels sowie des Luftansaugsystems sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das vorliegende Befestigungsmittel, im Folgenden als Befestigungsrahmen bezeichnet, setzt sich aus einem rahmenförmigen Träger zusammen, der direkt oder über ein oder mehrere Trägerelemente zumindest eine Halterung für zumindest eine Einspritzdüse trägt und in den zumindest eine Versorgungsleitung für die zumindest eine Einspritzdüse integriert ist. Der rahmenförmige Träger ist dabei derart ausgebildet ist, dass er in einen Zwischenraum zwischen ein Luftansauggehäuse und ein Gehäuse einer weiteren Komponente des Luftansaugkanals eingesetzt werden kann.
Das zugehörige Luftansaugsystem weist einen Ansaugkanal auf, der von einem Luftansauggehäuse sowie einem Gehäuse zumindest einer weiteren Komponente gebildet wird und in dem zumindest eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Kühlmediums in den Ansaugkanal angeordnet ist. Der Befestigungsrahmen für die Einspritzdüsen ist zwischen dem Luftansauggehäuse und dem Gehäuse der weiteren Komponente eingesetzt.
Durch den Einsatz dieses Befestigungsrahmens als Träger für die ein oder mehreren Einspritzdüsen sowie deren Versorgungsleitungen werden mechanische kritische Verbindungen im Ansaugkanal vermieden, da der Befestigungsrahmen zwischen dem Luftansauggehäuse und dem Gehäuse der weiteren Komponente eingesetzt und nicht innerhalb dieser Gehäuse verschweißt oder verschraubt ist. Weiterhin ist durch diese Ausgestaltung des Ansaugkanals keine zusätzliche Bohrung für Versorgungsleitungen in dem Luftansauggehäuse mehr erforderlich, da die Versorgungsleitungen in dem Befestigungsrahmen integriert sind und über diesen nach außen geführt werden.
In der bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Luftansaugsystems ist der Befestigungsrahmen zwischen dem Luftansauggehäuse und dem Filterhaus des Ansaugkanals angeordnet. Zwischen diesen beiden Gehäusekomponenten befindet sich typischerweise ein Ausgleichselement, der sog. Expansion-Joint, das dem Ausgleich von anlagenspezifischen Toleranzen und Wärmedehnungen dient. Der Befestigungsrahmen wird hierbei vorzugsweise an Stelle dieses Ausgleichselements zwischen das Luftansauggehäuse und das Filterhaus eingesetzt. Die entsprechenden Toleranzen und Wärmedehnungen werden durch eine oder mehrere zusätzliche elastische Dichtungen zwischen dem Befestigungsrahmen und dem Luftansauggehäuse und/oder dem Filterhaus ausgeglichen.
Bei dieser Anordnung des Befestigungsrahmens ist es sehr einfach möglich, bestehende Luftansaugsysteme mit dem vorliegenden Befestigungsrahmen nachzurüsten. Hierfür wird der vorhandene Expansion-Joint entfernt und durch den Befestigungsrahmen mit entsprechenden Dichtungen ersetzt. Die Zeit für die nachträgliche Installation eines Einspritzsystems wird dadurch minimiert. Der Ersatz des vorhandenen Ausgleichselements durch Dichtungen einer um die Höhe des Befestigungsrahmens geringeren Höhe ist möglich, da zu diesem Zeitpunkt die maximal auftretenden Toleranzen und Wärmedehnungen bereits bekannt sind, so dass in der Regel eine geringere Höhe des Ausgleichselements, d. h. in diesem Fall der Dichtungen, ausreicht.
Der Befestigungsrahmen setzt sich aus einem rahmenförmigen Träger mit zumindest einer Durchführung für zumindest eine Versorgungsleitung und zumindest einer innerhalb des Rahmens angeordneten Halterung für eine Einspritzdüse zusammen. Der rahmenförmige Träger ist dabei geometrisch an den Gehäusequerschnitt des Luftansauggehäuses sowie des Gehäuses der weiteren Komponente, insbesondere des Filterhauses, angepasst, so dass eine dichtende Verbindung zwischen dem rahmenförmigen Träger und den angrenzenden Gehäuseteilen erreicht werden kann. Der Befestigungsrahmen kann dabei auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein.
Als Halterung für die ein oder mehreren Einspritzdüsen kann eine gewindeförmige Halterung eingesetzt werden, in die die Einspritzdüsen eingeschraubt werden. Vorzugsweise sind die Einspritzdüsen hierbei direkt an einer durch eine Versorgungsleitung gebildeten Querverstrebung des Befestigungsrahmens angebracht. Die konstruktive Ausführung der Querverstrebungen kann rohrförmig sein, ist selbstverständlich jedoch nicht auf diese Geometrie beschränkt.
Die Versorgungsleitungen können bspw. als Einfach- oder Doppelrohre ausgebildet sein.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in dem Befestigungsrahmen mehrere voneinander unabhängige Teilstufen für die Einspritzung vorgesehen sind, wobei jede Teilstufe jeweils wieder mindestens eine, in der Regel jedoch mehrere Einspritzdüsen beinhaltet. Auf diese Weise kann die Einspritzung je nach Anforderungen gestuft erfolgen.
Auch wenn sich die vorliegende Beschreibung in erster Linie auf Gasturbinenanlagen bezieht, so ist das vorliegende Luftansaugsystem selbstverständlich auch in anderen Arten von Strömungsmaschinen einsetzbar, in denen im Luftansaugkanal ein Einspritzsystem realisiert werden soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorliegende Befestigungsrahmen wird nachfolgend in Zusammenhang mit dem Luftansaugsystem anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel des Luftansaugsystems mit dem Befestigungsrahmen vor dem Kompressor einer Gasturbine;
2 eine Detailansicht eines Ausschnitts aus der 1;
3 eine alternative Ausgestaltung des Details der 2; und
4 einen Querschnitt des Befestigungsrahmens in Draufsicht auf das Luftansaugsystem der 1.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Ausschnitt einer Gasturbinenanlage, in dem ein Teil des Luftansaugsystems der vorliegenden Erfindung erkennbar ist. Die Figur zeigt die Stützen eines Wellenlagers 1 einer Gasturbine, in der über ein Luftansaugsystem 2, 4 aus der Atmosphäre angesaugte Luft verdichtet wird. Das Luftansaugsystem setzt sich aus dem Luftansauggehäuse 2, dem sog. Ansaugstutzen, und dem darüber angeordneten Filterhaus 4 zusammen, in dem die angesaugte Luft von Staub- und Schmutzpartikeln gereinigt wird. In der Regel befindet sich zwischen diesem Filterhaus 4 und dem Luftansauggehäuse 2 ein Ausgleichselement (Expansion-Joint), das Fertigungstoleranzen der Einzelkomponenten sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungen beim Betrieb der Gasturbinenanlage ausgleichen soll. Beim vorliegenden Luftansaugsystem wird dieses Ausgleichselement durch den Befestigungsrahmen mit dem rahmenförmigen Träger 3 ersetzt, der zwischen dem Filtergehäuse 4 und dem Luftansauggehäuse 2 eingesetzt ist. In dem Befestigungsrahmen sind in diesem Beispiel mehrere Versorgungsleitungen 7 integriert, die in Querverstrebungen 10 zur Stabilisierung dieses Rahmens verlaufen. Die einzelnen Querverstrebungen 10 tragen mehrere Halterungen für Einspritzdüsen. Die Versorgungsleitungen 7 sind auf einer Seite des Rahmens durch den rahmenförmigen Träger 3 nach außen geführt und bilden dort Rohrleitungsanschlüsse 8 für die Versorgung dieses Einspritzsystems.
2 zeigt das Detail B der 1 nochmals in vergrößerter Darstellung. In dieser Figur sind insbesondere wiederum das Filtergehäuse 4 sowie das Luftansauggehäuse 2 zu erkennen, zwischen denen der Befestigungsrahmen eingesetzt ist. Unterhalb des Befestigungsrahmens befindet sich eine umlaufende Dichtung 6, die dem Ausgleich von Toleranzen sowie unterschiedlichen Wärmeausdehnungen während des Betriebs der Gasturbinenanlage dient. Diese umlaufende Dichtung 6 kann selbstverständlich auch in anderer Querschnittsform, bspw. u-förmig, ausgeführt sein, wie dies in der 3 veranschaulicht ist.
In der 2 sind die Durchführungen für die Rohrleitungen 7 zur Versorgung der Einspritzdüsen im rahmenförmigen Träger 3 zu erkennen. Diese Rohrleitungen 7 sind in diesem Beispiel als Doppelrohre ausgebildet und in entsprechende Querverstrebungen 10 innerhalb des Befestigungsrahmens integriert. Außerhalb des Ansaugkanals befinden sich Rohrleitungsanschlüsse 8 an den Rohrleitungen 7, über die die Versorgung dieses Einspritzsystems stattfindet. Am Filtergehäuse 4 selbst ist oberhalb des Befestigungsrahmens in diesem Beispiel noch eine zusätzliche Isolation 5 zu erkennen. Der rahmenförmige Träger 3 ist aus einem edlen, C-armen Stahl gebildet und somit aus einem edleren Material als das Luftansauggehäuse 2.
Die Anordnung des Befestigungsrahmens zwischen dem Filtergehäuse 4 und dem Luftansauggehäuse 2 mit dem zusätzlichen Ausgleichselement 6 hat den weiteren Vorteil, dass das Einspritzsystem durch diese Ausgestaltung mechanisch von den Vibrationen der Gasturbine entkoppelt ist, so dass Vibrationen nur in geringem Maße auf das Einspritzsystem übertragen werden.
4 zeigt schließlich eine Draufsicht auf einen Befestigungsrahmen, wie er in der 1 in Seitenansicht dargestellt ist. Wie aus der 4 zu erkennen ist, besteht der Befestigungsrahmen im vorliegenden Beispiel aus einem rahmenförmigen Träger 3 mit mehreren nebeneinander verlaufenden Querverstrebungen 10, in die die Rohrleitungen 7 zur Versorgung der Einspritzdüsen 9 integriert sind. Diese Querverstrebungen 10 tragen gleichzeitig die Halterungen für die Einspritzdüsen 9. Weiterhin sind zur zusätzlichen Stabilisierung Längsverstrebungen 11 innerhalb des rahmenförmigen Trägers 3 ausgebildet. Ein derartiger Rahmen kann bspw. eine Ausdehnung von ca. 2,50 m × 8,50 m aufweisen, die einer üblichen Abmessung eines Ansaugkanals einer Gasturbinenanlage entspricht. Bei der in 4 dargestellten Draufsicht entspricht die rechte Seite der Seite des Generators der Gasturbine, die linke Seite der Seite der Gasturbine selbst. Mit dem Pfeil 12 ist die Richtung der angesaugten Luft innerhalb der Gasturbine dargestellt.
Die unterschiedliche Sprührichtung der Einspritzdüsen 9 ist in dieser Figur in Form unterschiedlicher Sprühkegel dargestellt, wobei kreisförmige Sprühkegel eine Sprührichtung in die Zeichenebene hinein, kreisabschnittsförmige Sprühkegel eine Sprührichtung mit einer Komponente senkrecht und einer Komponente parallel zur Zeichenebene darstellen.
Das dargestellte System ist in mehrstufiger Form ausgebildet, wobei je eine der außen liegenden Versorgungsleitungen 13 eine Gruppe von Einspritzdüsen 9 mit dem Kühlmedium versorgt. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Sprühverteilungen innerhalb des Querschnitts des Ansaugkanals durch unterschiedliche Beaufschlagung der Versorgungsleitungen 13 mit Kühlmittel erreichen.

1: Wellenlagergehäuse
2: Luftansauggehäuse/Ansaugstutzen
3: Rahmenförmiger Träger
4: Filtergehäuse bzw. Filterhaus
5: Isolation
6: Ausgleichselement/Dichtung
7: Rohr- bzw. Versorgungsleitungen
8: Rohrleitungsanschlüsse
9: Einspritzdüsen
10: Querverstrebungen
11: Längsverstrebungen
12: Richtung des Gasstroms
13: Versorgungsleitung

Claims

Befestigungsmittel für Einspritzdüsen in einem Luftansaugkanal einer Strömungsmaschine, das sich aus einem rahmenförmigen Träger (3) zusammensetzt, der direkt oder über ein oder mehrere Trägerelemente (10) zumindest eine Halterung für zumindest eine Einspritzdüse (9) trägt und in den zumindest eine Versorgungsleitung (7) für die zumindest eine Einspritzdüse (9) integriert ist, wobei der rahmenförmige Träger (3) derart ausgebildet ist, dass er in einen Zwischenraum zwischen einem Luftansauggehäuse (2) sowie einem Gehäuse (4) zumindest einer weiteren Komponente des Luftansaugkanals eingesetzt werden kann.
Befestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Trägerelemente (10) Querverstrebungen sind, die sich zwischen gegenüberliegenden Seiten des rahmenförmigen Trägers (3) erstrecken.
Befestigungsmittel. nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querverstrebungen (10) durch die Versorgungsleitungen (7) für die Einspritzdüsen (9) gebildet werden.
Befestigungsmittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen (7) für die Einspritzdüsen (9) in die Querverstrebungen (10) integriert sind.
Befestigungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rahmenförmige Träger (3) eine Vielzahl von Einspritzdüsen (9) und Versorgungsleitungen (7) trägt, die ein mehrstufiges Einspritzsystem bilden.
Befestigungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen (7) als Einzel- oder Doppelrohre ausgebildet sind.
Luftansaugsystem einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Ansaugkanal, der von einem Luftansauggehäuse (2) sowie einem Gehäuse (4) zumindest einer weiteren Komponente gebildet wird und in dem zumindest eine Einspritzdüse (9) zum Einspritzen eines Kühlmediums in den Ansaugkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Luftansauggehäuse (2) und dem Gehäuse (4) der weiteren Komponente ein Befestigungsmittel gemäß einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 6 eingesetzt ist.
Luftansaugsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem rahmenförmigen Träger (3) des Befestigungsmittels und dem Luftansauggehäuse (2) und/oder zwischen dem r ahmenförmigen Träger (3) des Befestigungsmittels und dem Gehäuse (4) der weiteren Komponente eine umlaufende Dichtung (6) zum Dehnungsausgleich angeordnet ist.
Luftansaugsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Komponente ein Filterhaus ist.