DE102009026052B4

DE102009026052B4 - Kühleinrichtung für das hintere Ende eines Brennkammerübergangstücks und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102009026052B4
Application number: DE102009026052.8A
Authority: DE
Inventors: Ronald James Chila; Kevin W. McMahan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: DE102009026052A1; CN101629520A; US20100003128A1; CH699125B1; CN101629520B; JP2010014119A; CH699125A2; JP5468831B2; US8186167B2

Abstract

Übergangskanal (10) für eine Gasturbine, der aufweist:einen rohrförmigen Körper, der ein vorderes Ende und ein rahmenloses hinteres Ende (12) aufweist, wobei das vordere Ende zur Verbindung mit einem Brennkammermantel und das hintere Ende zur Verbindung mit einer Turbinendüse einer ersten Stufe eingerichtet ist;mehrere Kühlkanäle (16), die an einer Außenfläche (24) des rohrförmigen Körpers an dem hinteren Ende (12) ausgebildet sind, wobei die mehreren Kühlkanäle (16) Einlässe (22) bei dem hinteren Ende (12) aufweisen;ein Verschlussband (32), das das hintere Ende (12) umgibt, wobei es wenigstens einen Abschnitt der mehreren Kühlkanäle (16) bedeckt; undeine Dichtung (37), die an dem Verschlussband (32) angebracht ist, wobei sie das hintere Ende (12) des rohrförmigen Körpers umgibt;wobei die mehreren Kühlkanäle (16) mit Einlassenden und Auslassenden (22) ausgebildet sind, wobei die Auslassenden (18) an einem hinteren Rand (20) des Übergangskanals (10) angeordnet sind;wobei die Einlassenden (22) verjüngte Flächenabschnitte aufweisen, die von dem Verschlussband (32) nicht bedeckt sind; undwobei das Verschlussband (32) mit mehreren Kühlöffnungen (36) ausgebildet ist, die über einem oder mehreren der mehreren Kühlkanäle (16) liegen.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein die Gasturbinenbrennkammertechnologie und insbesondere eine Vorrichtung und zugehöriges Verfahren zur Kühlung des hinteren Endes eines Übergangstücks oder -kanals, das bzw. der sich zwischen einer Brennkammer und der ersten Stufe der Turbine erstreckt.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
US 5 724 816 A offenbart ein Gasturbinensystem mit einem rohrförmigen Element mit auf der Außenfläche vorgesehenen Nuten zur Bildung von Kühlkanälen, wobei auf dem Element ein mantelförmiges Element angeordnet ist, um durch Verschließen der Nuten die Kühlkanäle zu bilden.
DE 698 03 069 T2 offenbart eine gekühlte Brennkammerwand für eine Gasturbine.
US 5 400 586 A offenbart eine Bürstendichtung, welche zwischen einem Übergangsstück von einer Brennkammer und einer Düse einer ersten Stufe einer Turbine wirksam ist.
EP 1 617 145 A2 offenbart einen Übergangskanal für eine Gasturbine, der aufweist: einen rohrförmigen Körper, der ein vorderes Ende und ein rahmenloses hinteres Ende aufweist, wobei das vordere Ende zur Verbindung mit einem Brennkammermantel und das hintere Ende zur Verbindung mit einer Turbinendüse einer ersten Stufe eingerichtet ist; mehrere Kühlkanäle, die an einer Außenfläche des rohrförmigen Körpers an dem hinteren Ende ausgebildet sind, wobei die mehreren Kühlkanäle Einlässe bei dem hinteren Ende aufweisen; ein Verschlussband, das das hintere Ende umgibt, wobei es die mehreren Kühlkanäle von deren Einlassenden bis zu deren Auslassenden an einem hinteren Rand des Übergangskanals vollständig bedeckt und mit der Außenfläche des rohrförmigen Körpers die Einlässe definiert; und eine Dichtung, die an dem Verschlussband angebracht ist und das hintere Ende des rohrförmigen Körpers umgibt.
US 2007/0 187 900 A1 beschreibt eine nichtmetallische Bürstendichtung zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich einer Gasturbine, die eine Vielzahl von Borsten aus einem Polymer- oder Keramikmaterial aufweist.
Gewöhnlich weisen Übergangskanäle einen hinteren Rahmen bzw. ein hinteres Gehäuse auf, der bzw. das an dem hinteren Ende des Kanals angebracht oder in diesem integriert ist und eine Befestigung des Kanals an dem Einlass der ersten Stufe der Turbine ermöglicht. Der hintere Rahmen wird häufig mittels eines kontrollierten Dichtungsleckstroms und kleiner Kühllöcher gekühlt, die Verdichteraustrittsluft ermöglichen, durch den Rahmen hindurch zu treten. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, das hintere Ende von Übergangskanälen zu kühlen, die keinen hinteren Rahmen aufweisen, der integral mit dem Kanalkörper ausgebildet oder an diesem angebracht ist. Gemäß einer beispielhaften, jedoch in keinem Sinne beschränkenden Umsetzung dieser Erfindung werden eine erzwungene Konvektion und möglicherweise Aufprallkühlung als Mittel zur direkten Kühlung eines Übergangkanals verwendet, der keine hintere Rahmenstruktur aufweist.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt einen Übergangskanal für eine Gasturbine, der aufweist: einen rohr- bzw. schlauchförmigen Körper, der ein vorderes Ende und ein rahmenloses hinteres Ende aufweist, wobei das vordere Ende zur Verbindung mit einem Brennkammermantel und das hintere Ende zur Verbindung mit einer Turbinendüse einer ersten Stufe eingerichtet ist; mehrere Kühlkanäle, die auf einer Außenfläche des rohrförmigen Körpers an dem hinteren Ende ausgebildet sind, wobei die mehreren Kühlkanäle Einlässe bei dem hinteren Ende aufweisen; ein Verschlussband, das das hintere Ende umgibt, wobei es wenigstens einen Abschnitt der mehreren Kühlkanäle bedeckt; und eine an dem Verschlussband angebrachte Dichtung, die das hintere Ende des rohrförmigen Körpers umgibt. Die mehreren Kühlkanäle sind mit Einlassenden und Auslassenden ausgebildet, wobei die Auslassenden an einem hinteren Rand des Übergangskanals angeordnet sind, die Einlassenden verjüngte Flächenabschnitte aufweisen, die von dem Verschlussband nicht bedeckt sind, und das Verschlussband mit mehreren Kühlöffnungen ausgebildet ist, die über einem oder mehreren der mehreren Kühlkanäle liegen.
In einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Zuführung von Kühlluft zu einem hinteren Ende eines Gasturbinenübergangskanals, welcher an einem vorderen Ende des Übergangskanals mit einem Brennkammermantel und am hinteren Ende des Übergangskanals mit einer Turbinendüse einer ersten Stufe verbindbar ist, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden mehrerer offener Kühlkanäle auf einer Außenfläche des Übergangskanals an seinem hinteren Ende, wobei sich die mehreren Kühlkanäle von einem hinteren Rand des Kanals aus in einer stromaufwärtigen Richtung erstrecken, wobei die mehreren Kühlkanäle an verjüngten Einlässen im hinteren Ende enden; Bilden eines äußeren Verschlussbands mit mehreren Kühlöffnungen; Verschließen wenigstens eines Abschnitts der mehreren offenen Kühlkanäle mit dem äußeren bzw. umfangsseitigen Verschlussband, um dadurch Kühldurchgänge zu bilden, wobei das äußere Verschlussband nicht die verjüngten Einlässe umschließt und wobei die mehreren Kühlöffnungen über wenigstens einem der mehreren offenen Kühlkanäle angeordnet sind; und Aufnehmen einer Bürstendichtung in das äußere Verschlussband, wobei die Bürstendichtung das Verschlussband und das hintere Ende des Übergangskanals umgibt.
Die Erfindung wird nun in größeren Einzelheiten in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine ausschnittsweise Perspektivansicht des hinteren Endes eines Turbinenübergangskanals mit darin ausgebildeten Kühlkanälen; und
2 zeigt eine der 1 ähnliche Perspektivansicht, jedoch mit einem Teile der Kühlkanäle umschließenden Band und mit einer an dem Band befestigten Dichtung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer typischen ringrohrförmigen Brennerkonfiguration in einer Gasturbine führt eine Anordnung von Brennkammern, die den Turbinenrotor umgeben, heiße Verbrennungsgase der ersten Turbinenstufe über eine zugehörige Anordnung von Übergangskanälen zu, die sich zwischen den Brennkammern und den Einlässen der ersten Stufe erstrecken. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein derartiger Übergangskanal 10 an einem vorderen Ende mit einer Brennkammerauskleidung bzw. einem Brennkammermantel (nicht veranschaulicht) verbunden. Das hintere Ende 12 des Übergangskanals in der beispielhaften Ausführungsform weist keinen integralen oder angebrachten hinteren Rahmen auf, der den Auslass 14 umgibt, was es folglich schwierig macht, das hintere Ende passend zu kühlen. Das hintere Ende 12 ist in einer (nicht veranschaulichten) Klammer bzw. Halterung aufgenommen, die an der Turbinendüse der ersten Stufe fixiert und mit einer entsprechend geformten Öffnung ausgebildet ist. Bei dieser Einrichtungsart stehen Kühltechniken, wie sie gewöhnlich verwendet werden, um das hintere Ende eines Übergangsstücks zu kühlen, das einen hinteren Rahmen verwendet (der eine fertige Struktur zur Aufnahme einer Kühlgeometrie bietet), nicht zur Verfügung.
Demgemäß sind in einer nicht beschränkenden Ausführungsform eine Anordnung von Kühlkanälen oder -nuten 16 auf der Außenfläche des hinteren Endes 12 des Übergangskanals 10 ausgebildet. Die Kühlkanäle 16 ergeben Kühlluftauslässe 18 an dem hinteren Rand 20 des Kanals 10 und erstrecken sich in Richtung auf das entgegengesetzte Ende des Kanals. Die Kanäle enden an jeweils verjüngten Einlässen 22, deren axiale Lage in der durch die Konstruktion der Brennkammer und des Kanals, die Kühlanforderungen, etc. bestimmten Weise variiert werden kann.
Die Kühlkanäle 16 können auf einer einzelnen, allen oder jeder beliebigen Kombination von der äußeren oberen Fläche 24, den Seitenflächen 26, 28 und der unteren Fläche 30 des Kanals vorgesehen sein, und die Anzahl von Kanälen oder Nuten in jeder dieser Flächen kann ebenfalls in der gewünschten Weise variieren. Die Kanäle 16 können mittels jedes beliebigen passenden Herstellungsverfahrens (z.B. durch Fräsen, Gießen, Laserätzen, Gesenkschmieden, etc.) erzeugt werden, und sie können jede beliebige geeignete Querschnittsgestalt, einschließlich einer rechteckigen Gestalt, wie sie in den 1 und 2 veranschaulicht ist, jedoch auch einschließlich halb- oder teilkreisförmiger, ovaler, V-förmiger Gestalten, etc., aufweisen.
Die Kanäle 16 sind an der Oberseite durch eine Hülle bzw. einen Wickel oder ein Verschlussband 32 aus Metall im Wesentlichen verschlossen (2), das den Übergangskanal umgibt und somit einen geschlossenen Rand aufweisende Durchgänge mit im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitten bildet. Das Band 32 erstreckt sich in axialer Richtung von dem hinteren Rand 20 zu den verjüngten Einlässen 22, wobei es die Letzteren offen bzw. frei lässt, um einen Eintritt von Luft in die Kanäle zu ermöglichen. Das Band 32 kann an dem Kanal durch jedes beliebige geeignete Verfahren, einschließlich Verbolzung oder Verschweißung, befestigt werden.
Die Innenflächen der Kühlkanäle 16 können auch mit jedem beliebigen von verschiedenen bekannten Mechanismen zur Vergrößerung der Wärmeübertragung ausgebildet oder versehen sein, die auf eine, alle oder jede beliebige Kombination von Begrenzungswänden der Kühlkanäle angewandt werden. Derartige Oberflächenvergrößerungen enthalten Turbolatoren, Rippen, Grübchen, gitterartige Nuten, sanddünenartige Gestaltungen, Chevron-Formen oder beliebige Kombinationen von diesen. Die Anordnung und Anzahl von derartigen Vergrößerungen kann in den verschiedenen Kanälen in der gewünschten Weise variiert werden. Kühlluft kann den Kanälen 16 in jeder beliebigen von vielen Arten und Weisen zugeführt werden. Beispielsweise können die Kanäle 16 über die Einlässe 22 an ihren stromaufwärtigen Enden dem Verdichteraustrittsfluss ausgesetzt sein, oder sie können unmittelbar von einem gesonderten Einlass oder Verteiler aus gespeist sein. Alternativ oder zusätzlich können die Kühlkanäle 16 von einer beliebigen Anzahl von Kühlöffnungen 36 versorgt sein, die in dem Band 32 vorgesehen sind (von denen in 2 drei veranschaulicht sind). Beispielsweise könnten eine oder mehrere Kühlöffnungen 36 mit jedem beliebigen einzelnen oder beliebigen mehreren der Kanäle 16 in einer übereinander liegenden Anordnung vorgesehen sein.
Es ist ferner ein Merkmal der beispielhaften Ausführungsform, dass eine Dichtung 37 mit dem Verschlussband 32 kombiniert ist. Die Dichtung 37 ist in 2 in schematisierter Weise veranschaulicht, wie sie ein Paar Bürstendichtungsbänder 38, 40 enthält, wobei jedoch die Dichtung auch aus beliebigen aus einer Vielfalt von sonstigen herkömmlichen Dichtungen, wie beispielsweise Blattdichtungen, Textildichtungen, Seildichtungen, Hula-Dichtungen und dergleichen, ausgebildet sein kann. Wie oben erwähnt, wird das hintere Ende des Übergangsstücks in einer Klammer- bzw. Halteranordnung aufgenommen, die mit einer entsprechend gestalteten Öffnung versehen und an der Düse der Stufe 1 der Turbine befestigt ist. Durch Einfügung einer Dichtung 37 in den Wickel bzw. das Verschlussband 32 wird Luft in der Verdichteraustrittskammer daran gehindert, in den Hohlraum zwischen der Halterung und dem Einlass der ersten Turbinenstufe auszutreten.
Es ist zu beachten, dass die vorstehend beschriebene Kühleinrichtung für das hintere Ende mit oder ohne herkömmliche Aufprallkühlhülsen eingesetzt werden kann, die zur Aufprallkühlung von Bereichen des Kanals stromaufwärts des hinteren Endes verwendet werden.
Während die Erfindung in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, das momentan als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen mit umfassen soll, die in dem Rahmen und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
Ein Übergangskanal 10 für eine Gasturbine enthält einen rohrförmigen Körper mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende 12, mehrere Kühlkanäle 16, die auf einer Außenfläche des rohrförmigen Körpers an dem hinteren Ende 12 ausgebildet sind, ein Verschlussband 32, das das hintere Ende 12 umgibt, wobei es wenigstens einen Abschnitt der Kühlkanäle 16 bedeckt, und eine Dichtung 37, die an dem Verschlussband 32 angebracht ist, wobei sie das hintere Ende des rohrförmigen Körpers umgibt.

Claims

Übergangskanal (10) für eine Gasturbine, der aufweist: einen rohrförmigen Körper, der ein vorderes Ende und ein rahmenloses hinteres Ende (12) aufweist, wobei das vordere Ende zur Verbindung mit einem Brennkammermantel und das hintere Ende zur Verbindung mit einer Turbinendüse einer ersten Stufe eingerichtet ist; mehrere Kühlkanäle (16), die an einer Außenfläche (24) des rohrförmigen Körpers an dem hinteren Ende (12) ausgebildet sind, wobei die mehreren Kühlkanäle (16) Einlässe (22) bei dem hinteren Ende (12) aufweisen; ein Verschlussband (32), das das hintere Ende (12) umgibt, wobei es wenigstens einen Abschnitt der mehreren Kühlkanäle (16) bedeckt; und eine Dichtung (37), die an dem Verschlussband (32) angebracht ist, wobei sie das hintere Ende (12) des rohrförmigen Körpers umgibt; wobei die mehreren Kühlkanäle (16) mit Einlassenden und Auslassenden (22) ausgebildet sind, wobei die Auslassenden (18) an einem hinteren Rand (20) des Übergangskanals (10) angeordnet sind; wobei die Einlassenden (22) verjüngte Flächenabschnitte aufweisen, die von dem Verschlussband (32) nicht bedeckt sind; und wobei das Verschlussband (32) mit mehreren Kühlöffnungen (36) ausgebildet ist, die über einem oder mehreren der mehreren Kühlkanäle (16) liegen.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei für jeden der mehreren Kühlkanäle (16) wenigstens eine der mehreren Kühlöffnungen (36) vorgesehen ist.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei die Dichtung (37) aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der Bürstendichtungen, Blattdichtungen, Textildichtungen, Seildichtungen und Hula-Dichtungen gehören.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei die Dichtung (37) eine Bürstendichtung aufweist.
Verfahren zur Zuführung von Kühlluft zu einem hinteren Ende (12) eines Gasturbinenübergangskanals (10), welcher an einem vorderen Ende des Übergangskanals (10) mit einem Brennkammermantel und am hinteren Ende des Übergangskanals (10) mit einer Turbinendüse einer ersten Stufe verbindbar ist, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden mehrerer offener Kühlkanäle (16) auf einer Außenfläche (24) des Übergangskanals (10) an seinem hinteren Ende, wobei die mehreren Kühlkanäle (16) sich von einem hinteren Rand (20) des Kanals in einer stromaufwärtigen Richtung erstrecken, wobei die mehreren Kühlkanäle (16) an verjüngten Einlässen (22) im hinteren Ende enden; Bilden eines äußeren Verschlussbands (32) mit mehreren Kühlöffnungen (36); Verschließen wenigstens eines Abschnitts der mehreren offenen Kühlkanäle (16) mit dem äußeren Verschlussband (32), um dadurch Kühldurchgänge zu bilden, wobei das äußere Verschlussband (32) nicht die verjüngten Einlässe (22) umschließt und wobei die mehreren Kühlöffnungen (36) über wenigstens einem der mehreren offenen Kühlkanäle (16) angeordnet sind; und Aufnehmen einer Bürstendichtung (37) in das äußere Verschlussband (32), wobei die Bürstendichtung (37) das Verschlussband (32) und das hintere Ende des Übergangskanals (10) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Kühlkanäle (16) im Wesentlichen rechteckige Querschnittsgestalten haben.
Verfahren nach Anspruch 5, einschließend Ausbilden der mehreren offenen Kühlkanäle (16) mit Mitteln zur Vergrößerung der Wärmeübertragung.