DE102009026315A1

DE102009026315A1 - Übergangskanal-Hinterrahmen-Kühlung und diesbezügliches Verfahren

Info

Publication number: DE102009026315A1
Application number: DE102009026315A
Authority: DE
Inventors: Lewis Berkley Davis Jun.; Ronald James Chila; Kevin W. Mcmahan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: US8245515B2; US20100034643A1; JP2010038166A; JP5491096B2; CN101644191B; CN101644191A; DE102009026315B4

Abstract

Ein Übergangskanal für eine Gasturbine umfasst einen rohrförmigen Körper mit einem Vorderende und einem Hinterende, wobei das Hinterende von einer Rahmenkomponente umgeben ist; ein inneres Verschlussband innerhalb des Rahmens, das die Innenoberflächen der Oberseite, der Unterseite und der Seitenwände des Rahmens bedeckt, und eine Vielzahl Kühlkanäle zwischen dem Rahmen und dem Verschlussband, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass hat, die jeweils an dem Vorder- bzw. Hinterende liegen.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen-Brennkammertechnologie sowie eine Vorrichtung und ein diesbezügliches Verfahren zur Kühlung des Hinterrahmens eines Übergangsteils oder -kanals, das/der zwischen einer Brennkammer und der ersten Stufe einer Turbine verläuft.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Übergangskanäle verfügen typischerweise über einen Hinterrahmen, der an dem Hinterende des Kanals befestigt oder in dieses integriert ist, was die Befestigung des Kanals an dem Einlass der ersten Turbinenstufe erleichtert. Der Hinterrahmen wird oft mittels kontrollierter Dichtungsleckage und/oder kleiner Kühllöcher gekühlt, wodurch Verdichterabluft durch den Rahmen strömen kann. Siehe beispielsweise folgende U.S.-Patente: Nr. 6 769 257 , 5 414 999 , 5 724 816 und 4 652 284 . Dennoch können in der Nähe des Übergangskanal-Hinterrahmens übermäßig hohe Temperaturen und thermische Gradienten auftreten. Dementsprechend existiert ein Bedarf an wirkungsvolleren Kühlverfahren für diese Bereiche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Übergangskanal für eine Gasturbine, der umfasst: einen rohrförmigen Körper mit einem Vorderende und einem Hinterende, wobei das Hinterende von einer Rahmenkomponente umgeben ist; ein inneres Verschlussband innerhalb des Rahmens, das die In nenoberflächen der Oberseite, der Unterseite und der Seitenwände des Rahmens bedeckt, und eine Vielzahl Kühlkanäle zwischen dem Rahmen und dem Verschlussband, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass hat, die jeweils an dem genannten Vorder- bzw. Hinterende liegen.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren für die Zufuhr von Kühlluft zu einem Hinterrahmen eines Gasturbinen-Übergangskanals, das umfasst: die Ausbildung mehrerer Kühlkanäle zwischen einer Innenoberfläche des Hinterrahmens und einer Außenoberfläche eines Verschlussbands, das sich im Innern des Hinterrahmens befindet, und die Befestigung des Hinterrahmens und des Verschlussbands an einer Hinterkante des Übergangskanals.
Die Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den unten bezeichneten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Teilperspektive des Hinterendes eines konventionellen Turbinen-Übergangsteils, das mit einem Hinterrahmen ausgestattet ist;
2 ist ein Teilquerschnitt durch einen konventionellen Übergangsteil-Hinterrahmen mit durch den Rahmen gebohrten Kühllöchern;
3 ist ein Teilquerschnitt, der 2 ähnelt, aber einen Übergangsteil-Hinterrahmen gemäß einer beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
4 und 5 sind Teilperspektiven eines Übergangsteil-Hinterrahmens, der dem in 3 gezeigten ähnelt, aber kein Kühlkanal-Abdeckband aufweist, und
6 ist eine Teilperspektive eines Hinterrahmen-Verschlussbandes gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer typischen Rohrringbrennkammer-Konfiguration in einer Gasturbine führt eine Anordnung von Brennkammern, die den Turbinenrotor umgeben, der ersten Turbinenstufe heiße Verbrennungsgase mittels einer entsprechenden Anordnung von Übergangskanälen zu, die zwischen den Brennkammern und den Einlässen der ersten Stufe verlaufen. Ein derartiges Übergangsteil bzw. ein derartiger Übergangskanal 10, gezeigt in 1, wird am Vorderende mit einem Brennkammer-Flammrohr (nicht gezeigt) verbunden. Das Hinterende 12 des Übergangskanals in der beispielhaften Ausführungsform verfügt über einen integrierten oder angefügten Hinterrahmen 14, der den Auslass 16 umgibt und so die Befestigung an dem Turbinenleitapparat der ersten Stufe (nicht gezeigt) erleichtert. 2 zeigt einen anderen bekannten Übergangsteil-Hinterrahmen 18, der mit mehreren Kühlöffnungen 20 ausgebildet ist, die in den Rahmen gebohrt oder auf andere Weise in diesem ausgebildet werden. Der Rahmen 18 ist bei 24 an den Übergangskanal geschweißt. Die Dichtungshohlräume 26, 28 werden typischerweise im Hinterrahmen vorgesehen, um Dichtungen an der Übergangskanal-Leitapparat-Anschlussstelle aufzunehmen.
In einer beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform dieser Erfindung – siehe die 3–5 – wird eine Innenoberfläche 30 des Rahmens 32 bearbeitet (durch Fräsen, Guss, Laser-Ätzung usw.), um eine Vielzahl axial ausgerichteter, dreiseitiger, offener Kühlkanäle 34 zu erzeugen, die von der Vorderkante 36 des Rahmens zu der rückwärtigen oder Hinterkante oder -seite 38 verlaufen.
Die Kühlkanäle 34 können auf einer, allen oder einer beliebigen Kombination der folgenden Innenoberflächen des Hinterrahmens vorgesehen werden (die allgemein als die Innenoberfläche 30 bezeichnet werden): Oberseite, Seiten und Unterseite des Hinterrahmens; die Anzahl der Kanäle oder Nuten 34 in jeder dieser Oberflächen kann je nach Wunsch variieren. Die Kanäle 34 können jede geeignete Querschnittsform aufweisen, darunter rechteckig wie in den 4–5 gezeigt, aber auch halbkreisförmig, oval, V-förmig usw. Außerdem können die Querschnittsbereiche der verschiedenen Kanäle in einem Rahmen im Wesentlichen einheitlich sein oder auf beliebige Weise variieren.
In dieser ersten beispielhaften Ausführungsform sind die dreiseitigen Kanäle 34 durch einen Metallstreifen oder ein Verschlussband 40 (3) geschlossen, das die Innenwand der Kanäle 34 und damit Durchgänge 42 mit geschlossenem Umfang bildet. Zu beachten ist, dass das Verschlussband 40 dem Strom heißer Gase durch das Übergangsteil ausgesetzt ist. Das Verschlussband 40 verfügt über einen sich nach außen erstreckenden Flansch 44 (das Verschlussband 40 kann daher auch als „L-Profil”) angesehen werden, das eingreift und an die Hinterkante oder -seite 38 des Rahmens angeschweißt oder auf andere Weise an dieser befestigt ist. Löcher oder Öffnungen 48 werden in den Flansch 44 gebohrt oder auf andere Weise in diesem ausgebildet, die mit den Kanälen 34 fluchten und so Auslässe 50 für die Durchgänge 42 bilden. Das Vorderende 52 des Bandes 40 erstreckt sich über die Vorderkante 36 des Rahmens hinaus (d. h. stromauf der Vorderkante des Rahmens) und ist bei 56 an das Übergangsteil 54 angeschweißt. Die abgeschrägte Kante 58 des Rahmens bietet vergrößerte Einlässe 60 zu den Durchgängen 42.
In einer weiteren beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform können die Kühlkanäle durch eine Reihe erhöhter Rippen ausgebildet werden, die entweder angeformt sind oder durch beliebige geeignete Mittel an der Außenfläche des L-Profils derart befestigt sind, dass die Kanäle durch die glatte innere Rahmenoberfläche geschlossen werden, die die Außenwand der Kanäle bildet. Diese Anordnung wird in 6 gezeigt: die Außenfläche 62 des Verschlussbands 64 ist hier mit einer Vielzahl im Wesentlichen axial verlaufender Rippen 66 versehen, die entweder integriert oder angefügt sind, wodurch eine Vielzahl dreiseitiger, offener Kanäle 68 gebildet wird. Die vierte oder offene Seite der Kanäle wird durch die glatte Innenoberfläche des Hinterrahmens gebildet, wodurch Kühl-Durchgänge gebildet werden, die den Durchgängen 42 in den 3–5 ähneln. Wie in der weiter oben beschriebenen Ausführungsform, müssen Öffnungen oder Löcher 70 in dem vertikalen Steg oder Flansch 72 des Verschlussbands ausgebildet werden, um die Auslässe der Durchgänge zu bilden. Wie in der weiter oben beschriebenen Ausführungsform kann eine beliebige Anzahl von Rippen 66 auf einer oder allen der folgenden Oberflächen ausgebildet sein: der Oberseite, der Unterseite und den Seiten des Rahmens.
Eine oder mehrere Begrenzungswände der Kühldurchgänge selbst können auch mit einer beliebigen bekannten Wärmeübergangsverbesserungsvorrichtung ausgebildet oder versehen sein, beispielsweise mit Turbulatoren, Lamellen, Vertiefungen (Näpfchen), Kreuzrillen, „Rauten” oder einer beliebigen Kombination dieser Elemente (siehe 5). Die Anordnung und Anzahl derartiger Verbesserungsvorrichtungen kann zwischen den verschiedenen Kanälen je nach Wunsch variieren.
Kühlluft kann den Durchgängen 42 auf viele beliebige Arten zugeführt werden. Zum Beispiel können die Durchgänge an ihren jeweiligen stromauf liegenden Enden (d. h. an ihren jeweiligen Einlässen) Verdichterabluft ausgesetzt werden oder sie können direkt aus einem separaten Einlass oder Verteiler gespeist werden. Der Kühlstrom kann in den Heißgasstrom aus mehreren beliebigen Auslässen in dem Verschlussband oder L-Profil austreten.
Zu beachten ist, dass die oben beschriebene Hinterende-Kühlanordnung mit oder ohne konventionelle Prall-Kühlhülsen verwendet werden kann, die zur Prallkühlung von Kanalbereichen stromauf des Hinterendes benutzt werden.
Während die Erfindung in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die gegenwärtig als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, wie sie in dem Geist und Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche enthalten sind.
Ein Übergangskanal für eine Gasturbine umfasst einen rohrförmigen Körper mit einem Vorderende und einem Hinterende, wobei das Hinterende von einer Rahmenkomponente umgeben ist; ein inneres Verschlussband innerhalb des Rahmens, das die Innenoberflächen der Oberseite, der Unterseite und der Seitenwände des Rahmens bedeckt, und eine Vielzahl Kühlkanäle zwi schen dem Rahmen und dem Verschlussband, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass hat, die jeweils an dem Vorder- bzw. Hinterende liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6769257 [0002]
- US 5414999 [0002]
- US 5724816 [0002]
- US 4652284 [0002]

Claims

Übergangskanal für eine Gasturbine: mit einem rohrförmigen Körper mit einem Vorderende und einem Hinterende, wobei das Hinterende von einer Rahmenkomponente umgeben ist; mit einem inneren Verschlussband innerhalb des Rahmens, das die Innenoberflächen der Oberseite, der Unterseite und der Seitenwandflächen des Rahmens bedeckt, und mit mehreren Kühlkanälen zwischen dem Rahmen und dem Verschlussband, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass hat, die jeweils an dem genannten Vorder- bzw. Hinterende liegen.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei das Verschlussband im Wesentlichen L-förmig ist und einen im Wesentlichen vertikalen Stegabschnitt aufweist, der an einer Hinterseite des Rahmens befestigt ist.
Übergangskanal nach Anspruch 2, wobei ein Vorderende des Verschlussbands an einer Hinterkante des Übergangskanals befestigt ist.
Übergangskanal nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl der Kühlkanäle in zumindest einer der folgenden Oberflächen ausgebildet ist: innere Oberseite, innere Unterseite und innere Seitenwände des Rahmens.
Übergangsteil nach Anspruch 2, wobei der im Wesentlichen vertikale Stegabschnitt mit Öffnungen ausgebildet ist, die mit der Vielzahl der Kühlkanäle fluchten.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Kühlkanäle einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Kühlkanäle mit Wärmeübergangsverbesserungsvorrichtungen versehen ist, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die umfasst: Turbulatoren, Lamellen, Vertiefungen (Näpfchen), Kreuzrillen sowie Rauten, zur Verbesserung des Wärmeübergangs.
Übergangskanal nach Anspruch 1, wobei auf der Oberseite, der Unterseite und den Seitenwänden des Rahmens jeweils einer oder mehrere der vielen Kühlkanäle vorgesehen sind.
Übergangskanal nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl der Kühlkanäle aus mehreren Rippen gebildet werden, die auf einer oder mehreren Außenoberflächen der Oberseite, Unterseite und der Seitenwände des Verschlussbands vorgesehen sind, wobei eine Wand jedes der vielen Kühlkanäle durch eine Wandinnenoberfläche des Rahmens gebildet wird.
Verfahren für die Zufuhr von Kühlluft zu einem Hinterende eines Gasturbinen-Übergangskanals, umfassend: die Ausbildung mehrerer Kühlkanäle zwischen einer Innenoberfläche des Hinterrahmens und einer Außenoberflä che eines Verschlussbands, das sich in dem Hinterrahmen befindet, und die Befestigung des Hinterrahmens und des Verschlussbands an einer Hinterkante des Übergangskanals.
Verfahren nach Anspruch 10, das die Ausbildung von an drei Seiten offenen Nuten in einer Innenoberfläche des Hinterrahmens sowie das Schließen einer vierten Seite durch das Verschlussband umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, das das Versehen der Außenoberfläche des Verschlussbands mit einer Vielzahl von Rippen zur Ausbildung dreiseitiger Kanäle sowie das Schließen einer vierten Seite dieser Kanäle durch die Innenoberfläche des Hinterrahmens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die an drei Seiten offenen Nuten an den Oberflächen der Oberseite, der Unterseite und der Seiten des Hinterrahmens ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, das die Ausbildung der mehreren offenen Kühlkanäle mit Wärmeübergangsvorrichtungen umfasst, die aus folgender Gruppe ausgewählt werden: Turbulatoren, Lamellen, Vertiefungen (Näpfchen), Kreuzrillen und Rauten.
Verfahren nach Anspruch 10, das die Bereitstellung mehrerer Kühlkanäle in einer Anordnung umfasst, die den Auslass des Übergangskanals umgibt.