DE102011057166A1

DE102011057166A1 - Brennkammerendabdeckung ohne Schweißung oder Hartlötung

Info

Publication number: DE102011057166A1
Application number: DE102011057166A
Authority: DE
Inventors: Donald Mark Bailey; Patrick Benedict MELTON; William Lawrence Byrne
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-12
Also published as: US20120174589A1; JP2012145323A; FR2970324A1

Abstract

Es ist eine Endabdeckungsanordnung in Kombination mit einer Gasturbinenbrennkammer zum Verschluss eines hinteren Endes einer Brennkammer geschaffen. Die Endabdeckungsanordnung enthält eine Endabdeckungsplatte 32, die an dem hinteren Ende der Brennkammer 10 gesichert werden kann, und einen Monolithblock 36, der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist. Die Endabdeckungsplatte ist ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert und enthält hindurchführende Brennstoffkanäle 34, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen zusammenzuwirken. Der Monolithblock enthält innere Brennstoffgasdurchgänge 38, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Gasturbinen und insbesondere eine Endabdeckungsanordnung zum Verschließen eines hinteren Endes einer Brennkammer.
Existierende Endabdeckungen zum Verschließen des hinteren Endes einer Brennkammer haben aufgrund der Komplexität der Endabdeckungskonstruktion Haltbarkeitsprobleme. Die Endabdeckung ist gewöhnlich aus einer dicken Platte ausgebildet, die mehrere Brennstoffgaskanäle zu Brennstoffdüsen des Brenners mit inneren Durchgängen führt. In einer typischen Konstruktion enthält die Endabdeckung geschweißte Platten, die eine innere Tasche für Brennstoffdurchgänge erzeugen, und/oder hartgelötete Einsätze, wie beispielsweise Brennstoffdurchflussadapter, um Brennstoffgas zu mehreren Durchgängen an den Düsen zu leiten. Zusätzlich zu den Langzeit-Haltbarkeitsproblemen ist die komplexe Gestaltung teuer bei der Herstellung.
Es wäre erwünscht, eine Endabdeckungsanordnung zu konstruieren, die eine Schweißung und/oder Hartlötung beseitigt, um die Haltbarkeitsprobleme zu reduzieren und die Konstruktion zu vereinfachen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform verschließt eine Endabdeckungsanordnung ein hinteres Ende einer Brennkammer. Die Endabdeckungsanordnung enthält eine Endabdeckungsplatte, die an dem hinteren Ende der Brennkammer gesichert werden kann, und einen Monolithblock, der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist. Die Endabdeckungsplatte ist ein einstückiges Element mit durch dies hindurchführenden Brennstoffkanälen, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen zusammenzuwirken. Der Monolithblock enthält innere Brennstoffgasdurchgänge, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält ein Gasturbinenbrenner ein Gehäuse mit einer Brennkammer, mehrere Brennstoffdüsen, die in dem Gehäuse benachbart zu der Brennkammer angeordnet sind, und die Endabdeckungsanordnung gemäß den beschriebenen Ausführungsformen, die an dem Gehäuse gesichert ist und ein hinteres Ende der Brennkammer verschließt.
In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform ist eine Endabdeckungsanordnung in Kombination mit einem Gasturbinenbrenner zum Verschließen eines hinteren Endes einer Brennkammer geschaffen. Die Endabdeckungsanordnung enthält eine Endabdeckungsplatte, die an dem hinteren Ende der Brennkammer gesichert werden kann, und einen Monolithblock, der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist. Die Endabdeckungsplatte ist ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert und enthält hindurchführende Brennstoffkanäle, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen zusammenzuwirken. Der Monolithblock enthält innere Brennstoffgasdurchgänge, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schnittansicht durch einen Gasturbinenbrenner;
2 zeigt eine Schnittansicht unter Veranschaulichung von Einzelheiten der Endabdeckungsanordnung;
3 zeigt eine alternative Schnittansicht der Endabdeckungsanordnung; und
4 zeigt eine Perspektivansicht der Endabdeckungsanordnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Verbrennungssystem einer Gasturbine erzeugt heiße Gase zum Antreiben einer Turbine. Die Turbine wiederum treibt einen Verdichter an, der Druckluft zur Verbrennung in dem Verbrennungssystem liefert. Die Turbine erzeugt ferner nutzbare Ausgangsleistung. Ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine kann als eine kreisförmige Anordnung von Brennkammern konfiguriert sein, die angeordnet sind, um Druckluft von dem Verdichter zu empfangen, Brennstoff in die Druckluft einzuspritzen, um eine Verbrennungsreaktion herbeizuführen, und heiße Verbrennungsgase für die Turbine zu erzeugen. 1 zeigt eine Schnittansicht einer zylindrischen Brennkammer 10. Die Anordnung ist in einem Gehäuse 12 untergebracht und enthält mehrere Brennstoffdüsen 14. In einer typischen Konstruktion umgeben mehrere äußere Brennstoffdüsen (z. B. fünf äußere Brennstoffdüsen) eine mittlere Brennstoffdüse. Eine Verbrennungszone 16 stromabwärts von den Brennstoffdüsen 14 ist innerhalb einer Brennkammerauskleidung 18 vorgesehen, und eine Strömungshülse 20 ist die Auskleidung 18 umgebend und radial von dieser beabstandet vorgesehen. Die Verbrennungsprodukte werden zu der Turbine über einen Gasübergangskanal 22 geleitet.
Wie bemerkt, ist in einer typischen Konstruktion eine Endabdeckungsplattenanordnung an dem vorderen Gehäuse angeschraubt, und sie enthält den Druck und die Strömung an dem vordersten Ende der Brenneranordnung. Die Endabdeckungsanordnung der beschriebenen Ausführungsformen ist gegenüber der herkömmlichen geschweißten und/oder gelöteten Anordnung zu einer angeschraubten Anordnung mit zwei Komponenten modifiziert.
Unter Bezugnahme auf die 1–4 ist die Endabdeckungsanordnung 30 an dem Gehäuse 12 gesichert, um das hintere Ende der Brennkammer zu verschließen. Die Endabdeckungsanordnung 30 enthält eine Endabdeckungsplatte 32, die an dem hinteren Ende der Brennkammer gesichert ist. Die Brennstoffdüsen 14 sind auf der heißen Seite (Innenseite) der Endabdeckungsplatte 32 angeschraubt. Die Endabdeckungsplatte 32 ist ein einstückiges Element und enthält Brennstoffkanäle 34 in sich, die bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen der mehreren Brennstoffdüsen 14 zusammenzuwirken.
Ein Monolithblock 36 ist an der Endabdeckungsplatte 32 gesichert. Der Monolithblock 36 ist in einer Mitte der Endabdeckungsplatte 32 auf der kalten Seite (Außenseite) der Abdeckung angeschraubt. Der Monolithblock 36 verwendet innere Strömungsdurchgänge 38, um mehrere Gaseinlassanschlüsse zu den jeweiligen Brennstoffdüsenanschlüssen zu transferieren. Das heißt, die Brennstoffgasdurchgänge 38 sind relativ zu den Brennstoffkanälen 34 in der Endabdeckungsplatte 32 positioniert, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen 34 der Endabdeckungsplatte 32 zu übermitteln, die wiederum mit den Brennstoffdüsen verbunden sind.
In einer bevorzugten Konstruktion enthält der Monolithblock drei Brennstoffgaseinlässe 40, 42, 44, die mit jeweiligen einzelnen der Brennstoffdüseneinlassanschlüsse strömungsmäßig verbunden sind. Wenn die Brennkammer fünf äußere Brennstoffdüsen enthält, die eine mittlere Brennstoffdüse umgeben, kann ein erster 40 der drei Brennstoffgaseinlässe mit der mittleren Düse verbunden sein, während ein zweiter 42 der drei Brennstoffgaseinlässe mit zwei der fünf äußeren Düsen verbunden sein kann und ein dritter 44 der drei Brennstoffgaseinlässe mit den restlichen drei der fünf äußeren Düsen verbunden sein kann. Wie veranschaulicht, können die drei Brennstoffgaseinlässe 40, 42, 44 zueinander versetzt sein, um eine Einbringung des Brennstoffgases bei unterschiedlichen Lastbedingungen zu ermöglichen. Das heißt, die drei Vormischbrennstoffeinlassanschlüsse 40, 42, 44 ermöglichen dem Gasbrennstoff, für unterschiedliche Betriebsmodi dosiert zu werden.
Der erste Einlass 40 wird generell beim Start verwendet, wenn die Maschine kalt ist. Der zweite Einlass 42 wird für eine Lastbedingung von 40–60% und während des Starts verwendet. Die Brennstoffdüsen des zweiten Einlasses 42 sind radial ausgerichtet, und die Verbrennungszonen des zweiten Einlasses 42 werden unter Verwendung von Überschlagsrohren von einen Rohr zum nächsten übertragen um sicherzustellen, dass sämtliche Verbrennungsrohre gefeuert werden. Der dritte Einlass 44 wird für grob 50–80%-ige Lastbedingungen verwendet. Ein Betreiben des zweiten und des dritten Einlasses 42, 44 in Kombination miteinander wird für grob 80% bis zur Volllast mit der Option, den ersten Einlass 40 für zusätzliche Leistung hinzuzunehmen, verwendet.
Unterschiedliche Brennstoffmischungen und Brennstoffraten bei den drei Einlassanschlüssen 40, 42, 44 werden dazu verwendet, Betriebsbedingungen anzupassen, um Teillasten, Einlassluftbedingungen an kalten oder heißen Tagen, etc. zu berücksichtigen. Es ist zu beachten, dass alternativ zusätzliche Vormischanschlüsse zu dem Monolithblock 36 hinzugefügt werden könnten und/oder der Monolithblock 36 in Verbindung mit herkömmlichen Endabdeckungsanordnungen verwendet werden könnte, um zur Brennstoffanschlussflexibilität beizutragen. Die Erfindung sollte nicht auf nur drei Vormischbrennstoffanschlüsse beschränkt werden, da weitere Vormischanschlüsse möglich sind.
Wie in 3 veranschaulicht, kann die Endabdeckungsanordnung zusätzlich Verbindungsstellendichtungen 46 zwischen der Endabdeckungsplatte 32 und dem Monolithblock 36 enthalten. Die Verbindungsstellendichtungen 46 ergeben ein Verfahren zur Abdichtung der Vormischbrennstoffverbindung zwischen dem Monolithblock 36 und der Endabdeckungsplatte 32. Es kann möglich sein, eine Monolithkonstruktion mit einem hinreichenden Metall-Metall-Verbindungsflächenkontakt zu entwickeln, um die Notwendigkeit einer zweckbestimmten Dichtung an der Verbindungsstelle überflüssig zu machen. Alternativ könnte eine Dichtung nach Art einer Flanschdichtung über dem gesamten Verbindungsbereich zwischen dem Monolithblock und der Endabdeckungsplatte verwendet werden.
Durch Verwendung der Endabdeckungsplatte 32 und des Monolithblocks 36 zur Bildung der Endabdeckungsanordnung 10 kann die Endabdeckungsplatte 32 ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und/oder ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert sein. Die resultierende vereinfachte Konstruktion reduziert Herstellungskosten und verbessert die langfristige Haltbarkeit.
Während die Erfindung in Verbindung mit den, die derzeit als die praktikabelsten und bevorzugten Ausführungsformen angesehen werden, beschrieben ist, ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern im Gegensatz verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem Rahmen und Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, mit umfassen soll.
Es ist eine Endabdeckungsanordnung in Kombination mit einer Gasturbinenbrennkammer zum Verschluss eines hinteren Endes einer Brennkammer geschaffen. Die Endabdeckungsanordnung enthält eine Endabdeckungsplatte 32, die an dem hinteren Ende der Brennkammer 10 gesichert werden kann, und einen Monolithblock 36, der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist. Die Endabdeckungsplatte ist ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert und enthält hindurchführende Brennstoffkanäle 34, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen zusammenzuwirken. Der Monolithblock enthält innere Brennstoffgasdurchgänge 38, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.
Bezugszeichenliste

10: zylindrische Brennkammer
12: Gehäuse
14: Brennstoffdüsen
16: Verbrennungszone
18: Brennkammerauskleidung
20: Strömungshülse
22: Gasübergangskanal
30: Endabdeckungsanordnung
32: Endabdeckungsplatte
34: Brennstoffkanäle
36: Monolithblock
38: innere Strömungsdurchgänge
40, 42, 44: Brennstoffgaseinlässe
46: Verbindungsstellendichtungen

Claims

Endabdeckungsanordnung zum Verschluss eines hinteren Endes einer Brennkammer, wobei die Endabdeckungsanordnung aufweist: eine Endabdeckungsplatte (32), die an dem hinteren Ende der Brennkammer (10) gesichert werden kann, wobei die Endabdeckungsplatte ein einstückiges Element mit durch diese hindurchführenden Brennstoffkanälen (34) ist, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen zusammenzuwirken; und einen Monolithblock (36), der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist, wobei der Monolithblock innere Brennstoffgasdurchgänge (38) aufweist, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Monolithblock (36) drei Brennstoffgaseinlässe (40, 42, 44) aufweist, die mit jeweiligen einzelnen der Brennstoffdüseneinlassanschlüsse strömungsmäßig verbindbar sind.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Brennkammer (10) fünf äußere Düsen enthält, die eine mittlere Düse umgeben, und wobei ein erster (40) der drei Brennstoffgaseinlässe positioniert ist, um mit der mittleren Düse verbindbar zu sein, ein zweiter (42) der drei Brennstoffgaseinlässe positioniert ist, um mit zwei der fünf äußeren Düsen verbindbar zu sein, und ein dritter (44) der drei Brennstoffgaseinlässe positioniert ist, um mit drei der fünf äußeren Düsen verbindbar zu sein.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die drei Brennstoffgaseinlässe (40, 42, 44) zueinander versetzt sind, um eine Einbringung des Brennstoffgases bei unterschiedlichen Lastbedingungen zu ermöglichen.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 1, die ferner Verbindungsstellendichtungen (46) zwischen der Endabdeckungsplatte (32) und dem Monolithblock (36) aufweist.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Endabdeckungsplatte (32) ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert ist.
Gasturbinenbrenner, der aufweist: ein Gehäuse (12), der eine Brennkammer (10) enthält; mehrere Brennstoffdüsen (14), die in dem Gehäuse benachbart zu der Brennkammer angeordnet sind; und eine Endabdeckungsanordnung (30), die an dem Gehäuse gesichert ist und ein hinteres Ende der Brennkammer verschließt, wobei die Endabdeckung enthält: eine Endabdeckungsplatte (32), die an dem hinteren Ende der Brennkammer gesichert ist, wobei die Endabdeckungsplatte ein einstückiges Element mit durch diese hindurchführenden Brennstoffkanälen (34) ist, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen der mehreren Brennstoffdüsen zusammenzuwirken, und einen Monolithblock (36), der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist, wobei der Monolithblock innere Brennstoffgasdurchgänge (40, 42, 44) aufweist, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 7, wobei der Monolithblock (36) drei Brennstoffgaseinlässe (40, 42, 44) aufweist, die mit jeweiligen einzelnen der Brenndüseneinlassanschlüsse strömungsmäßig verbunden sind.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8, wobei die Brennkammer (10) fünf äußere Düsen enthält, die eine mittlere Düse umgeben, und wobei ein erster (40) der drei Brennstoffgaseinlässe mit der mittleren Düse verbunden ist, ein zweiter (42) der drei Brennstoffgaseinlässe mit zwei der fünf äußeren Düsen verbunden ist und ein dritter (44) der drei Brennstoffgaseinlässe mit drei der fünf äußeren Düsen verbunden ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8, wobei die drei Brennstoffgaseinlässe (40, 42, 44) zueinander versetzt sind, um eine Anwendung des Brennstoffgases unter unterschiedlichen Lastbedingungen zu ermöglichen.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 7, wobei die Endabdeckungsanordnung (30) ferner Verbindungsstellendichtungen (46) zwischen der Endabdeckungsplatte (32) und dem Monolithblock (36) aufweist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 7, wobei die Endabdeckungsplatte (32) ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert ist.
Endabdeckungsanordnung in Kombination mit einem Gasturbinenbrenner zum Verschluss eines hinteren Endes einer Brennkammer, wobei die Endabdeckung aufweist: eine Endabdeckungsplatte (32), die an dem hinteren Ende der Brennkammer (10) gesichert werden kann, wobei die Endabdeckungsplatte ohne geschweißte Gasdurchgangsplatten und ohne gelötete Durchflusskanaleinsätze konstruiert ist und durch diese hindurchführende Brennstoffkanäle (34) enthält, wobei die Brennstoffkanäle bemessen und positioniert sind, um mit Brennstoffdüseneinlassanschlüssen zusammenzuwirken; und einen Monolithblock (36), der an der Endabdeckungsplatte gesichert ist, wobei der Monolithblock innere Brennstoffgasdurchgänge (38) aufweist, die relativ zu den Brennstoffkanälen in der Endabdeckungsplatte positioniert sind, um Brennstoffgas zu den Brennstoffkanälen der Endabdeckungsplatte zu übermitteln.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 13, wobei der Monolithblock (36) mehrere Brennstoffgaseinlässe (40, 42, 44) aufweist, die mit jeweiligen einzelnen der Brennstoffdüseneinlassanschlüsse strömungsmäßig verbindbar sind.
Endabdeckungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die mehreren Brennstoffgaseinlässe (40, 42, 44) zueinander versetzt sind, um eine Anwendung von Brennstoffgas unter unterschiedlichen Lastbedingungen zu ermöglichen.