-
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Turbinengehäuse und zumindest einer Brennkammer, die über ein Mischrohr und ein Verbindungsrohr strömungstechnisch an das Turbinengehäuse angeschlossen ist, wobei das Mischrohr eine mit einer hitzefesten Auskleidung versehene metallische Umfangswand aufweist, in der zumindest eine Einsetzöffnung ausgebildet ist, in die ein an der Umfangswand befestigter und eine den Innenraum des Mischrohrs mit der Umgebung verbindende Mischluftöffnung definierender Rahmen eingesetzt ist.
-
Derartige Gasturbinenanlagen sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt und dienen dem Wandeln thermischer in elektrische Energie. In der Brennkammer wird ein mit verdichteter Luft vermischter Brennstoff entzündet, woraufhin das entstehende Heißgas durch das Mischrohr und das Verbindungsrohr in das Turbinengehäuse eingeleitet wird. Innerhalb des Turbinengehäuses wird das Heißgas zur Turbine geführt, wo es sich entspannt und die Welle in Rotation versetzt. Der Turbine vorgelagert ist ein Verdichter, der Luft aus der Umgebung ansaugt und verdichtet. Ein Teil der verdichteten Luft wird der Brennkammer zugeführt, während der verbleibende Teil der verdichteten Luft zu Kühlungszwecken dient.
-
Die Umfangswand des Mischrohrs ist aufgrund der hohen Heißgastemperaturen an seiner Innenseite mit einer hitzefesten Auskleidung versehen. Als hitzefeste Auskleidung können beispielsweise besonders temperaturresistente keramische Steine (Schamottesteine) verwendet werden. In der Umfangswand des Mischrohrs sind entlang des Umfangs meist mehrere Einsetzöffnungen ausgebildet, in die jeweils ein an die Umfangswand geschweißter Rahmen eingesetzt ist, der eine den Innenraum des Mischrohrs mit der Umgebung verbindende Mischluftöffnung definiert. Durch die Mischluftöffnung kann dem durch das Mischrohr strömenden Heißgas Umgebungsluft beigemischt werden, was einer Senkung der CO- bzw. NOx-Emission der Gasturbinenanlage zuträglich ist.
-
Die Rahmen sind wegen des durch das Mischrohr strömenden Heißgases einem sehr starken Verschleiß ausgesetzt, so dass sie bei der Wartung der Gasturbinenanlage regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Zum Austausch eines Rahmens müssen zunächst Schweißnähte zwischen dem Rahmen und der Umfangswand des Mischrohrs zerstört werden, woraufhin der Rahmen demontiert werden kann. Anschließend muss ein neuer Rahmen in die Einsetzöffnung eingesetzt und mit der Umfangswand verschweißt werden. Wenn zum Einstellen des Querschnitts einer Mischluftöffnung an der Außenseite der Umfangswand eine Schließvorrichtung vorgesehen ist, um den durch die Mischluftöffnung in den Innenraum des Mischrohrs eintretenden Umgebungsluftstrom einstellen zu können, was regelmäßig der Fall ist, muss diese vor dem Austausch eines Rahmens ebenfalls demontiert werden. Im Ergebnis sind Aufwand und Kosten für den Austausch eines Rahmens entsprechend hoch.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen ausgehend von dem Innenraum des Mischrohrs in die Einsetzöffnung eingesetzt und über zerstörungsfrei lösbare Befestigungselemente mit der Umfangswand verbunden ist. Dank dieser Ausgestaltung lässt sich der Rahmen ohne großen Aufwand ausgehend von dem Innenraum des Mischrohrs demontieren und durch einen neuen Rahmen ersetzen, der wiederum problemlos ausgehend von dem Innenraum des Mischrohrs montiert werden kann. Wenn an der Außenseite des Mischrohrs eine Schließvorrichtung vorgesehen ist, besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung darin, dass diese zum Austausch eines Rahmens nicht demontiert werden muss, was mit einer erheblichen Zeitersparnis einhergeht.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage besitzt die wenigstens eine Mischluftöffnung eine rechteckige Form. Rechteckige Rahmen können einfach hergestellt werden, und rechteckige Einsetzöffnungen für den Rahmen lassen sich auch nachträglich im Rahmen eines Service-Upgrades einfach in die Umfangswand eines Mischrohrs einbringen, um die CO- bzw. NOx-Emission der Gasturbinenanlage zu verbessern.
-
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage sind eine Mehrzahl von Mischluftöffnungen in Umfangsrichtung des Mischrohrs benachbart zueinander angeordnet, insbesondere genau sechs Mischluftöffnungen. Eine Mehrzahl von Mischluftöffnungen führt zu einer über den Umfang des Mischrohrs gleichmäßigen Einleitung von Umgebungsluft in den Innenraum des Mischrohrs, was einer guten Durchmischung des durch das Mischrohr geleiteten Heißgases mit der Umgebungsluft zuträglich ist.
-
Vorteilhaft ist an dem Rahmen wenigstens ein Flanschbereich vorgesehen, der auswärts von dem Rahmen abragt und sich parallel zu der Innenseite der Umfangswand des Mischrohrs erstreckt. Ein solcher Flanschbereich lässt sich einfach mit Befestigungselementen an der Umfangswand des Mischrohrs festlegen.
-
Bevorzugt weist der wenigstens eine Flanschbereich wenigstens ein Loch auf, das von einem Befestigungselement durchgriffen ist. Das Loch kann in dem Flanschbereich beispielsweise als Bohrung vorgesehen sein, die von einem Befestigungselement durchgriffen ist.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ist an dem Rahmen eine Mehrzahl von Flanschbereichen vorgesehen, insbesondere zwei Flanschbereiche, die in Umfangsrichtung des Mischrohrs gegenüberliegend an dem Rahmen angeordnet sind. Zwei gegenüberliegend angeordnete Flanschbereiche reichen grundsätzlich aus, um den Rahmen sicher an der Umfangswand zu fixieren.
-
Bevorzugt sind Schrauben als Befestigungselemente vorgesehen, was mit einem preiswerten Aufbau einhergeht. Wenn das Loch an seiner Innenseite kegelförmig aufgeweitet ist, lassen sich insbesondere Senkkopfschrauben verwenden, wodurch auf der Innenseite des Flanschbereiches ein Vorstehen der Schraubenköpfe vermieden wird.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zum Aufnehmen der Schrauben eine entsprechende Anzahl von Muttern an der Innenseite der Umfangswand des Mischrohrs befestigt, wobei die Muttern insbesondere an die Umfangswand geschweißt sind. Die Muttern stellen das für eine Schraubverbindung erforderliche Innengewinde bereit und lassen sich durch Schweißen einfach an der Innenseite der Umfangwand des Mischrohrs benachbart zu einer Einsetzöffnung befestigen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an dem Rahmen wenigstens ein Steg vorgesehen, der von der Außenseite des Rahmens auswärts abragt und dessen freies Ende derart korrespondierend mit einem benachbart angeordneten Rand der Einsetzöffnung ausgebildet ist, dass er mit diesem formschlüssig in Eingriff ist. Durch einen solchen Steg lässt sich ein guter Anschluss des Rahmens an den benachbart angeordneten Rand der Einsetzöffnung realisieren. Der Steg kann senkrecht und mittig von der Außenseite des Rahmens abragen. Aber auch abweichende Anordnungen und Ausrichtungen des Stegs sind möglich.
-
Bevorzugt sind der Steg und der benachbart angeordnete Rand der Einsetzöffnung jeweils derart ausgeformt, dass der Steg und die Innenfläche der Umfangswand des Mischrohrs bündig miteinander abschließen. Dies erleichtert das Einsetzen einer hitzefesten Auskleidung nach dem Fixieren des Rahmens in der Einsetzöffnung.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen der wenigstens eine Steg und der benachbart angeordnete Rand der Einsetzöffnung korrespondierende Anlageflächen auf, die sich quer zu der radialen Richtung erstrecken, wobei die Anlageflächen insbesondere stufenförmig ausgebildet sind. Derartige Anlageflächen ermöglichen eine definierte und dichtende Verbindung zwischen der Einsetzöffnung und dem Rahmen.
-
Vorteilhaft ist der Steg zumindest teilweise von der hitzefesten Auskleidung bedeckt, insbesondere im Bereich der Anlageflächen. Dies schützt den Steg vor hitzebedingtem Verschleiß und sorgt vor allem auch für einen Schutz der Anlageflächen. Zudem wird einer unerwünschten korrosiven Verbindung der Anlageflächen vorgebeugt, was eine einfache Demontage des Rahmens gewährleistet.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an dem Rahmen eine Mehrzahl von Stegen angeordnet, insbesondere zwei in Axialrichtung des Mischrohrs gegenüberliegend angeordnete Stege. Gegenüberliegend angeordnete Stege gewährleisten ein sicheres Einsetzen des Rahmens und ein stabiles Verbleiben des Rahmens in der eingesetzten Position.
-
Vorteilhaft ist an dem Mischrohr eine Schließvorrichtung vorgesehen, die der wenigstens einen Mischluftöffnung oder der Mehrzahl von Mischluftöffnungen gemeinsam zugeordnet ist, um deren Querschnitt variabel zu verschließen, wobei die Schließvorrichtung eine Abdeckung umfasst, die in einer an der Außenseite der Umfangswand des Mischrohrs vorgesehenen Führung verschiebbar gehalten ist. Durch Verschieben der Abdeckung lässt sich der Querschnitt der Mischluftöffnungen stufenlos verändern, um einen gewünschten Umgebungsluftstrom einzustellen. Dabei kann die Verschiebung entweder in Umfangsrichtung oder in axialer Richtung des Mischrohrs erfolgen.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage sind an dem Rahmen Klemmbleche vorgesehen, die an einer Außenseite des Rahmens angeordnet und derart ausgebildet sind, dass sie die hitzefeste Auskleidung hintergreifen. Die Klemmbleche unterstützen die Positionierung und Befestigung der hitzefesten Auskleidung, sobald der Rahmen eingesetzt ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
-
1 eine schematische Draufsicht einer Gasturbinenanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine schematische Seitenansicht der in 1 dargestellten Gasturbinenanlage;
-
3 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines in 2 mit dem Bezugszeichen III bezeichneten Ausschnitts, der ein Mischrohr zeigt;
-
4 eine vergrößerte Ansicht eines in 3 mit dem Bezugszeichen IV bezeichneten Ausschnitts, der das Mischrohr im Bereich einer mit einem Rahmen versehenen Mischluftöffnung zeigt;
-
5 eine vergrößerte Ansicht eines in 4 mit dem Bezugszeichen V bezeichneten Ausschnitts, der einen Steg des Rahmens zeigt; und
-
6 eine Draufsicht eines Querschnitts entlang der in 5 mit dem Bezugszeichen IV bezeichneten Linie, der einen Flanschbereich des Rahmens zeigt.
-
Die 1 bis 6 zeigen eine Gasturbinenanlage 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. Komponenten derselben. Die Gasturbinenanlage 1 umfasst ein Turbinengehäuse 2 und zwei außerhalb des Turbinengehäuses 2 angeordnete Brennkammern 3, die jeweils über ein Mischrohr 4 und ein Verbindungsrohr 5 strömungstechnisch an das Turbinengehäuse 2 angeschlossen sind. Innerhalb des Turbinengehäuses 2 ist eine Welle 6 angeordnet, die einen Verdichter 7 und eine Turbine 8 durchsetzt, wobei in 1 an dem Turbinengehäuse 2 gehaltene Leitschaufeln 9 und an der Welle 6 gehaltene Laufschaufeln 10 angedeutet sind.
-
Das Mischrohr 4 umfasst eine mit einer hitzefesten Auskleidung 11 aus feuerfesten Schamottesteinen versehene metallische Umfangswand 12, in der vorliegend sechs rechteckige Einsetzöffnungen 13 ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung auf gleicher Höhe und gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind. In die Einsetzöffnungen 13 ist jeweils ein an der Umfangswand 12 befestigter und eine den Innenraum des Mischrohrs 4 mit der Umgebung verbindende Mischluftöffnung 14 definierender Rahmen 15 eingesetzt. An jedem Rahmen 15 sind zwei Flanschbereiche 16 vorgesehen, die an in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 15 angeordnet sind und auswärts von diesem abragen. Jeder Flanschbereich 16 weist ein oder mehrere Löcher 17 auf, die jeweils von einer als Befestigungselement dienenden Schraube 18 durchgriffen werden. Jede Schraube 18 ist von einer Mutter 19 aufgenommen, die an der Innenseite der Umfangswand 12 des Mischrohrs 4 angeschweißt ist. An den beiden in axialer Richtung des Mischrohrs 4 gegenüber liegenden Seiten des Rahmens 15 sind zwei Stege 20 angeordnet, die von der Außenseite des Rahmens 15 mittig auswärts abragen und deren freie Enden 21 derart korrespondierend mit benachbart angeordneten Rändern 22 der Einsetzöffnung 13 ausgebildet sind, dass sie mit diesen formschlüssig in Eingriff sind, wobei die Stege 20 in einem Überlappungsbereich von innen über die Ränder 22 greifen. Dabei sind die Stege 20 und die zugeordneten Ränder 22 der entsprechenden Einsetzöffnung 13 jeweils derart ausgeformt, dass die Stege 20 und die Innenfläche der Umfangswand 12 des Mischrohrs 4 bündig miteinander abschließen. Der formschlüssige Eingriff der Stege 20 mit den Rändern 22 der entsprechenden Einsetzöffnungen 13 wird durch korrespondierende Anlageflächen 23 bewirkt, die sich quer zu der radialen Richtung des Mischrohrs 4 erstrecken, wobei die Anlageflächen 23 insbesondere stufenförmig ausgebildet sind. Die Stege 20 sind von der hitzefesten Auskleidung 11 vollständig bedeckt, wodurch auch die Anlageflächen 23 durch die hitzefeste Auskleidung 11 geschützt sind. An den in Umfangsrichtung des Mischrohrs 4 gegenüberliegenden Seiten jedes Rahmens 15 sind Klemmbleche 24 vorgesehen, die dazu ausgebildet sind, die hitzefeste Auskleidung 11 zu hintergreifen.
-
An der Außenseite des Mischrohrs 4 ist eine Schließvorrichtung 25 vorgesehen, die den sechs Mischluftöffnungen 14 gemeinsam zugeordnet ist, um deren Querschnitt stufenlos variabel zu verändern. Alternativ können auch mehrere voneinander unabhängige Schließvorrichtungen vorgesehen sein. Die gemeinsame Schließvorrichtung 25 umfasst eine in Umfangsrichtung des Mischrohrs 4 verschiebbare ringförmige Abdeckung 26, die mit Aussparungen 27 versehen ist, deren Größe und Position im Wesentlichen der Größe und Position der einzelnen Mischluftöffnungen 14 entsprechen. An der Abdeckung 26 sind Laufräder 28 gehalten, die in eine an der Außenseite der Umfangswand 12 befestigte Führung 29 greifen.
-
Während des Betriebs der Gasturbinenanlage 1 wird ein Gemisch aus Brennstoff und von dem Verdichter 7 zur Verfügung gestellter verdichteter Luft in den Brennkammern 3 verbrannt, woraufhin das erzeugte Heißgas über die Mischrohre 4 und die Verbindungsrohre 5 in das Turbinengehäuse 2 eingeleitet werden. Innerhalb des Turbinengehäuses 2 entspannt sich das Heißgas in der Turbine 8 und treibt dabei die Welle 6 an.
-
Zur Senkung der Temperatur des das Mischrohr 4 durchströmenden Heißgases wird dem Innenraum des Mischrohrs 4 über die Mischluftöffnungen 14 Umgebungsluft zugeführt, die sich mit dem Heißgas vermischt. Dabei lässt sich die Menge der zugeführten Umgebungsluft durch entsprechende Betätigung der Schließvorrichtung 25 stufenlos derart einstellen, dass das Heißgas um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz abgekühlt wird. Auf diese Weise wird das Emissionsverhalten der Gasturbinenanlage 1 verbessert.
-
Wenn das Heißgas aus der Brennkammer 3 durch das Mischrohr 4 strömt, passiert es die Rahmen 15, weshalb diese einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind und in regelmäßigen Zeitintervallen ausgetauscht werden müssen.
-
Zum Austauschen eines Rahmens 15 wird zunächst der Teil der hitzefesten Auskleidung 11 entfernt, der die Flanschbereiche 16 und die Stege 20 des Rahmens 15 bedeckt. Dann werden die Schrauben 18 gelöst, woraufhin der Rahmen 15 ausgehend vom Innenraum des Mischrohrs 4 von der Umfangswand 12 entfernt werden kann. Anschließend wird ebenfalls ausgehend vom Innenraum des Mischrohrs 4 ein neuer Rahmen 15 in die Einsetzöffnung 13 eingesetzt und mit der Umfangswand 12 verschraubt. Abschließend wird der entfernte Teil der hitzefesten Auskleidung 11 wieder derart an der Innenseite der Umfangswand 12 montiert, dass er die Flanschbereiche 16 und die Stege 20 des Rahmens 15 bedeckt.
-
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage 1 besteht darin, dass zwischen dem Rahmen 15 und der Umfangswand 12 des Mischrohrs 4 eine wartungsfreundliche Schraubverbindung statt einer Schweißverbindung vorgesehen ist. Dies ermöglicht insbesondere den Ein- und Ausbau des Rahmens 15 ohne vorherige Demontage der Brennkammer 3 und/oder der Schließvorrichtung 25, da das Austauschen des Rahmens 15 ausgehend von dem Innenraum des Mischrohrs 4 erfolgt. Insbesondere lassen sich auch Mischrohre 4 im Rahmen eines Service Upgrades nachträglich mit Mischluftöffnungen 14 versehen, um beispielsweise durch Absenken der Temperatur in dem Mischrohr 4 eine Verbesserung der CO- und NOx-Emission der Gasturbinenanlage 1 zu erreichen.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
