DE102019204544A1

DE102019204544A1 - Rohrbrennkammersystem und Gasturbinenanlage mit einem solchen Rohrbrennkammersystem

Info

Publication number: DE102019204544A1
Application number: DE102019204544.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gralki; Claus Krusch; Daniel Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-01
Also published as: EP3921577A1; WO2020200609A1; US20220186928A1; EP3921577B1; US11852344B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rohrbrennkammersystem (1) für eine Gasturbinenanlage (3) mit mehreren ringförmig angeordneten Übergangsleitungen (4), die dazu ausgelegt sind, mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner (10) angeschlossen zu werden und durch die Brenner (10) erzeugtes Heißgas zu einer Turbine (2) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbrennkammersystem (1) einen zum Anschließen an die Turbine (2) ausgelegten Heißgasverteiler (5) aufweist, der einen zur Turbine (2) offenen Ringkanal (6) definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergangsleitungen (4) münden. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbinenanlage (3) mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, einer Turbine (2) und einem erfindungsgemäßen Rohrbrennkammersystem (1), das die Brenner mit der Turbine (2) verbindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rohrbrennkammersystem für eine Gasturbinenanlage mit mehreren ringförmig angeordneten Übergangsleitungen, die dazu ausgelegt sind, mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner angeschlossen zu werden und durch die Brenner erzeugtes Heißgas zu einer Turbine zu leiten. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, einer Turbine und einem Rohrbrennkammersystem der zuvor beschriebenen Art, das die Brenner mit der Turbine verbindet.
Rohrbrennkammersysteme der eingangs genannten Art werden in Gasturbinenanlagen dazu eingesetzt, Heißgas von den Brennern zum Turbineneintritt zu leiten. Hierzu umfassen sie als Rohrleitungen ausgebildete Übergangsleitungen, die in Fachkreisen auch als „Transitions“ bezeichnet werden. Die Übergangsleitungen sind während des Betriebs der Gasturbinenanlage thermisch hoch beansprucht. Entsprechend sind sie aus hochtemperaturbeständigen Materialen hergestellt. Üblicherweise sind sie aus dünnwandigen Nickelbasiswerkstoffen mit innenliegenden Kühlkanälen und einem inneren Schichtsystem zur Wärmedämmung (TBC + MCrAlY) gefertigt. Im Bereich der Schnittstelle zum Turbineneintritt sind Dichtungssysteme vorgesehen, um die Leckage von verdichteter Luft in das Verbrennungssystem zu reduzieren und Relativbewegungen zwischen dem Rohrbrennkammersystem und der Turbine sowie zwischen den einzelnen Übergangsleitungen zu erlauben. Aufgrund der Ausführung der Dichtungssysteme und der mechanischen Freiheitsgrade der Schnittstelle zwischen den Übergangsleitungen und der Turbine unterliegen zum einen die seitlichen Dichtungen einem starken Abrasionsverschleiß. Zum anderen verschleißen auch die Übergangsleitungen und deren inneres Schichtsystem aufgrund der hohen thermischen Belastung vornehmlich im Austrittsbereich infolge Schichtalterung und Dichtnutverschleiß. Hinzu kommt, dass die Anströmung der Turbine aufgrund des umfänglich nicht kontinuierlichen Einströmquerschnitts an der Schnittstelle zwischen den Übergangsleitungen und der Turbine systembedingt nicht gleichmäßig erfolgt. Die ungleichmäßige Anströmung infolge der Abschattung durch die seitlichen Wände und Dichtungen des Austrittsbereichs der Übergangsleitungen bewirkt hochfrequente Temperatur- und Geschwindigkeitsänderungen mit negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Turbinenschaufeln.
Die Lebensdauer der Übergangsleitungen wird durch das Schichtsystem und die Dichtungen zur Turbine begrenzt. Die Fertigung der innenliegenden Kühlkanäle erfolgt durch Fügen mehrerer Bleche und ist entsprechend mit sehr hohem Aufwand verbunden. Eine additive Fertigung scheidet bislang aufgrund der Größen- bzw. Volumengrenzen verfügbarer 3D-Drucker aus. Im Rahmen der Wiederaufbereitung ist es regelmäßig erforderlich, insbesondere den Austrittsbereich der Übergangsleitungen abzutrennen und zu erneuern. Die Wiederaufbereitung umfasst ferner das Entschichten des kompletten Schichtsystems und das Wiederbeschichten. Die Kosten dieser aufwändigen Aufbereitung liegen damit nahe an den Neuteilkosten.
Die Lebenszykluskosten neuer oder bestehender Gasturbinenanlagen werden vorrangig durch die Lebensdauern und Wartungsintervalle der Heißgaskomponenten bestimmt. Bezüglich des Verbrennungssystems werden für neue Gasturbinenanlagen erheblich längere Wartungsintervalle bei gleichzeitig erhöhter thermischer Beanspruchung gefordert. Im Ergebnis sind konstruktive Lösungen gefragt, welche die Schwachstellen aktueller Designs beseitigen oder zumindest deutlich verbessern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Rohrbrennkammersystem der eingangs genannten Art mit verbessertem Design zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Rohrbrennkammersystem der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses einen zum Anschließen an die Turbine ausgelegten Heißgasverteiler aufweist, der einen zur Turbine offenen Ringkanal definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergansleitungen münden. Ein solcher zusätzlicher Heißgasverteiler zwischen den Übergangsleitungen und dem Turbineneintritt führt zu einer sehr gleichmäßigen Anströmung der Turbine, wodurch hochfrequente Temperatur- und Geschwindigkeitsänderungen deutlich reduziert werden. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Lebensdauer der Turbinenschaufeln aus.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Übergangsleitungen und der Heißgasverteiler aus Metall hergestellt und innen mit einer feuerfesten Auskleidung versehen, insbesondere mit einer keramischen Auskleidung. Dank einer solchen Auskleidung wird die thermische Beanspruchung der metallischen Komponenten, also des Heißgasverteilers und der Übergangsleitungen, signifikant reduziert. Die damit verbundenen geringeren Dehnungsunterschiede im Bereich der Dichtungen zur Turbine und der Dichtungen zwischen den Übergangsleitungen führen zu einem geringeren Verschleiß in diesem Bereich und ermöglichen solidere Fügekonzepte zwischen dem Rohrbrennkammersystem und der Turbine. Darüber hinaus zieht die feuerfeste Auskleidung geringere Hochtemperaturanforderungen an die Werkstoffe der metallischen Komponenten nach sich, wodurch Kosten eingespart werden können. Zudem können die Übergangsleitungen dank der Auskleidung ohne inneres Schichtsystem ausgeführt werden, wodurch der Aufwand für die Instandsetzung und die Wiederaufbereitung deutlich reduziert wird, da ein Entschichten und ein Wiederbeschichten der Übergangsleitungen entfällt. Durch den Einsatz einer feuerfesten Auskleidung verringert sich ferner der Kühlbedarf der metallischen Komponenten des Rohrbrennkammersystems. Im Vergleich zu Rohrbrennkammersystemen ohne keramische Auskleidung kann der Kühlluftbedarf nach derzeitigen Berechnungen um bis zu 50% gesenkt werden, was eine Erhöhung der Leistung der Gasturbinenanlage nach sich zieht.
Bevorzugt verjüngt sich der Querschnitt jeder Übergangsleitung in Stromabwärtsrichtung konisch, wobei die feuerfeste Auskleidung der Übergangsleitung zumindest einen ringförmigen Auskleidungsabschnitt mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Außendurchmesser aufweist, der mit radialer und axialer Vorspannung an der Übergangsleitung gehalten ist. Dank einer solchen Vorspannung, die beispielsweise durch die Positionierung von Feder- und/oder Dämpfungselementen zwischen der feuerfesten Auskleidung und der entsprechenden Übergangsleitung realisiert werden kann, werden Wärmedehnungsunterschiede zwischen den metallischen Übergangsleitungen und deren keramischer Auskleidung kompensiert. Insbesondere wird die keramische Auskleidung unter allen Betriebsbedingungen kraftbegrenzt fixiert.
Der zumindest eine ringförmige Auskleidungsabschnitt kann gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung durch ein einziges Auskleidungselement gebildet sein, also durch ein ringförmiges Auskleidungselement mit konischer Außenfläche.
Gemäß einer zweiten Variante ist es auch möglich, den zumindest einen ringförmigen Auskleidungsabschnitt durch mehrere ringsegmentförmige Auskleidungselemente auszubilden, die in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt sind.
Die feuerfeste Auskleidung des Heißgasverteilers weist vorteilhaft eine Vielzahl von Auskleidungselementen auf, die unter radialer Vorspannung an den radial innen und außen angeordneten Flächen des Heißgasverteilers befestigt sind. Der Einbau der Auskleidungselemente des Heißgasverteilers sollte möglichst mit geringen Spalten zwischen den einzelnen Auskleidungselementen erfolgen, um den Kühlluftbedarf zu reduzieren, was durch die radiale Vorspannung ermöglicht wird.
Die Übergangsleitungen und der Heißgasverteiler sind bevorzugt aus einem hochwarmfesten Metall-Werkstoff hergestellt, insbesondere aus einem dünnwandigen hochwarmfesten Werkstoff nach Art eines Bleches. Die Vermeidung von Nickel-Basis-Werkstoffen stellt einen wesentlichen Vorteil des beschriebenen Systems dar.
Vorteilhaft ist/sind die Außenumfangsseite und/oder die Innenumfangsseite des Heißgasverteilers mit einem Befestigungsflansch versehen, der zur Befestigung an der Turbine ausgelegt ist. Auf diese Weise wird ein sehr einfacher Aufbau erzielt.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, einer Turbine und einem erfindungsgemäßen Rohrbrennkammersystem, das die Brenner mit der Turbine verbindet.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Rohrbrennkammersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

1 eine teilweise geschnittene perspektivische Teilansicht eines Rohrbrennkammersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das an eine Turbine einer Gasturbinenanlage angeschlossen ist; und
2 eine perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Anordnung betrachtet in Richtung des Pfeils II in 1.

Die Figuren zeigen ein Rohrbrennkammersystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das an eine Turbine 2 einer Gasturbinenanlage 3 angeschlossen ist. Das Rohrbrennkammersystem 1 umfasst mehrere ringförmig angeordnete Übergangsleitungen 4, die dazu ausgelegt sind, mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner 10 angeschlossen zu werden und durch die Brenner 10 erzeugtes Heißgas zu der Turbine 2 zu leiten, wobei in 1 beispielhaft nur ein einzelner Brenner 10 dargestellt ist. Ferner umfasst das Rohrbrennkammersystem 1 einen zum Anschließen an die Turbine 2 ausgelegten Heißgasverteiler 5, der einen zur Turbine 2 offenen Ringkanal 6 definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergangsleitungen 4 münden. Die Übergangsleitungen 4 ebenso wie der Heißgasverteiler 5 sind aus Metall hergestellt, beispielsweise aus einer hochwarmfesten Metall-Legierung. Sie umfassen jeweils eine feuerfeste Auskleidung 7, die bevorzugt aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Die Übergangsleitungen 4 weisen jeweils einen Querschnitt auf, der sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngt. Die feuerfeste Auskleidung 7 der Übergangsleitungen 4 umfasst jeweils mehrere ringförmige Auskleidungsabschnitte mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Außendurchmesser, die vorliegend durch ringförmige Auskleidungselemente 7a gebildet werden. Alternativ ist es grundsätzlich aber auch möglich, die ringförmige Auskleidungsabschnitte jeweils durch mehrere ringsegmentförmige Auskleidungselemente zu bilden. Die Auskleidungselemente 7a einer Übergangsleitung 4 sind ausgehend vom stromaufwärts angeordneten Ende der Übergangsleitung 4 axial in die Übergangsleitung 4 eingeschoben, wobei zwischen den Auskleidungselementen 7a und der Innenwandung der Übergangsleitung 4 nicht näher dargestellte Feder- und/oder Dämpfungselemente entlang des Umfangs positioniert werden, die an am Außenumfang der Auskleidungselemente 7a oder an der Innenwandung der Übergangsleitung 4 formschlüssig geführt sind. Aufgrund der konischen Ausbildung der Übergangsleitung 4 sowie der Auskleidungselemente 7a erfolgt ein radiales sowie axiales Verspannen der Auskleidungselemente 7a derart, dass diese mit radialer und axialer Vorspannung an der Übergangsleitung 4 gehalten werden. Die Spannung wird vorliegend durch ein ringförmiges Druckelement 8 aufrechterhalten, das am stromaufwärtigen Ende in die Übergangsleitung 4 eingeschoben, gegen die Stirnfläche des benachbart angeordneten Auskleidungselementes 7a gedrückt und dann unter Erzeugung der gewünschte Andrückkraft an der Übergangsleitung 4 befestigt wird. Die Befestigung kann beispielsweise mittels Schrauben erfolgen. Die feuerfeste Auskleidung 7 des Heißgasverteilers 5 wird über eine Vielzahl von Auskleidungselementen 7b realisiert, die vorteilhaft ebenfalls unter radialer Vorspannung an den radial innen und außen angeordneten Flächen des Heißgasverteilers 5 befestigt sind. Zur Fixierung des Rohrbrennkammersystems 1 an der Turbine 2 sind die Außenumfangsseite und die Innenumfangsseite des Heißgasverteilers 5 am zur Turbine 2 weisenden freien Ende des Heißgasverteilers 5 mit Befestigungsflanschen 9 versehen, die zur Befestigung an der Turbine 2 mittels Schrauben ausgelegt sind.
Die zuvor beschriebene Anordnung ist dahingehend von Vorteil, dass Dank des zusätzlichen Heißgasverteilers 5 des erfindungsgemäßen Rohrbrennkammersystems 1 eine sehr gleichmäßige Heißgasanströmung der Turbine 2 erzielt wird, wodurch hochfrequente Temperatur- und Geschwindigkeitsänderungen deutlich reduziert werden. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Lebensdauer der Turbinenschaufeln aus.
Weitere Vorteile gehen mit der feuerfesten Auskleidung 7 der Übergangsleitungen 4 und des Heißgasverteilers 5 einher. Dank dieser Auskleidung wird die thermische Beanspruchung der metallischen Komponenten, also der Übergangsleitungen 4 und des Heißgasverteilers 5 signifikant reduziert. Die damit verbundenen geringeren Dehnungsunterschiede im Bereich der Dichtungen zur Turbine 2 und der Dichtungen zwischen den Übergangsleitungen 4 führen zu einem geringeren Verschleiß in diesem Bereich und ermöglichen solidere Fügekonzepte zwischen dem Rohrbrennkammersystem 1 und der Turbine 2. Darüber hinaus zieht die feuerfeste Auskleidung 7 geringere Hochtemperaturanforderungen an die Werkstoffe der metallischen Komponenten 4 und 5 nach sich, wodurch Kosten eingespart werden können. Zudem können die Übergangsleitungen 4 dank der Auskleidung 7 ohne inneres Schichtsystem ausgeführt werden, wodurch der Aufwand für die Instandsetzung und die Wiederaufbereitung deutlich reduziert wird, da ein Entschichten und ein Wiederbeschichten der Übergangsleitungen 4 entfällt. Durch den Einsatz einer feuerfesten Auskleidung 7 verringert sich ferner der Kühlbedarf der metallischen Komponenten 4 und 5 des Rohrbrennkammersystems 1. Im Vergleich zu Rohrbrennkammersystemen ohne keramische Auskleidung kann der Kühlluftbedarf nach derzeitigen Berechnungen um bis zu 50% gesenkt werden, was eine Erhöhung der Leistung der Gasturbinenanlage 3 nach sich zieht.
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.

Claims

Rohrbrennkammersystem (1) für eine Gasturbinenanlage (3) mit mehreren ringförmig angeordneten Übergangsleitungen (4), die dazu ausgelegt sind, mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner (10) angeschlossen zu werden und durch die Brenner (10) erzeugtes Heißgas zu einer Turbine (2) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbrennkammersystem (1) einen zum Anschließen an die Turbine (2) ausgelegten Heißgasverteiler (5) aufweist, der einen zur Turbine (2) offenen Ringkanal (6) definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergangsleitungen (4) münden.
Rohrbrennkammersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsleitungen (4) und der Heißgasverteiler (5) aus Metall hergestellt und innen mit einer feuerfesten Auskleidung (7) versehen sind, insbesondere mit einer keramischen Auskleidung.
Rohrbrennkammersystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt jeder Übergangsleitung (4) in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngt, und dass die feuerfeste Auskleidung (7) der Übergangsleitung zumindest einen ringförmigen Auskleidungsabschnitt mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Außendurchmesser aufweist, der mit radialer und axialer Vorspannung an der Übergangsleitung (4) gehalten ist.
Rohrbrennkammersystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine ringförmige Auskleidungsabschnitt durch ein einzelnes Auskleidungselement (7a) gebildet ist.
Rohrbrennkammersystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine ringförmige Auskleidungsabschnitt durch mehrere ringsegmentförmige Auskleidungselemente gebildet ist, die in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt sind.
Rohrbrennklammersystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Auskleidung (7) des Heißgasverteilers (5) eine Vielzahl von Auskleidungselementen (7b) aufweist, die unter radialer Vorspannung an den radial innen und außen angeordneten Flächen des Heißgasverteilers (5) befestigt sind.
Rohrbrennkammersystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsleitungen (4) und der Heißgasverteiler (5) aus einem hochwarmfesten Metall-Werkstoff hergestellt sind, insbesondere aus einem dünnwandigen hochwarmfesten Metall-Werkstoff nach Art eines Bleches.
Rohrbrennkammersystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenumfangsseite und/oder die Innenumfangsseite des Heißgasverteilers (5) mit einem Befestigungsflansch (9) versehen ist/sind, der zur Befestigung an der Turbine (2) ausgelegt ist.
Gasturbinenanlage (3) mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern (10), einer Turbine (2) und einem Rohrbrennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Brenner (10) mit der Turbine (2) verbindet.