DE1601571A1 - Gekuehlte Trennfuge fuer das Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer - Google Patents

Description

Gekühlte Trennfuge für das !Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer

Die Erfindung betrifft eine Trennfuge für das Flammrohr einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage, die aus einander überlappenden Wandteilen gebildet ist, zwischen denen im Überlappungsbereich Abstandhalter angeordnet sind und ein Durchlaß vorhanden ist, der stromaufwärts mit einem Luftraum und stromabwärts mit der Brennkammer in Verbindung steht«

In der Verbrennungseinrichtung von Gasturbinenanlagen findet die eigentliche Verbrennung in einem Brennraum statt, der von einem Flammrohr begrenzt -wird, Flammrohre sind nor malerweise durchbrochen, damit große Luftmengen zur Unterstützung des Verbrennungsvorganges durch das Flammrohr in den Brennraum strömen können, um den Verbrennungsvorgang

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zu unterstützen und die Verbrennungsprodukte so zu verdünnen, daß eine gewünschte Turbinentemperatur erzielt wird. Das Flammrohr trennt den Brennraum von einem Luftraum, der von dem Verdichter der Anlage ständig mit relativ kühler Druckluft beschickt wird.

Zur Erzielung einer angemessen zufriedenstellenden Funktion und Standzeit muß das Flammrohr vor der hohen Temperatur und den stark korrodierend wirkenden Verbrenmmgsprodukten geschützt werden. Zu diesem Zweck sind die Flammrohre gewöhnlich mit schlitzartig unterteilten Trennfugen versehen, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie relativ kleine luftmengen aus dem Luftraum abziehen und unter Bildung von dünnen, isolierenden Kühlluftschichten auf der Innenwandung des Flammrohrs in den Brennraum leiten. Diese dünnen Filme schützen nicht nur das Flammrohr vor einer direkten Berührung durch die heißen Gase, sondern führen auch infolge ihrer Konvektionsberührung mit dem Flammrohr durch Strahlung zugeführte Wärme ab. Im Idealfall stellen diese Kühlluftfilme genügend große, aber nicht zu große Kühlluftmengen dar und bewirken einen im wesentlichen gleichmäßigen Schutz. In der Praxis ist es jedoch infolge der normalerweise in dem ■< Brennraum vorhandenen Strömungsmuster und anderer veränderlicher, die Verbrennung beeinflussender Faktoren praktisch unmöglich, einen gleichmäßigen Schutz zu erzielen; es sind selbst in einem sehr gut gekühlten Flammrohr bestimmte Temperaturgradienten und durch sie erzeugte, mechanische Spannungen zu erwarten.

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Die in der Verbrennungeeinrichtung einer Gasturbinenanlage rorhandenen Temperaturverhältnisse können daher schließlich sum Auefall selbst eines gut gekühlten Flammrohrs führen. Der Ausfall ist meistens auf das Verziehen des Flammrohrs unter der Wirkung der Temperaturgradienten und auf die wärmebedingte Ermüdung infolge der wiederholten Erhitzung und Abkühlung des Flammrohrs zurückzuführen. Die wärmebedingte Ermüdung führt zur Rißbildung und schließlich zum isruch an den Ausnehmungen und Trennfugen des Flammrohrs* Bei einem gut gekühlten Flammrohr erfolgt ein derartiger Bruch natürlich erst nach einer langen Betriebsdauer; auch ist der Bruch meistens örtlich begrenzt. Damit bei einem örtlichen Bruch nicht das ganze Flammrohr ausgetauscht zu werden braucht, ist das Flammrohr zweokmäßigerweise so konstruiert, daß es ohne weiteres möglich ist, es in Teile auseinanderzunehmen, den beschädigten Teil instandzusetzen oder auszutauschen und die Teile dann wieder zusammenzusetzen. Für ein leichtes Auseinandernehmen und Wiederzusammensetzen sind Niete oder ähnliche mechanische Befestigungsmittel ideal geeignet. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Verwendung derartiger Mittel zu einer schlechteren Kühlung des Flammrohrs und daher zu einer kürzeren Standzeit führt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Befestigungsmittel die Strömung der Luft durch die Kühlfugen stören, was zu Strömungsschatten, zu Unregelmäßigkeiten in dem Kühlluftfilm und zu höheren Temperaturgradienten und Spannungen in dem Flammrohr führt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Verbrennungseinrichtung ein leicht auseinandernehmbares flammrohr zu schaffen, das so eingerichtet und ausgebildet ist, daß im Betrieb eine sehr gute Kühlung erzielt wird und die zum Zusammenhalten der Teile des Flammrohrs dienenden Befestigungsmittel die Strömung der Kühlluft durch die zwischen den Teilen vorhandenen Trennfugen nicht übermäßig stören.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Abstandhalter aus gewellten Ringen bestehen, die mit den einander tfcrlappenden Wandteilen im Überlappungsbereich Lähgskanäle bilden, die den lufträum mit der Brennkammer verbinden, und daß zur Befestigung der einander überlappenden Wandteile im Überlappungsbereich Befestigungsmittel an den im wesentlichen radial angeordneten Stegen der gewellten Ringe angeordnet sind.

In den Wandteilen sind im Bereich der Strömungsschatten der Befestigungsmittel und der radialen Stege der Ringe Öffnungen vorgesehen.

In den Figuren 1 bis 5 der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungabeispiel dargestellt, welches nachstehend näher erläutert ist. Es zeigen:

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Pig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch die Verbrennungseinrichtung einer Gasturbinenanlage-mit einer erfindungsgemäßen Trennfuge im Flammrohr;

Fig. 2 eine Trennfuge im teilweisen Querschnitt längs der Linie 2-2 in fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen teilweisen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 2 und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Trennfuge.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Teil einer Gasturbinenanlage 10. Diese besitzt eine Brennkammer 11 mit einem Flammrohr 12, das zwischen einem ringförmigen Brennraum 13 und einem diesen umgebenden, ringförmigen Luftraum 14 angeordnet ist. Der von dem Mantel 15 der Anlage und einem Innenmantel 16 begrenzte Luftraum 14 steht mit der Druckseite 20 eines Axialverdichtere 21 in Verbindung. Der Brennraum 13 steht an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Eintrittsteil 22 einer Turbine 23 in Verbindung. Das Flammrohr 12 ist mit Öffnungen 25 versehen, durch die relativ große Druckluftmengen aus dem Luftraum 14 in den Brennraum 13 eintreten, wo sie die Verbrennung unterstützen und die Verbrennungs-

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produkte verdünnen. Der Verdichter 21, der Luftraum 14» der Brennraum 13 und die Turbine 23 sind somit in Strömungsrichtung hintereinandergeschaltet. Die Richtung der Strömung des Mediums ist in Mg. 1 durch große Pfeile angedeutet.

Wie bereits erwähnt wurde, muß das Flammrohr 12 unbedingt vor hohen Temperaturen und stark korrodierend wirkenden Verbrennungsprodukten des Brennraums 13 geschützt werden. Um die notwendige Kühlung auf wirksame Weise zu erzielen und um gleichzeitig das Auseinandernehmen und Wiederzusammensetzen zu erleichtern, besteht das !Flammrohr 12 aus einer Anzahl von Teilen, zwischen denen Trennfugen 30, 31» 32 und 33 für den Durchtritt von Kühlluft aus dem lufträum 14 in den Brennraum 13 gebildet sind.

Gemäß Fig. 1 besitzt das Flammrohr 12 eine aus überlappenden Rohrabschnitten 36 bestehende Außenwand, eine aus überlappenden Rohrabschnitten 39 bestehende Innenwand,' einen im Querschnitt bogenförmigen Einsatzring 41, dessen stromabwärtige Enden die stromaufwärtigen Teile der Innenwand und der Außenwand überlappen, und stromaufwärts von der Innenwand, der Außenwand und dem Einsatzring 41 in den Luftraum 14 vorstehende Leitringe 43 und 44. Diese Flammrohrteile sind so angeordnet, daß in den von ihnen gebildeten Trennfugen 30, 31, 32 und 33 ringförmige Durchlässe vorhanden sind, durch

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die relativ kühle Luft aus dem Luftraum 14 in der durch die kleinen Pfeile in Pig. 1 und die Pfeile in Fig. 3 und 5 angedeuteten Weise strömen kann.

Die Ausbildung der Trennfuge 30 wird jetzt anhand der Fig. 1 bis 4 im eineeinen beschrieben. Der stromabwärtige !Teil des Einsatiringes 41 wird von dem stromaufwärtigen Bereich des ersten Rohrabschnitts 36 überlappt. Die einander überlappenden Bereiche sind allgemein zylindrisch ausgebildet. Zwischen den einander überlappenden Bereichen ist ein gewellter Ab-Btandhalterring 53 angeordnet, der zwischen den überlappenden !Dellen einen Radialabstand 54 aufrechterhält, so daß ein ringförmiger Durchlaß 48 gebildet wird, durch den Kühlluft axial aus dem zwischen den Leitringen 43 und 44 befindlichen Teil des Luftraums 14 strömen und längs der Fläche 36' abgegeben werden kann, um den Rohrabschnitt 36 zu kühlen. Wie vorstehend angegeben wurde, soll diese Luftströmung durch den ringförmigen Durchlaß 48 so gleichmäßig wie möglich verteilt werden, damit eine gute Kühlung erzielt wird. Zur Aufrechterhaltung des richtigen Radialabstandes zwischen den einander überlappenden, zylindrischeü Bereichen der Wandteile ist der gewellte Abstandhalter 53 aus einem ringförmigen, dünnen Streifen vorgesehen, dessen Achse in Strömungsrichtung der Luft liegt, so daß die Luftströmung so wenig wie möglich durch die im Abstand voneinander angeordneten Stege 56 behindert wird, die sich quer durch den Durchlaß 48 erstrecken. DJese

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Stege 56 sind durch bogenförmige Teile 58 und 59 miteinander verbunden, die abwechselnd an dem Einsatzring 41 und dem Rohrabschnitt 36 anliegen. Die Stege 56 können der Einfachheit halber als radiale Stege bezeichnet werden, obwohl sie eine gewisse Ausdehnung in der Umfangsrichtung haben. Ihre Hauptfunktion besteht jedoch darin, daß sie sich quer durch den Durchlaß 48 erstrecken und den Radialabstand zwischen den einander überlappenden Teilen 41 und 36 aufrechthalten. Das stromabwärtige Ende des Leitrings 43 berührt und überlappt den stromaufwärtigen Teil des Rohrabschnitts 36 derart, daß der Leitring 43 und der stromaufwartige Rohrabschnitt 36 an der Teilfuge 30 eine geschlossene Wand bilden, da zwischen diesen Elementen kein Durchlaß vorhanden ist.

Zum Pestlegen der die Fuge 30 bildenden Elemente ist jeder zweite Steg 56 mit einer Öffnung 60 versehen; entsprechend sind in dem Einsatzring 41, dem Rohrabschnitt 36 und dem Leitring 43 fluchtende Öffnungen 61, 62 bzw. 63 vorgesehen. Ein Met 65 oder ein ähnliches Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, ist durch die fluchtenden Öffnungen radial eingeführt und festgelegt, so daß die Teile festgehalten werden. TJm ein unerwünschtes Abbiegen der Stege 56 und damit eine Verkleinerung des Zwischenraums 54 beim Festlegen der Elemente mit den Nieten 65 zu verhindern, ist jeder Niet 65 von einer Abstandhaltehülse 67 umgeben, die an den einander überlappenden Bereichen des Einsatzringes und des Rohrabschnitts 36 anliegt. Die Länge der Abstandhaltehülse entspricht dem gewünschten Radialabstand 54.

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Dadurch, daß die Befestigungsniete 65 mit den Stegen 56 radial korrespondieren, ist der Luftwiderstand für durch den Durchlaß 48 tretenden Luftstrom insgesamt auf ein Minimum herabgesetzt, da die Gesamtfläche, auf die der Luftstrom frontal auftrifft, der Summe der zur Strömungsrichtung normalen Gesamtfläche der Befestigungsniete 65 und ihrer A"bStandhaltehülsen 67 und der zur Strömungsrichtung normalen Gesamtfläche der Stege 56 abzüglich der durch die Niete und Hülsen eingenommenen Fläche der Stege entspricht. Wenn die Mete 65 und Stege 56 radial nicht korrespondieren würden, wäre die zu der Strömung normale Gesamtfläche größer und ergäbe sich aus der Summe der 3?lächen der Stege und der Befestigungselemente.

Obwohl die Luftströmung möglichst wenig behindert wird, behindern die Stege 56, die Befestigungsniete 65 und die Hülsen 67 unvermeidlich die Luftströmung durch den Ringkanal 48 in einem bestimmten Maß. Diese Behinderung führt zur Bildung von Strömungsschatten und däter von heißen Stellen auf dem Rohrabschnitt 36 stromabwärts von der Trennfuge 30, wenn die Unregelmäßigkeit der Strömung nicht befriedigend ausgeglichen wird. Zu diesem Zweck ist in dem Rohrabschnitt 36 unmittelbar stromabwärts von jedem mit einem Met 65 fluchtenden Steg 56 ein mit ihm axial fluchtendes Strömungsschattenloch 70 vorgesehen. Ein etwas kleineres Loch 71 ist stromabwärts von jedem Steg 56 vorgesehen, dem kein Met 65 zugeordnet ist. Durch diese Löcher 70 und 71 tritt aus dem

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Luftraum 14 Luft ein, die den Luftfilm im Bereich dea Strömungsschattens stromabwärts von dem Hindernis auffüllt, so daß strom-abwärts von der Teilfuge eine einheitliche Temperaturverteilung auf dem Rohrabschnitt aufrechterhalten wird. Man erkennt jetzt auch einen weiteren Vorteil der Erfindung: Wenn die Nieten 65 mit den Stegen 56 nicht radial fluchten würden, wären für eine genügende Kühlung weitere Strömungsschattenlöcher erforderlich, da die Löcher 70 nicht die Strömungsschattenbereiche versorgen könnten, die einerseits auf die Mete 65 und andererseits auf die Stege 56 zurückzuführen wären. Durch die zusätzlichen Strömungsschattenlöcher würde der Rohrabschnitt 36 in unzulässigem Maße geschwächt werden. In der Praxis wäre man wahrscheinlich gezwungen, aus Gründen der mechanischen Festigkeit einige Strömungsschattenlöcher wegzulassen, wenn die Mete 65 nicht radial mit bestimmten Stegen 56 korrespondieren würden. Man würde also stromabwärts von der Teilfuge 30 unerwünschte heiße Stellen auf dem Rohrabschnitt 36 erhalten.

In der dargestellten und beschriebenen Trennfuge 30 sind in dem ganzen ringförmigen Durchlaß 48 jedem zweiten Steg 56 ein Met 65 und eine Abstandhaltehülse 67 zugeordnet. Das Zahlenverhältnis zwischen den Meten und Stegen hängt von vielen Paktoren ab und kann in verschiedenen Brennkammern sehr verschieden sein. Da jedoch die Gesamtfläche der Strömungsschattenlöcher 70 und 71 aus Gründen der mechanischen

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Festigkeit möglichst klein sein soll, verwendet man möglichst wenige Niete oder andere Befestigungselemente, so daß die Anzahl der größeren Löcher 70 ebenfalls auf ein Minimum herabgesetzt werden kann.

Die soeben beschriebene Trennfuge 30 besteht aus drei Wandteilen, und zwar dem Rohrabschnitt 36, dem Einsatzring 41 und dem Leitring 43, die durch den ringförmigen Abstandhalter 53 radial im Abstand voneinander gehalten werden. Die Erfindung ist aber auch auf Trennfugen zwischen zwei radial im Abstand voneinander angeordneten Rohrabschnitten von Flammrohren anwendbar. Eine derartige Trennfuge ist in*den Figuren 1 und 5 bei 32 dargestellt. In dieser Trennfuge 32 wird das stromabwärtige Ende _%des einen RohrabschnittB 36 von dem stromaufwärtigen Ende des stromabwärts anschließenden Rohrabschnitts 36 überlappt; die einander überlappenden, zylindrischen Teile werden durch einen gewellten Abstandhaltering 53' radial im Abstand voneinander gehalten. Der Abstandhaltering 53' entspricht dem Abstandhaltering 53 in den Figuren 1 bia 4. Die in Fig. 5 durch Bezugsziffern mit einem Strich (·) versehenen Trennfugenelemente entsprechen Elementen mit gleicher Bezugsziffer in den Fig. 1 bis 4. Die T_eilfuge 32 bildet ebenfalls einen ringförmigen Durchlaß, durch den Kühlluft zur Kühlung des Rohrabschnitts stromabwärts der Trennfuge 32 gelangen kann.

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Die Trennfugen 32 und 33 entsprechen in jeder Hinsicht in ihrer Ausbildung und Punktion den Trennfugen 30 und 31. Unterschiedlich ist lediglich, daß in den Trennfugen. 32 und 33 die stromabwärtigen Enden der stromaufwartigen Rohrabschnitte über den stromaufwärtigen Enden der stromabwärtigen Rohrabschnitte angeordnet sind, damit ringförmige Durchlässe entstehen, die stromaufwärts mit dem Luftraum und stromabwärts mit dem Brennraum 13 in Verbindung stehen.

Durch die erfindungsgemäße Trennfuge wird somit eine sehr gute Kühlung an der Trennfuge und an dem stromabwärts von der Trennfuge befindlichen Teil des Flammrohrs erzielt. Innige der Verwendung von Nieten oder anderen auswechselbaren Befestigungsmitteln , beispielsweise Schrauben, kann die ganze Anordnung zur Instandsetzung oder zum Austausda von beschädigten Teilen leicht auseinandergenommen werden. Die Trennfuge führt daher infolge der guten Kühlung zu einem langen, zuverlässigen Betrieb und infolge ihrer mechanischen Ausbildung zu geringen Konstruktions- und Instandhattungskosten.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims (3)

PATt NTANWXLTt Oipfr^ng^i^Hi< Raffer.J&mr 1601571 £3ipfc\sng. TE!.03,1I : 76»0? TELEGR: PROpInDuI TELEX 018405? TEL. 081, · 225585 . TELEGR. PROPINDUS · TELEX 0524244 19 922 General Electric Company Scheneetady, New York (USA) Patentansprüche

1. gekühlte Trennfuge für das !Flammrohr einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage, die aus einander überlappenden Wandteilen gebildet ist, zwischen denen im Überlappungsbereich Abstandhalter angeordnet sind und ein Durchlaß vorhanden ist, der stromaufwärts mit einem Luftraum und stromabwärts mit der Brennkammer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter aus gewellten Ringen (53) bestehen, die mit den einander überlappenden Wandteilen im Überlappungsbereich (36, 39) Längskanäle (30 bis 33) bilden, die den Luftraum (14) mit der Brennkammer (11) verbinden, und daß zur Befestigung der einander,überlappenden Wandteile (36, 39) im Überlappungsbereich und der AbStandhalteringe (53) Befestigungsmittel (65r 67) an den im wesentlichen radial

angeordn-fcen Stegen (56) der gewellten Ringe (53) angeordnet sind. 009825/ÜA82

2. Trennfuge nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (65, 67) an jedem zweiten radial angeordneten Steg (56) des gewellten Ringes (53) vorgese hen und in den Wandteilen (36) im Strömungsschattenbereich der Befestigungselemente (65> 67) und jedes zweiten radialen Stegs (56) Öffnungen (70, 71) ausgebildet sind.

3. Trennfuge nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ansonst wie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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