DE1601677A1 - Flammrohrkonstruktion fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford 8, Connecticut, Vereinigte Staaten von Amerika

Flammrohrkonstruktion für Gasturbinen

Die Erfindung betrifft eine Plammrohrkonstruktion für Gasturbinen mit Ringbrennkammer.

Gasturbinen der in Frage kommenden Art, auf welche die Erfindung Anwendung finden kann, sind beispielsweise in der US-Patentschrift 2 747 367 beschrieben.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, das Zusammensetzen und Auseinandernehmen der Flammrohrkonstruktion gegenüber entsprechenden bekannten Anordnungen zu vereinfachen, so daß einzelne Teile zu Austauschzwecken leicht in die Gasturbinenanlage eingesetzt bzw. aus dieser entfernt werden können". Gleichzeitig sollen aber auch die verschiedenen Teile des Flammrohres so gehaltert sein, daß eine thermische Ausdehnung ermöglicht wirdj ohne daß in einzelnen Teilen Spannungen entstehen.

Die' angegebene Aufgabe wird bei einer Flammrohrkonstruktion für Gasturbinen mit einer zwischen ringförmigen inneren bzw. äußeren Brennkammerwandungen gebildeten Ringbrennkammer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Brennkammer in bestimmtem Abstand von den Brennkamraerwandungen innere bzw. äußere, ringförmige Flammrohrwandungen' angeordnet sind und daß nahe der Brennkammereinlaßseite zwischen den Brennkammerwandungen in ringförmiger Anordnung an einer der Flammrohrwandungen eine Reihe

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von Brennertöpfen "befestigt ist, welche je eine Brennstoffdüse aufnehmen und an der jeweils anderen Flammrohrwandung axial * verschieblich anliegen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, daß die verschiedenen Teile des Brennerringes bzw. der Flammrohrwandungen so gehaltert sind, daß sie während des Betriebes sicher in ihrer Lage gehalten werden, sich jedoch leicht in die Brennkammer einsetzen und dort zusammenbauen lassen und in gleicher Weise bei Bedarf auseinandergebaut und entfernt werden können, indem sie unter Bewegung in axialer Richtung aus der Gasturbinenanlage herausgenommen werden. Die einzelnen Teile des erfindungsgemäßen Flammrohres bilden von einer nahe der Einlaßseite des Diffusors gelegenen Stelle aus bis unmittelbar vor den Turbineneinlaß im wesentlichen kontinuierliche innere bzw. äußere Flammrohrwandungen, welche den eigentlichen Verbrennungsbereich begrenzen, in welchen durch die zwischen den Wandungen des Flammrohres nahe dessen Einlaßseite gelegenen Brennstoffdüsen Brennstoff eingespritzt wird* Erfindungsgemäß wird also die ringförmige Flammrohrkonstruktion in axialer Richtung in die umgebende Ringbrennkammer eingesetzt» Die Flammrohrkonstruktion enthält zum Einen zwei vordere Ansatzstücke, welche sich von, die einander gegenüberliegenden Wandungen des Diffusorteiles der Brennkammer verbindenden Streben aus nach vorwärts erstrecken und zum Anderen Flammrohrwandungen, welche in bestimmtem Abstand von der äußeren Brennkammerwandung stromabwärts verlaufen und jeweils derart gesondert in ihrer Lage innerhalb der Brennkammer gehaltert sind, daß sie jeweils einzeln in axiale Richtung entfernbar sind.

An einer der Flammrohrwandungen kann eine Reihe von Brennertöpfen befestigt sein, welche jeweils die einzelnen Brennstoffdüsen umgeben und zusammen mit der Flammrohrwandung, an welcher sie befestigt sind, entfernt werden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung sowie aus den Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In diesen stellen dar:

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Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer mit einer Flammrohrkonstruktion nach der Erfindung,

Figur 2' einen Schnitt entlang der in Figur 1 angedeuteten Linie 2-2,

Figur 3 eine ausschnittsweise Darstellung einer Einzelheit und

Figur 4 eine ausschnittsweise Darstellung einer Einzelheit zur Erläuterung einer Zapfenbefestigung.

Wie aus den Figuren 1 bis 4 der Zeichnungen zu entnehmen ist, gibt der Verdichter 2 verdichtete Luft in den Diffusor ab, dessen Innenwandung 6 und Außenwandung 8 stromabwärts divergieren. Die stromabwärts gelegenen Enden der Diffusorwandungen 6 und 8 sind mit der Innenwandüng 10 bzw. der Außenwandung: 12 der Brennkammer verbunden, welche jeweils die Maschinenachse ringförmig umgeben. Bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind die Innenwandungen 6 und IO ebenso wie die Außenwandungen 8 und 12 einstückig miteinander verbunden und werden durch Streben 14 in bestimmtem Abstand voneinander gehalten., welche im Diffusorbereich angeordnet und vorzugsweise ebenfalls einstückig mit den Innenwandungen und den Außenwandungen verbunden sind.

Von dem stromabwärts gelegenen Ende der Innenwandung a.us erstreckt sich ein weiterer Wandungsteil 16 in Richtung stromabwärts nach einem Tragring 18 für die radial inneren Enden der Turbinen-Eintrittsleitschaufeln 20. Der Tragring 18 ist durch geeignete Schrauben 22 befestigt.

Ein Mantel 23 bildet eine stromabwärts verlaufende Verlängerung der Außenwandung 12 und ist durch Schrauben 24 an

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dem Turbinengehäuse 26 befestigt. Die genannten Schrauben dienen auch zur Befestigung einer Tragkonstruktion 28 für die radial äußeren Enden der Turbinen-Eintrittsleitschaufeln 20. Beim Auseinanderbauen der Gasturbine läßt sich der Mantel 23 über den Wandungsteil 12 schieben.

Innerhalb der Brennkammer befinden sich innere bzw. äußere, den Flammenraum umschließende Wandungen bzw. Flammrohrwandungen 30 und 32. Die radial innere Flammrohrwandung ist an ihrem stromab gelegenen Ende mittels einer Laschenanordnung abgestützt, welche an der Brennkammerwandung befestigt ist und . derart von den Schrauben 22 gehalten wird, daß die Flammrohrwandung in ihrer axialen Lage sicher befestigt ist..Das einlaßseitige Ende der Flammrohrwandung 30 ist in axialer Richtung verschieblich an einer Innenhülse 36 gelagert, welche sich in bestimmtem Abstand zur Diffusorwandung 6 nach yorwärts erstreckt und mit Ausschnitten 38 versehen ist, durch welche die Streben hindurchreichen'. Das vordere Ende der Hülse 36 ist seinerseits an einem radial inneren vorderen Ansatzstück 40 axial verschieblich, das auf dem stromabwärts gelegenen Ende Schlitze bzw. Ausschnitte 42 besitzt und mit Laschen 44 versehen ist, mittels welcher das Ansatzstück an den Streben befestigt ist.

Außerhalb'des inneren Ansatzstückes 40 befindet sich , ein radial äußeres Ansatzstück 46 welches einerseits bestimmten Abstand von dem Ansatzstück 40 und andererseits nach innen zu einen bestimmten radialen Abstand von der äußeren Diffusorwandung 8 hat und im wesentlichen parallel zu dieser verläuft. Das Ansatzstück 46 besitzt Schlitze bzw. Ausschnitte 4,8» durch welche Befestigungsklammern 50 für die Brennstoff düsen hindurchreichen. Außerdem sind an dem Ansatzstück 46 Befestigungslaschen vorgesehen, mittels welcher dieses Ansatzstück ebenfalls an den Streben befestigt ist. Schrauben 54 erstrecken sich zu diesem Zwecke sowohl durch die Laschen 44 als auch durch die Laschen Eine Außenhülse 56 bildet stromabwärts eine Verlängerung des

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radial äußeren Ansatzstückes46, ist an dessen stromabwärts gelegener Endkante axial verschiebIicn und außerdem, mit Ausschnitten 58 versehen, durch welche in der aus den Zeichnungen ersichtlichen Weise die Befestigungsklammern der Brennstoffdüsen hindurchreichen. Weitere Ausschnitte 60 in der Außenhülse 56 nehmen die Streben 14 auf, wie ebenfalls den Zeichnungen zu entnehmen ist« .

Die radial äußere Flammrohrwandung 32 erstreckt sich "von der Außenhülse 56 aus stromabwärts und verlauft in bestimmtem Abstand im wesentlichen parallel zur äußeren Brennkammerwandung. An ihrem stromab gelegenen Ende ist die Flammrohrwändung mittels eines Abschlußringes 62 gehaltert, welcher an der Tragkonstruktion 28 befestigt ist und von dieser nach vorwärts reicht. Der Abschlußring 62 liegt von außen an der Flammrohrwändung 32 an, wie man deutlich .aus den Zeichnungsfiguren ersieht, wodurch der Zusammenbau und das Auseinandernehmen, der Maschine beträchtlich vereinfacht wird.

Di,e Flammrohrwandung 32 trägt eine Reihe von Brennertöpfen 64, welche zu einem Ring zusammengeschweißt sind und sich in zusammengebautem Zustand nach vorwärts in den Raum zwischen der Innenhülse 36 und der Außenhülse 56 hinein erstrecken. Jeder Brennertopf trägt an seinem einlaßseitigen Ende einen Wirbelring 66, der die zugehörige jeweils an der Innenseite der Befestigungsklammer 50 befindliche Brennstoffdüse 68 umfaßt. Der Wirbelring ist aus Iffontagegründen auf der Düsenanordnung in axialer Richtung verschiebIieh.

Die äußere Flammrohrwandung 32 wird zusammen mit den zugehörigen Brennertöpfen 64 durch eine Reihe von Radialzapfen in ihrer axialen Lage gehalten, welche an. der Außenwandung 8 befestigt sind und durch Bohrungen 71 und 72 der Außenhülse 56 bzw. der Brennertöpfe 64 oder der Flammrohrwandung 32 hindurehreichen. Die Brennertöpfe sind an ihren stromaufwärts gelegenen Enden im Querschnitt kreisförmig und gehen an der stromabwärts

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gelegenen Seite in eine segmentartige Querschnittsform über, » so daß sich, wie in den Zeichnungen angedeutet, eine ringförmige Wandungsoberfläche 73 ergibt, auf der ein Ring 74 befestigt ist, weichletzterer verschieblich an der radial inneren Flammrohrwandung 30 anliegt. Die Innenhülse 36 und die Außenhülse 56 sind miteinander durch Radialstege 76 verbunden, so daß die beiden Teile eine Baueinheit bilden und während des Betriebes, gemeinsam durch die Zapfen 70 in der richtigen Lage gehalten werden.

Die Flammrohrkonstruktionen sind hinsichtlich ihrer Lebensdauer so zuverlässig geworden, daß ein Austausch der inneren Brennkammerauskleidungen bzw. Flammrohrwandungen und der Brennertöpfe normalerweise nur im Zuge einer allgemeinen Überholung notwendig ist. Das Flammrohr wird daher normalerweise nur ausgebaut, wenn die gesamte Anlage weitgehend zerlegt wird.

Zum Zwecke des Ausbaues oder Austausches der Flammrohrelemente wird daher der Turbinenrotor, welcher durch das mit einer Beschaufelung versehene Turbinenrad 78 angedeutet ist, entfernt und die Turbinen-Eintrittsleitschaufeln werden ebenfalls abgenommen. Das Turbinenrad 78 wird nach Lösen einer Reihe von Schrauben 80 entfernt, welche das Turbinenrad an der Rotorwelle 82 festhalten, wonach das Turbinenrad zusammen mit einem Dichtungsring 84 abgenommen werden kann. Die Turbinen-Eintrittsleitschaufeln werden durch zwei einen Winkel von 180 einnehmende Schaufelsegmente gebildet, welche nach Vorwärtsschieben des Mantels 23 jeweils als Einheit fortgenommen werden können.

Durch Herausnehmen der Turbinen-Eintrittsleitschaufelr. wird auch der Abschlußring 62 und außerdem ein innerer Befestigungsring 86 entfernt, der ebenfalls in l8O°-Segmente unterteilt ist und zur Befestigung der radial inneren Enden der Eintrittsleitschaufeln dient. Der Befestigungsring 86 ist über eine

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Verzahnung 88 mit dem Tragring 18 verbunden, welche durch, eine kurze axiale Verschiebung des jeweiligen Leitschaufelsegmentes außer Eingriff gebracht werden kann, so daß das betreffende Segment entfernt werden kann.

Sind die LeitschaffeIsegmente entfernt, so werden die Verschraubungen 22 zugänglich, nach deren Lösung ein stillstehender Abschlußring 90 entfernt werden kann. Ist dieser Abschlußring 90 abgenommen, so kann man einen Kranz von Verschraubungen 92 lösen, welcher den Wandungsteil 16 in seiner Lage halt. Nach Abnahme des letzteren kann die innere Flammrohrwändung von ihrer Gleitführung auf der Innenhülse 36 in axialer Richtung abgezogen werden. Werden hiernach die Befestigungszapfen 70 entfernt, so kommt auch die äußere Flammröhrwandung 32 frei und kann in axialer Richtung herausgezogen werden, wobei sie die Brennertöpfe 64 mit sich nimmt, die hierbei in axialer Richtung von den Brennstoff düsen abgezogen werden* Die innere und die äußere Flammrohrwandung 30 bzw, 32 sind normalerweise die einzigen beiden Teile, welche bei einer Überholung ersetzt werden müssen. Sind die Flammrohrwandungen herausgenommen, so sind d e Brennstoffdüsen und die Streben zuganglich und können einer Inspektion unterzogen werden.

In diesem Zustande können, nachdem die Radialzapfen entfernt sind, nach Bedarf die Innenhülse und die Außenhülse bzw. 56, welche durch die Stege 76 verbunden sind, in axialer Richtung herausgezogen werden, da die genannten Hülsen an den Streben vorbeigesehoben werden können. Ein Austausch der genannten Teile ist jedoch nicht in demselben Maße notwendig wie bei den Flammrohrwandungen 30 und 32,

Der Wiederzusammenbau erfolgt in der umgekehrten Reihenfolge wie oben für das Zerlegen beschrieben wurde. Die radial äußere Plammrohrwandung 32 wird in axialer Richtung in die richtige Lage vorwärtsgeschoben und durch die Radialzapfen

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fixiert. Hierauf wird der Wandungsteil 16 der Brennkammerwandung durch Bewegung in axialer Richtung in seine Lage gebracht und durch die Verschraubungen 92 befestigt. Der Abschlußring 90 wird angesetzt und die Verschraubungen 22 befestigt* welche den Abschlußring 90, den Wandungsteil 16 und die Laschenanordnung festhalten, wodurch die Flammrohrwandung 30 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung sicher befestigt ist. Außerdem dient der Kranz von.Verschraubungen 22 zur Befestigung eines Ringes 94, der sich in axialer Richtung gegen die radial inneren Enden der Turbinen-Eintrittsleitschaufeln 20 abstützt und deren Axialbewegung in Richtung stromabwärts begrenzt.

Hiernach werden die Schaufelsegmente unter Bewegung in radialer Richtung eingesetzt und dann um ein kurzes Stück in axialer Richtung verschoben, um die Verzahnungen 88 in Eingriff zu bringen, bis die Füße der Eintrittsleitschaufeln an dem Ring 94 anliegen. Ist dann die Befestigungskonstruktion für die radial äußeren Enden der Beschaufelung in ihre Lage gebracht, so wird der Außenmantel 23 zurückgeschoben und die Verschraubungen 24 werden wieder befestigt. Hiernach kann in der üblichen Weise der Anbau des Turbinenrades und der übrigen Turbinenteile erfolgen.

Die Brennertöpfe können mit einer Reihe von in ihren Wandungen angeordneten Öffnungen 98 versehen sein, welche- durch Z-förmig gebogene, den Lufteintritt in die Brennertopfe beeinflussende Streifen 100 abgedeckt sind. Die Flammrohrwandungen und 32 besitzen ebenfalls Reihen von Öffnungen 102, welche durch stromabwärts weisende Flansche 104 überdeckt sind. Die Flammrohrwandungen können demgemäß durch sich überlappende Ringe gebildet sein, wie dies den Zeichnungen zu entnehmen ist. Da auf die äußere Flammrohrwandung 32 eine Druckkraft wirkt, nachdem die Drucke außerhalb der äußeren Flammrohrwandung größer als innerhalb des Flammrohres sind, können zur Verstärkung an der 'Flammrohraußenwandung geeignete Verstärkungs-We11streifen 108 angeordnet sein. Es leuchtet ein, daß diese Wellstreifen die thermische Ausdehnung der Flammrohrwandungen nicht stören.

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Claims (10)

Patentansprüche: - ^rf nicht

1. Flaramrohrkonstruktion für Gasturbinen mit einer zwischen inneren bzw* äußoran Bromücammorwaiiduncen gebildeten Kingbronnlcoraiuer, dadurch golcGrmsaiclmot, daß in der Brenitfcajamor in bestimmtem Abstand von den Brennkainniorwandungen (6,10,8,12) innere bzw. äußere, jeweils ringförmige Planiiarolirwand-ansGn (30,32) Sohaltort sind und daß nahe der Brennloimmereinlaßseito zwischen den Brennkammerwandungen in ringförmiger Anordnung an einer (z.B.32) .der Plammrohrwandungen eine Reihe von Brennertöpfen (64). befestigt ist, welche je eine Brennstoffdüse (68) aufnehmen und an der jeweils anderen Flamrarohrwandung (30) axial verschioblich* (74) anliegon·

2· Flaramrohrkonstrulwtion nach Anspruch 1, dadurch gekonnseiclmet, daß die innere Plainiarohrwandung (30) und die äußere Flanimrohrwandung (32) jeweils unabhängig voneinander, und jcv;eils einzeln in axialer Eichtung entfernbar, axial gehaltert sind.

3.» Flaimrohrlconstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da-.ß die innere (.6,10) und die äußere (8,12) Brennlcamraerwandung über Radialetreben (14) laiteinander.verbunden sind, zwischen denen jev/eils die Brennertöpfe (64) angeordnet sind*

4. Flanunrohrlconstrulction nach Anspruch 3, dadurch zeiclinet, daß die innere und die.äußere Flammrohrwandung (30,32) mit ihren stromauf war is gelegenen Enden an inneren bzw. äußeren Hülsen (36, 56) verschieblich g'ehaltert sind, v/elche sich stromabwärts erstreckende Verlängerungen innerer bzw. äußerer, ring-■fönniger, divergierender Ansatzstücke (40,46) bilden, welche in bostimratom Abstand im Raum zwischen den Brennlcainmerwandungen angeordnet und an den Streben (14) befestigt sind, daß zur Halterung der über umfangsmäßig verteilte Stegs (76)verbundenen Hülsen an der äußeren Brennlcammerwai^dung verankerte Befestigungs mittei (70) vorgesehen sind, daß ferner die Hülsen mit Ausochnitten (38,- 60) versehen sind, v/elehe die Streben in axialer

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Richtung aufnohmen und daß schließlich die innoro Flammrohrwandung (30) durch weitere Befestigungsmittel (34,22) in axialor Richtung innerhalb der Brennkammer gehaltert iat.

5. Flaaismrohrkonstruktion nach Anspruch 4, dadurch gelieren.« oichnot, daß dio Bofesticuneomittol (70) sur Halterung der Hillson (3G|56) außerdem zur Befestigung der äußeren Flammrohrwandung (32) mit Bezug auf die axialer Richtung dienen.

6. Flanmir Ohrkonstruktion nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Befestigungsmittel (34, 22) zur Halterung dar inneren Flammrohrwandung (30) an der inneren

(6, 10, 16) verankert sind.

7· Flammrohrkonstrulction nach einem der Ansprüche 4-bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammrohrwandungen (30, 32) keine gegenseitige Verbindung aufweisen, so daß sie nach Lösen der Befestigungsmittel (70, 34» 22) unabhängig voneinander bzw. einzeln in axialer Richtung entfernbar sind.

8. Flaranrohrkoiistruktion nach einem der Anspräche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das radial äußere Ansatzstück (4G) mit Ausschnitten (48) zur Aufnahme von Befestigungsklammern (50) versehen ist, welche die Brennstoffdüsen (63) tragen.

9. Flammrohrkonstruktion nach einem, der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (34, 22) zur axialen Halterung der inneren Flammrohrwandung (30) abnehmbar sind.

10. Flammrohrkonctrulction nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennertüpfe (6A) an ihren Einlaßenden übar die Brennstoffdüsen (63) überschiebbar und an der radial äußeren Flammrohrwandung (32) befestigt sind, so daß sie zusammen mit dieser eine Baueinheit bilden.

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