DE2447006C2 - Gasturbinenanlage mit einer Dichtungseinrichtung zwischen Brennkammer und Turbineneintrittsleitkranz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einer Dichtungseinrichtung zwischen der radial äußeren ringförmigen Auslaßkanalwand einer Brennkammer und der äußeren Ringwand eines Turbineneintrittsleitkranzes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine Gasturbinenanlage dieser Gattung ist aus der DE-OS 19 41 873 bekannt. Bei der bekannten Anordnung liegt die Verbindungsstelle zwischen Ringflansch und Außenkanalwand am stromabwärtigen Ende der Auslaßkanalwand und der Ringflansch verläuft parallel zur Turbinenachse mit radialem Abstand von der Ringwand des Turbineneintrittsleitkranzes. Die äußere Ringwand des Turbineneintrittsleitkranzes der bekannten Anordnung weist einen an ihrem stromaufwärtigen Ende radial nach außen ragenden flanschartigen Rinebund auf. dessen Außenfläche dichtend mit der Innenwandfläche des mit der Ausiaßkanalwand verbundenen Ringflansches zusammenwirkt

Bei der bekannten Anordnung wird das Problem der Abdichtung des Axialspalts zwischen dem stromabwärtigen Ende der äußeren Auslaßkanalwand der Brennkammer und dem stromaufwärtigen Ende der äußeren Ringwand des Turbineneintrittsleitkranzes dadurci; umgangen, daß der flanschartige Ringbund am stromaufwärtigen Ende der Ringwand des Turbineneintrittsleitkranzes mit der zylindrischen Innenwandung des Ringflansches zusammenwirkt

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den Axialspalt zwischen der stromabwärtigen Stirnfläche der äußeren Auslaßkanalwand der Brennkammer und der stromaufwärtigen Stirnfläche der äußeren Ringwand des Turbineneintrittsleitkranzes zweck» möglichst guter Abdichtung im Betriebszustand möglichst gering zu halten, um übermäßige Kühlluftverluste zu vermeiden. Dies ist insbesondere daher wichtig, weil das Abzweigen von Kühlluft aus dem vom Verdichter geförderten Luftstrom eine Verringerung des Arbeitsmitteldurchsatzes der Gasturbinenanlage und damit einen entsprechenden Leistungsverlust bedeutet. Es muß deshalb angestrebt werden, den Kühlluftverbrauch, also die vom Verdichterdurchsatz abzuzweigende Kühlluftmenge, möglichst gering zu halten, was nur möglich ist, wenn die abgezweigte Kühlluft möglichst vollständig ausgenutzt wird, also insbesondere Kühlluftverluste durch ungenügende Abdichtung der Kühlluftströmungswege gegen den Treibgaskanal auf einem Minimum gehalten werden. Andererseits sollen aber auch Leistungseinbußen der Gasturbinenanlage durch Auslecken von Arbeitsmittel aus dem Treibgaskanal durch Dichtspalte hindurch vermieden werden.

Das Erfordernis der Abdichtung des genannten Axialspalts zwischen dem Auslaßkanalwandende und dem Turbineneintrittsleitkranz ergibt sich daraus, daß die praktisch unmittelbar am Auslaß der Brennkammer befindlichen und damit der höchsten Temperaturbeanspruchung ausgesetzten Leitschaufeln dieses Eintrittsleitkranzes eine Kühlung erfordern und deshalb Kühlluft in den Ringraum zwischen dem mit der Auslaßkanalwand verbundenen Ringflansch und der Ringwand des Eintrittsleitkranzes zugeführt werden muß, aus welchem sie dann durch entsprechende Einlasse in die Leitschaufeln eintreten kann.

Da der Ringflansch der äußeren Brennkammer-Auslaßkanalwand an seinem stromabwärtigen Ende an der festen Gehäusekonstruktion axial festgelegt ist, haben Wärmebewegungen des Ringflansches eine in stromaufwärtige Richtung erfolgende Verschiebung der stromabseitigen Stirnfläche der äußeren Auslaßkanalwand, also eine Verschiebung des stromabwärtigen Auslaßkanalwandendes im Sinne einer Vergrößerung des Axialspaltes zwischen Auslaßkanalwand und äußerer Ringwand des Eintrittsleitkranzes zur Folge. Ist der stromaufwärtige, mit der äußeren Auslaßkanalwand verbundene Teil des Ringflansches infolge seiner Verbindung mit der heißen Auslaßkanalwand heißer als sein stromabwärtiger Teil, dehnt er sich entsprechend stärker aus. Dieser verstärkten Wärmedehnung des Ringflansches folgt die Wärmedehnung der äußeren Ringwand des gekühlten Turbineneintrittsleitkranzes nur unvollständig, was im Betrieb zu einer Vergrößerung des genannten Axialspaltes führt. Diesem Problem soll durch die vorliegende Erfindung abgeholfen werden.

Die eben erläuterte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebene Anordnung gelöst

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß durch Kühlung des strormufwärtigen Bereiches des Ringflansches das Maß der von der stromabwärtigen axialen Festlegungsstelle aus erfolgenden Wärmedehnung stark reduziere wird, während gleichzeitig der stromab der Verbindungsstelle zwischen der Strömungskanalwand und dem Ringflansch liegende heiße Bereich der Strömungskanalwand sich von der Verbindungsstelle aus in stromabwärtiger Richtung dehnt so daß man bei Erwärmung des Triebwerks auf Betriebstemperatur statt einer unerwünschten Vergrößerung des genannten Axialspaltes ein Schließen dieses Axialspaltes und somit eine Verbesserung der Dichtwirkung erhält

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 im Axialhalbschnitt einer Brennkammer und Turbineneintrittsleitkranz umfassenden Ausschnitt eines Gasturbinentriebwerks,

F i g. 2 in vergrößertem Axialhalbschnitt das Austrittsende der Brennkammer und den Turbineneintrittsleit- 2; kranz und

F i g. 3 einen Querschnitt in der Ebene III-III in F i g. 2.

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter 10, einer ringförmigen Brennkammer 11 mit einer stromabwärts konvergierenden Auslaßkanalwand 12, einem Düseneintrittsleitkranz 13 und einer Turbine 14. Die vom Verdichter geförderte Luft gelangt durch einen Raum 15 zwischen der Brennkammer 11 und dem Triebwerksgehäuse 16 in die Brennkammer.

Der Turbineneintrittsleitkranz 13 weist eine äußere Ringwand 17 auf, die an ihrem stromabseitigen Ende mit einem radialen Ansatz 18 versehen ist, der in eine Öffnung eines zylindrischen, die Ringwand überdeckenden, mit der Auslaßkanalwand verbundenen Ringflansch 20 der Brennkammer 11 eingreift. Die Anordnung ist so getroffen, daß der axiale Differenzdruck über dem Turbineneintrittsleitkranz 13 die Brennkammer 11 stromabwärts gegen eine Stützfläche 21 am Turbinengehäuse 22 drängt. Das auf den Turbineneintrittsleitkranz 13 wirkende Drehmoment wird dadurch aufgenommen, daß die Ansätze 18 und das Turbinengehäuse 22 bei 23 drehfest ineinandergreifen.

Der Ringflansch 20 ist an einer stromauf des stromabwärtigen Auslaßkanalwandendes gelegenen Verbindungsstelle 24 mit der Auslaßkanalwand verbunden. Der stromabwärtige, sich von der Verbindungsstelle 24 aus erstreckende Endteil 26 der äußeren Auslaßkanalwand endigt in einer stromabseitigen Stirnfläche 26Λ, die axial gegenüber der stromaufwärtigen Stirnfläche 25 der Ringwand 17 des Turbineneintrittsleitkranzes 13 liegt. Etwas stromauf der Verbindungsstelle 24 ist ein Kranz von die Auslaßkanalwand durchdringenden Kühlluftbohrungen 27 vorgesehen, durch welche Kühlluft zwecks Bildung eines Kühlfilms 28 aus der inneren Oberfläche der Auslaßkanalwand zugeführt wird. Der Ringflansch 20 ist mit Kühlluftöffnungen 29 versehen, durch welche ein Luftstrom 30 in den zwischen dem Ringflansch 20 und der Ringwand 17 des Turbineneintrittsleitkranzes gebildeten Ringraums und sodann in die Leitschaufeln eintritt.

Die eben beschriebene Anordnung ermöglicht es, daß beim Übergang vom kalten Triebwerkszustand zur Betriebstemperatur ein Temperaturbereich von beispielsweise 500° C bewältigt werden kann und insbesondere der axiale Dichtspalt 31 zwischen den beiden Stirnflächen 26A und 25 bei der Erwärmung des Triebwerks auf Betriebstemperatur geschlossen wird.

Die die Größe des Axialspaltes 31 beeinflussenden Komponenten sind der Auslaßkanalwand-Endteil 26, der Ringflansch 20 und die Ringwand 17, und die Anordnung und Bemessung dieser Komponenten ist so gewählt daß sich der Axialspalt 31 bei Erwärmung des Triebwerks vom kalten Zustand auf Betriebstemperatur infolge der dabei auftretenden Wärmebewegungen schließt Zwecks Bestimmung der Auswirkung dieser Wärmebewegungen auf den Axialspalt 31 kann die axiale Stützfläche 21 als ortsfester Bezugspunkt betrachtet werden, da sowohl der Ringflansch 20 als auch die Ringwand 17 des Turbineneintrittsleitkranzes an dieser Stützfläche des Turbinengehäuses 22 axial festgelegt ist Bei Erwärmung dehnen sich die Ringwand 17 und der Ringflansch 20 stromaufwärts von der Stützfläche 21 weg und der Auslaßkanalwand-Endteil 26 dehnt sich von der Verbindungsstelle 24 aus stromabwärts.

Der Ringflansch 20, der an seiner Verbindungsstelle 24 mit der Auslaßkanalwand einen kleineren Durchmesser als an seinen an der Stützfläche 21 anliegenden stromabwärtigen Ende hat, kann als durch die Linie A in F i g. 2 definierter Konus mit dem Kegelhalbwinkel <5 angesehen werden, dessen Wärmedehnung sich aus einer Axialkomponente und einer Radialkomponente zusammensetzt.

1st das stromaufwärtige, mit der Auslaßkanalwand verbundene Ende des Ringflansches heißer als sein stromabwärtiges, an der Stützfläche 21 anliegendes Ende, tritt wegen der dann stärkeren Durchmesservergrößerung des heißeren stromaufwärtigen Endes in einer Richtung B eine Verringerung des Kegelhalbwinkels δ und folglich eine Verstärkung der axialen Dehnungskomponente auf. Einer solchen. Verstärkung der axialen Dehnungskomponente wird bei der beschriebenen Anordnung dadurch entgegengewirkt, daß das stromaufwärtige Ende des Ringflansches 20 so gekühlt wird, daß die Temperatur des Ringflansches über seine gesamte Länge etwa gleichförmig bleibt. Hierzu dient die durch die Kühlluftbohrungen 27 und die Kühlluftöffnungen 29 hindurchtretende und an der Verbindungsstelle 24 vorbeiströmende Kühlluft.

Die Kühlluftbohrungen 27 sind jedoch so bemessen, daß die Kühlwirkung des durch sie hindurchtretenden Luftstromes auf dem Weg zum stromabwärtigen Ende des Auslaßkanalwand-Endteils 26 verschwindet, d. h. daß der Kühlfilm 28 sich mit den heißen Abgasen vermischt, so daß das Auslaßkanalwand-Endteil 26 beträchtlich heißer als die Verbindungsstelle 24 wird. Der Auslaßkanalwand-Endteil 26 ist außerdem konisch, wie durch den Kegelhalbwinkel tx angedeutet ist, so daß hier zu der normalen axialen Dehnung noch die Verstärkungswirkung infolge der stäkeren Durchmesservergrößerung des heißeren stromabwärtigen Endes hinzutritt, was die Verengung des Axialspalts 31 im Betriebszustand begünstigt.

Der Turbineneintrittsleitkranz 13 weist weiter eine radial innere Ringwand 32 auf, die stromabseitig bei 32Λ mit einem Ring 33 verbunden ist. Die radial innere Auslaftkanalwand des Auslaßkanals 12 ist mit einem inneren Ringflansch 34 verbunden, der einen an dem Ring 33 befestigten radialen Flanschteil 35 aufweist. Der sich von der Verbindungsstelle 38 mit dem inneren

Ringflansch 34 stromabwärts erstreckende Endteil 36 der radial inneren Auslaßkanalwand endigt in einer Stirnfläche 36A welche unter Bildung eines Axialspalts 43 der stromaufwärtigen Stirnfläche 37 der inneren Ringwand 32 des Turbineneintrittsleitkranzes gegenüberliegt. Stromauf der Verbindungsstelle 38 sind in der inneren Auslaßkanalwand Kühlluftbohrungen 39 zur Bildung eines Kühlfilms 41 auf der inneren Oberfläche der Auslaßkanalwand gebildet, und der innere Ringflansch 34 weist Kühlluftöffnungen 40 auf, durch welche ein Kühlluftstrom 42 zu den radial inneren Enden der Leitschaufeln des Turbineneintrittsleitkranzes gelangt. Der einen unvermeidbar ziemlich großen Kegelhalbwinkel β aufweisende innere Auslaßkanalwand-Endteil 36 ist im Verhältnis zum Ringflansch 34 axial kurz, und der Ringflansch 34 verläuft unter einem Kegelhalbwinkel γ konisch. Die Kühlluftbohrungen 39 befinden sich so weit stromaufwärts der Verbindungsstelle 38, daß der Kühlfilm 41 beim Erreichen der Verbindungsstelle 38 bereits zerstört ist, so daß die Verbindungsstelle 38 trotz der Kühlwirkung der durch die Kühlluftöffnungen 40 hindurchtretenden Kühlluftströmung 42 eine höhere

ίο Temperatur als der radiale Planschteil 35 des Ringflansches 34 erreicht. Aufgrund dieser Anordnung wird im Betrieb wiederum eine Verengung des Axialspalts 43 erreicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gasturbinenanlage mit einer Dichtungseinrichtung für den zwischen dem stromabwärtigen Ende der radial äußeren ringförmigen Auslaßkanalwand zumindest einer ringförmig um die Welle der Gasturbinenanlage angeordneten Brennkammer und dem stromaufwältigen Ende der äußeren Ringwand eines axial durchströmten Turbineneintrittsleitkranzes gelegenen Axialspalt, wobei

   a) die Auslaßkanalwaiid sich in Strömungsrichtung konisch verjüngt und an einer in der Nähe des stromabwärtigen Endes ihrer äußeren Oberfläche gelegenen Verbindungsstelle mit einem die Ringwand überdeckenden Ringflansch fest verbunden ist, der an seinem stromabwärtigen, am Gehäuse der Gasturbinenanlage axial festgelegten Ende einen größeren Durchmesser aufweist eis an der Verbindungsstelle mit der Auslaßkanalwand,

   b) zwischen dem Ringflansch und der Ringwand ein Ringraum gebildet ist,

   c) stromaufwärts der Verbindungsstelle axial gerichtete und die Auslaßkanalwand durchdringende Kühlluftbohrungen vorgesehen sind, die mit einem Teil von zwischen der Auslaßkanalwand und dem Gehäuse der Gasturbinenanlage strömender Kühlluft auf der inneren Oberfläche der Auslaßkanalwand einen Kühlfilm erzeugen, und

   d) die Außenseite des Ringflansches von dem Rest der Kühlluft umspült ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   e) die Verbindungsstelle (24) zwischen Ringflansch (20) und Auslaßkanalwand (26) einen Abstand vom stromabwärtigen Ende (26A) der Auslaßkanalwand hat,

   f) der Ringflansch (20) im Bereich der Verbindungsstelle (24) Kühlluftöffnungen (29) aufweist,

   g) die axial gerichteten Kühlluftbohruagen (27) in der Auslaßkanalwand (26) derart bemessen sind, daß der durch sie erzeugte Kühlfilm auf den Bereich der Verbindungsstelle (24) beschränkt ist, und

   h) der Ringflansch (20) und die Ringwand (17) an ihren stromabwärtigen Enden axial fest miteinander gekuppelt sind.