DE2940499C2 - Ringbrennkammer für eine Gasturbine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer für eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die bei bekannten Gasturbinen verwendeten Ringbrennkammern sind zwischen Verdichter und Turbine angeordnet und haben in der Regel keine Teilungsebene. Die Gesamtanordnung der Gasturbine erfolgt durch aufeinanderfolgende Montage der Ständerteile unter gleichzeitiger Schaufelanstellung oder Montage der Turbinenläufer. Die Demontage der Gasturbine wird in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt Infolgedessen ist der Arbeitsaufwand bei der Herstellung und speziell bei der Wartung des Triebwerkes erheblich, weil seine zu besichtigenden und zu reparierenden Elemente schwer zugänglich sind.

Man benötigte daher Ringbrennkammern mit einer in der Teilungsebene der übrigen Bestandteile der Gasturbine befindlichen Längsteilung.

Die größte Schwierigkeit bereitet dabei das unter der Hochtemperatureinwirkung stehende Flammrohr der Brennkammer, dessen Bauweise der Anforderung erhöhter Starrheit unter Gewährleistung der Wärmeausdehnungsfreiheit seiner Einzelelemente entsprechen muß, weil sich sonst ein Formverlust des Flammrohres, das Auftreten von Wärmespannungen und, als Folge davon, das Verziehen der Flammrohrelemente und die Bildung von Rissen in diesen ergibt, was den Ausfall sowohl der Brennkammer als auch der ganzen Gasturbine bedingt.

Man hat deshalb eine Ringbrennkammer mit Wärmeausgleich ihrer Einzelelemente entwickelt (GBPS 7 99 605), die eine im Eintrittsquerschnitt angeordnete Brennereinrichtung und ein Flammrohr aufweist, das von zwei konzentrisch angeordneten Außen und Innenmänteln gebildet wird.

Der Außenmantel ist in Längsrichtung in Sektionen

zerschnitten. Auf jeder Schnittlinie hat jede Sektion aufeinanderfolgende Vorsprünge und Einbuchtungen, die beim Zusammenbau des Mantels miteinander in Eingriff kommen, wobei sie eine bewegliche Verbindung bilden, die die Wärmeverformungen der Brennkammer in Umfangsrichtung teilweise ausgleicht Der äußere Mantel der Brennkammer ist bei großen Abmessungen, wie sie für Brennkammern von ortsfesten Gasturbinen kennzeichnend sind, unzureichend starr, so daß die Betriebssicherheit der Brennkammer und der Gasturbine insgesamt herabgesetzt wird.

Bei einer weiteren bekannten Ringbrennkammer einer Gasturbine hat die Brennkammer, die mit der Teilungsebene des Triebwerkes zusammenfällt (Trudy Uralskogo turbomotomogo zavoda »Opyt sozdania turbin i dizelei«, Abhandlungen der UralTurbinentriebwerkfabrik »Erfahrungen mit dem Turbinen und Dieselmotorenbau«, Heft 2,1972, S. 88—94).

Die Ringbrennkammer hat eine in ihrem Eintrittsquerschnitt befestigte Frontbrennereinrichtung und ein Flammrohr, das von zwei konzentrisch angeordneten Außen und Innenmänteln gebildet wird, deren Oberflächen eine krummlinige Kontur haben. Jeder der Mäntel ist in Längsrichtung in Sektionen unterteilt, wobei die Schnittstellen mit Dichtungselementen abgeschlossen sind, die die Form von zwei Platten haben. Die eine Platte ist flach und mit dem einen Ende mit einer Sektion verbunden. Mit dem anderen Ende liegt sie frei auf e'er anderen Sektion auf. Die zweite Platte ist mit dem einen Ende mit der Sektion, auf der die erste Platte frei aufliegt, verbunden, umfaßt mit dem anderen Ende diese Platte und bildet dabei zusammen mit ihr und der Sektion eine bewegliche »ZapfenNut«Verbindung. Zum Verbinden der Sektionen des Außen und Innenmantels ist im Eintrittsbereich der Brennkammer eine Haltevorrichtung vorgesehen, die als massives Gerüst ausgeführt ist das eine Längsteilung aufweist und sich aus mehreren massiven Ringen zusammensetzt, von denen mindestens einer die Sektionen des Außenmanteis und ein anderer diejenigen des Innenmantels umfaßt Diese Ringe sind durch Rippen starr miteinander verbunden, von denen zwei, die sich in der horizontalen Längsebene in jeder Hälfte der Gerüstteilfuge befinden, einen Flansch der Teilfuge bilden. Ein Teil der anderen Rippen wird zur starren Befestigung des Gerüstes im Motorgehäuse benutzt

Zum Verbinden der Sektionen des Außen und Innenmantels sind im Austrittsquerschnitt der Brennkammer einzelne Kraftübertragungsringe vorgesehen, die am Motorgehäuse ebenfalls starr befestigt sind. Die in Form eines Ringgerüstes ausgeführte Haltevorrichtung und die Halteringe sind also starr am Turbinengehäuse befestigt wodurch sie ein einheitliches starres System bilden.

In Betrieb stellt sich in der Brennkammer, speziell bei nichtstationären Betriebszuständen, zwischen dem Ringgerüst und den Mantelsektionen ein großer Temperaturunterschied ein, der zum Auftreten von Wärmeausdehnung der Sektionen in bezug aufeinander und in bezug auf das Gerüst führt Jede Sektion ist in Ringen, die einen Ringdurchlaß aufweisen, mittels einer Klammer befestigt Wegen der starren Befestigung des Gerüstes und der einzelnen Halteringe am Motorgehäuse ermöglichen der Ringdurchlaß und die Klammern gleichzeitig einen Wärmeausgleich in Radial, Umfangs und Längsrichtung. Diese Befestigung ist außerordentlich kompliziert. Sie kann infolge fehlender Möglichkeiten zur Wärmeausdehnung zum Auftreten von Wärme-

spannungen führen, welche ein Verziehen der Brennkammer z.B. in ihrem Eintrittsquerschnitt und einen Formverlust verursachen und ein sicheres Arbeiten der Brennkammer nicht gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine s Ringbrennkammer für Gasturbinen zu schaffen, bei der eine Verbindung der Mantelsektionen des Flammrohres mit den Halteelementen derart vorgesehen ist, daß keine Spannungen in den Sektionen des Außen und Innenmantels des Flammrohres der Brennkammer ig durch Wärmeverformungen auftreten bei Beibehaltung einer erhSJUen Steifigkeit des Flammrohres.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen gelöst

In Betrieb der Gasturbine findet in der Brennkammer is eine unterschiedliche Erwärmung des Außen und Innenmantels der ringförmigen Halteelemente sowie des Turbinengehäuses statt Die Höchsttemperatur wird dabei am Außen und am Innenmantel des Flammrohres erreicht Die größte Temperaturdifferenz ergibt sich zwischen dem Außen und dem Innenmantel und den ringförmigen Halteelementen.

Zur Beseitigung des Wärmeausdehnungsunterschiedes in Radialrichtung zwischen dem Außen und Innenmantel des Flammrohres der Brennkammer und den ringförmigen Halteelementen sind die Mantel geschlitzt und in einzelnen Sektionen ausgeführt, die untereinander mit dem erforderlichen Spiel angeordnet sind, das mit Dichtungselementen abgedichtet ist, die die gegenseitige Ausdehnung der Sektionen bei Erwärmung nicht beeinträchtigen.

Dies reicht aber zum sicheren Arbeiten der Brennkammer nicht aus, weil noch recht komplizierte Verschiebungen bei Wärmeausdehnungen zwischen den Sektionen des Außen und des Innenmantels, den ringförmigen Halteelementen und dem Turbinengehäuse kompensiert werden müssen, um das Auftreten von Spannungen in den Mantelsektionen des Flammrohres durch Wärmeverformungen auszuschalten und um zugleich ihre geometrische Form unter den Betriebsbedingungen erhalten zu können.

In der erfindungsgemäßen Brennkammer werden durch einfache Mittel gegenseitige Verschiebungen bei Wärmeausdehnungen ermöglicht nämlich erstens in Umfangsrichtung zwischen den Mantelsektionen durch eine Verbindung der Sektionen des Außen und des Innenmantels mit den entsprechenden ringförmigen Halteelementen, bei der jede Sektion mit ihrem mittleren Teil .starr am ringförmigen Halteelement befestigt ist mit ihren Enden mit dem ringförmigen so Element auf eine Art verbunden ist die Verschiebungen in Umfangsrichtung zuläßt und zugleich in Radialrichtung festgehalten wird, und zweitens in Längs und Radialrichtung zwischen den ringförmigen Halteelementen und dem Turbinengehäuse mit Hilfe von mindestens zwei ringförmigen Halteelementen für jeden der Mantel, von. denen eines im Bereich des Eintrittsquerschnitts der Brennkammer angeordnet und in Längs und Radialrichtung verschiebbar ist, während das andere sich im Bereich des Austrittsquerschnitts der Brennkammer befindet radial verschiebbar ist wodurch der Wärmeausdehnungsunterschied zwischen den Sektionen, den ringförmigen Halteelementen und dem Turbinengehäuse vollständig ausgeglichen werden kann.

Dadurch kann das Auftreten von Spannungen durch Wärmeverformungen verhindert und die Robustheit der Konstruktion erhöht werden, was die Betriebssicherheit der Ringbrennkammer, die eine Längsteilungsebene aufweist sowie der Gasturbine insgesamt wesentlich steigert

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen Lüngsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ringbrennkammer; F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie IHI von F i g. 1; F i g. 3 eine Ansicht in Pfeilrichtung A von F i g. 2; F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IVIV von F i g. 3; F i g. 5 die Baugruppe B von F i g. 2; F i g. 6 einen Schnitt längs der linie VIVI von F i g. 5; Fig.7 einen Schnitt längs der Linie VIIVII von Fig.2;

F i g. 8 die Baugruppe Cvon F i g. 1; F i g. 9 einen Schnitt längs der Linie IXIX von F i g. 3; ¹S i g. 10 einen Schnitt längs der Linie XX von F i g. 2 und

F i g. 11 einen Schnitt längs der Linie XIXI von Fig. 10.

Die Ringbrennkammer 1 (Fig. 1) ist im Gehäuse 2 einer Gasturbine angeordnet und sitzt zwischen dem Lufttrichter 3 des Verdichters und dem Gehäuse 4 des Leitapparates 5 der Gasturbine.

Die Brennkammer 1 hat eine Teilungsebene, die mit der der Gasturbine zusammenfällt. Im Eintrittsquerschnitt der Brennkammer 1 ist eine Frontbrennereinrichtung 6 angeordnet an die sich ein Gaszuführungsstutzen 7 sowie ein Flammrohr 8 anschließen. Das Flammrohr 8 besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Außen und Innenmänteln 9 bzw. 10 mit Oberflächen, die sich aus einer Zylinderfläche und einer Kegelfläche zusammensetzen, welche in Strömungsrichtung im Querschnitt abnimmt und mit der Zylinderfläche verbunden ist Jeder der Mantel 9 und 10 ist in Längsrichtung in Sektionen 11 bzw. 12 (Fig.2) unterteilt Auf der ganzen Länge sind die Schnittstellen mit Dichtungselementen verschlossen, die in Form gewellter Federn 13 (F i g. 3) ausgeführt sind, wobei ein Ende jeder Feder 13 starr an einer der Sektionen 11 befestigt ist und das andere Ende auf der benachbarten Sektion 11 aufliegt ohne die gegenseitigen Wärmeausdehnungen dieser Sektionen in Umfangsrichtung zu behindern. Ähnlich sind auch die Dichtungselemente an dem Innenmantel 10 ausgebildet

Zur Verbesserung der Wirkungsweise der Feder 13 als Dichtungselement sind an der äußeren Sektion 11, auf der ein Ende der Feder 13 frei aufliegt, befestigte Platten 14 (F i g. 4) vorgesehen, die auf den Welluingen der Feder 13 ruhen und in einem gewissen Abstand voneinander über der Länge der Sektion in Längsrichtung angeordnet sind.

Die Sektionen 11 des Außenmantels 9 und die Sektionen 12 des Innenmantels 10 sind jeweils an mindestens zwei ringförmigen Halteelementen 15, 16 (Fig. 1) bzw. 17,18 befestigt

Die Befestigung der Sektionen 11 an den ringförmigen Halteelementen 15,16 (Fig.3) erfolgt derart, daß die Sektionen 11 im Bereich der ringförmigen Halteelemente 15, 16 mit ihrem mittleren Teil durch Winkel 19 und Walzen 20 an diesen starr befestigt sind. Mit ihren Enden sind die Sektionen 11 durch Winkel 21 (Fig.5, 6) befestigt, die ovale Löcher 22 (Fig.5) aufweisen, in die im ringförmigen Halteelement 16 angeordnete Walzen 23 hineinragen.

Aus F i g. 2 bis 5 ist zu ersehen, daß die Sektionen U bei einer Wärmeausdehnung in bezug auf die ringförmigen Halteelemente 15,16 (F i g. 3) in Umfangsrichtung

' verschiebbar sind.

Die Befestigung der Sektionen 12 des Innenmantels 10 an den ringförmigen Halteelementen 17, 18 ist ähnlich ausgeführt Der Aufbau der gleich ausgebildeten ringförmigen Halteelemente 15,16,17,18 (F i g. 1) wird s anhand des Elementes 15 (Fig.3) erläutert Das ringförmige Halteelement 15 besteht aus zwei Hälften 24 und 25, die auf der Teilfuge durch Winkel 26 starr verbunden sind, von denen jeder mit jeder der zwei Hälften 24 und 25 verbunden ist. Die Winkel sind durch ι ο Schraubenbolzen 27 miteinander verbunden, so daß die beiden Hälften eine starre lösbare Verbindung aufweisen.

Die im Bereich des Austrittsquerschnitts der Brennkammer 1 angeordneten ringförmigen Halteelemente 16,18 (Fig. i) besitzen eine freie radiale Verschiebbarkeit in bezug auf das Gehäuse 4 des Leitapparates 5 der Gasturbine. Diese freie Verschiebbarkeit wird z. B. für das ringförmige Halteelement 16 mit Hilfe eines Kragstückes 28 (Fig.7) erreicht welches mit einem Ende am Gehäuse 4 befestigt ist An dem anderen Ende ist ein Zapfen ausgebildet der in die Nut eines Winkelstücks 29 hineinragt dessen Bolzen 30 in ein radiales Loch 31 des ringförmigen Halteelementes 16 paßt Das Kragstück 28 ist mittels eines versplinteten Bolzens 32 mit dem Winkelstück 29 verbunden. Die freie radiale Verschiebbarkeit des ringförmigen Halteelementes 16 wird durch einen am Halteelement 18 ausgebildeten Bund 33 (Fig.8) erreicht der in einen Ringdurchlaß 34 des Gehäuses 4 hineinragt indem er das ringförmige Halteelement 18 in Längsrichtung blockiert und eine Wärmeausdehnung in Radialrichtung bezüglich des Gehäuses 4 zuläßt Zum Wärmeschutz des Gehäuses 4 ist eine mit den Sektionen 12 verbundene Abschirmung 35 vorgesehen.

Das im Bereich des Eintrittsquerschnitts der Brennkammer 1 befindliche ringförmige Halteelement 15 (Fig. 1) ist relativ zum Gehäuse 2 in Längs und Radialrichtung verschiebbar. In der Teilebene des Halteelementes 15 sind hierzu Leisten 37 (Fig.9) befestigt die in einer Aussparung 38 im Flansch der Längsteilung des Gehäuses 2 mit einem Radialspiel 39 (F i g. 10) und einem Längsspiel 40 untergebracht sind.

Das ringförmige Halteelement 17 (F i g. 1), das sich im Bereich des Eintrittsquerschnitts der Brennkammer 1 befindet ist in bezug auf den Lufttrichter 3 in Längs und Radialrichtung verschiebbar. In der Teilebene des Halteelementes 17 (Fig. 11) sind dazu Leisten 41 befestigt die in einer Aussparung 42 im Flansch der Längsteilung des Lufttrichters 3 mit einem Radialspiel 43 (Fig. 10) und einem Längsspiel 44 untergebracht sind.

Zur Aussteifung und Dichtigkeitserhöhung der Teilfuge des Innenmantels 10 ist dieser mit zusätzlichen Halbringen 45 und 46 (s. F i g. 1,10) bewehrt die mit ihm ähnlich wie die ringförmigen Halteelemente 17 und 18 verbunden sind. Zur Vereinfachung der Demontage der Brennkammer 1 weisen die Halbringe 45 und 46 keine starre Verbindung miteinander auf, stützen sich nur in der Teilungsebene aufeinander und sind z. B. mit einer Keilverbindung in Radialrichtung gegeneinander gesichert.

Zur Temperaturabsenkung des Lufttrichters 3 sind Schirme 47, die aus einer Reihe von in der Teilungsebene geöffneten zylinderförmigen Hüllen bestehen, zwischen dem Lufttrichter 3 und dem Innenmantel 10 (s. Fig. 10) an den ringförmigen Halteelementen 17 und 18 und den zusätzlichen Halbringen 45 und 46 befestigt

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ringbrennkammer für eine Gasturbine mit einer in ihrem Eintrittsquerschnitt befindlichen Frontbrennereinrichtung, mit einer Teilungsebene, die mit der der Gasturbine zusammenfällt und mit eisern Flammrohr, das von zwei konzentrisch angeordneten Außen und Innenmänteln mit krummlinigen Oberflächen gebildet wird, von denen jeder durch längsverlaufende Schnittstellen in Sektionen unterteilt ist, wobei die Schnittstellen durch Dichtungselemente geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ringförmige, in der Teilungsebene der Brennkammer geteilte Halteelemente (15, 16, 17, 18) für jeden Mantel (9, 10) vorgesehen sind, von denen jeweils eines (15,17) im Bereich des stromaufwärtigen Endes jedes Mantels (9, 10) angeordnet und in Längs und Radialrichtung verschiebbar ist, während das andere (16,18) sich im Bereich des Austrittsquerschnitts der Brennkammer (1) befindet und radial verschiebbar ist und daß jede der Sektionen (11,12) der Mäntel (9, 10) mit den entsprechenden ringförmigen Halteelementen (15,16,17,18) derart verbunden ist, daß die Sektion (U, 12) mit ihrem in Umfangsrichtung gesehen mittleren Teil starr und mit ihren Enden in Umfangsrichtung verschieblich mit den Halteelementen verbunden ist