DE4223733C2 - Verbindung von Mischrohr und Flammrohr einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbindung eines heißgasführenden Mischrohres mit dem im Brennkammergehäuse einer Gasturbine aufgehängten Flammrohr.

Im Rahmen der Neuentwicklung einer Gasturbine war u. a. das heißgasführende Mischrohr mit dem Flammrohr zu verbinden.

Bekannte diesbezügliche Konstruktionen beruhen u. a. auf dem Prinzip der Schiebeverbindung zwischen dem "kalten" Flammrohr und dem "heißen" Mischrohr.

Dabei ragt das Flammrohr mit dem Steinstützring in das Brennkammer- oder Mischgehäuse hinein, wobei durch Wärmeausdehnung ein mehr oder minder großer umlaufender Spalt frei wird, durch den Kühlluft strömt.

Das Mischgehäuse hat in diesem Fall eine eigene Aufhängung im Brennkammergehäuse. Aufgrund des großen Querschnittes des umlaufenden Spaltes und der notwendigen zusätzlichen Aufhängung des Mischgehäuses, die bei der erwähnten Neuentwicklung für eine 20°-Schräglage der Brennkammer hätte geeignet sein müssen, konnte dieses bekannte Konstruktionsprinzip hier nicht angewendet werden. Die durch den entstehenden umlaufenden Spalt tretende Verdichterluft hätte zu einer Verschlechterung der Kühlung in anderen Bereichen der Brennkammer geführt.

Bei dem Gasturbinentriebwerk nach der US-PS 41 87 674 verbindet ein Ring mit kreisförmigem Querschnitt einen konusförmigen stromaufwärtigen Flammrohrabschnitt mit einem stromabwärtigen Flammrohrabschnitt. Der konusförmige Flammrohrabschnitt dient als Einlaufkonus und nicht als Mischkonus. Der besagte Ring soll hier die Funktion erfüllen, Luft über Bohrungen in einen umlaufenden kanal zu bringen. Diese im wesentlichen radial nach innen aus dem Kanal austretende Luft soll einen Brennstoffilm von der Flammrohrinnenseite ablösen, so daß der Brennstoffilm in Wirbeln mitgerissen wird, die sich innerhalb des der Eintrittsseite zugekehrten Endes des Flammrohres bilden, damit er nicht an den Wänden des Flammrohres verbrennt.

Die US-PS 46 14 082 betrifft die Verbrennungskammer einer Gaturbine, die mit einem Hitzeschutz ausgerüstet ist, der aus für hohe Temperaturen geeignetem Werkstoff besteht. Diese Hitzeschutzvorrichtung besteht aus einer Vielzahl von Rohrabschnitten (panels), die gleitend auf einem Rahmen befestigt sind. Zur Kühlung gelangt ein Kühlmedium in den Raum (plenum), um die Rohrabschnitte durch Konvektion zu kühlen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wärmeelastische Aufhängung des Mischrohres zu finden, die folgende Kriterien erfüllt:

• - Verbindung von zwei Bauteilen mit unterschiedlichen thermischen Dehnungen,
• - minimale Beeinflussung des Kühlluftstromes innerhalb des Brennkammergehäuses,
• - Vermeidung einer zusätzlichen Mischrohrhalterung,
• - Weiterverwendung von bewährten Materialien und gängigen Blechdicken sowie Erzielung einer ausreichend großen Lebensdauer der wärmeelastischen Verbindung.

Die Lösung der Aufgabe ist im Hauptanspruch angegeben. Die abhängigen Unteransprüche beziehen sich auf eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstandes des Hauptanspruchs.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die wärmeelastische Verbindung zwischen Flammrohr und Mischrohr durch einen Zwischenring sowie mittels gewellter Distanzstücke.

Mit Abstand um den Konus des Mischrohres herum liegt der geschlitzte Zwischenring, der die eigentliche Halterung des Mischrohres darstellt. Als Verbindungselement dient ein gewelltes Distanzstück ("Wiggle-strip"), das zu beiden Seiten, zu dem Zwischenring und dem Mischrohr, punktgeschweißt ist. Der Zwischenring ist mit mindestens vier Sechskantschrauben mit Mutter am unteren Ende des Flammrohres, dem Steinstützring, verschraubt.

Das Flammrohr mit dem angeschraubten Mischrohr befindet sich im Brennkammergehäuse. Im Brennkammergehäuse werden beide Teile, das Flammrohr und das Mischrohr, durch die Aufhängung des Flammrohres am Brennkammergehäuse fixiert. Das Mischrohr hat keine separate Aufhängung zum Brennkammergehäuse.

Der Erfindung liegen folgende Prinzipien zugrunde:

Der Zwischenring kompensiert die unterschiedlichen thermischen Dehnungen des Steinstützringes (ca. 450°C) und des heißen Mischrohres (ca. 810°C).

Um die Spannungen im zulässigen Bereich zu halten, wird die Temperatur des Zwischenringes niedrig gehalten, die Dehnungsunterschiede zwischen Steinstützring und Mischrohr werden minimiert und Vorkehrungen zur Beseitigung der Tangentialspannungen getroffen.

Das Absenken der Temperatur wird erreicht durch folgende Maßnahmen:

• - Abschirmung des Zwischenringes von der Flammenstrahlung durch das Mischrohr,
• - Außen- und Innenkühlung des Zwischenringes mit Verdichterluft (350°C),
• - Kühlung der Verbindungsstelle Zwischenring/Mischrohr.

Zur Minimierung der Dehnungsunterschiede wird die Außenkühlung des Mischrohres im Bereich des Zwischenringes weiter aufrechterhalten. Dies wird durch gewellte Distanzstücke und durch Schlitze im Zwischenring erreicht. Die Schlitze im Zwischenring heben gleichzeitig die Tangentialspannungen im Bereich der Mischrohranbindung auf.

Um den inneren Konus des Mischrohres zu kühlen, wird Verdichterluft (ca. 350°C) durch die gewellten Distanzstücke in den umlaufenden Kühlkanal zwischen Mischrohr und Zwischenring gebracht, wodurch dieser Bereich durch Konvektion gekühlt wird. Diese Luft tritt nach oben aus dem Zwischenraum aus und vermischt sich mit der Luft, die durch die tangentialen Bohrungen des Steinstützringes ins Innere des Flammrohres strömt.

Damit sich aufgrund unterschiedlicher Temperaturen der drei miteinander durch Schweißpunkte verbundenen Bauteile, d. h. Zwischenring, Distanzstück und Mischrohr, keine Umfangsspannungen an der wärmeelastischen Verbindungsstelle ergeben, weisen die Distanzstücke am Umfang Zwischenräume auf. Jede Lasche des Zwischenringes ist mit zwei Schweißpunkten mit einem Distanzstück verbunden, jedes Distanzstück mit einem Schweißpunkt mit dem Konus des Mischrohres. Es kann auch in umgekehrten Sinn vorgegangen werden, so daß jede Lasche des Zwischenringes mit einem Schweißpunkt mit einem Distanzstück verbunden ist und jedes Distanzstück mit zwei Schweißpunkten mit dem Konus des Mischrohres.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von schematischen Zeichnungen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt des Brennkammergehäuses,

Fig. 2 einen Querschnitt im Bereich der wärmeelastischen Aufhängung,

Fig. 3 die Anordnung der wärmeelastischen Verbindung in der Draufsicht,

Fig. 4 die Anordnung der wärmeelastischen Verbindung im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Brennkammergehäuses (10), in dem im oberen Teil das Flammrohr (1) über Aufhängungen (18) befestigt ist. Das Flammrohr (1) ist mit einer keramischen Feuerfestmasse (9) ausgekleidet, die im unteren Teil von dem Steinstützring (2) gehalten wird.

Das Mischrohr (8) ist über den Zwischenring (6) am Flammrohr (1) befestigt.

In den Patentfiguren ist die Strömungsrichtung des Heißgases und der Kühlluft durch Pfeile gekennzeichnet.

Die Verdichterluft wird über den Eintrittskrümmer (19) in den umlaufenden Ringkanal (16) geleitet und gelangt über Bohrungen (17) in den Innenraum der Brennkammer (10) und verteilt sich danach auf Flammrohr (1) und Mischrohr (8).

In Fig. 2 ist der Bereich der wärmeelastischen Aufhängung dargestellt. Das Mischrohr (8) ist mittels gewellter Distanzstücke (7) mit dem Zwischenring (6) verbunden, der wiederum mit Befestigungselementen (Schraubverbindungen 3, 4, 5) am Flansch des Flammrohres (1) befestigt ist.

Zwischen Mischrohr (8) und Zwischenring (6) bildet sich ein umlaufender Kühlkanal (Ringraum 15), der von unten mit Kühlluft beaufschlagt wird. Die angesaugte Verdichterluft aus dem Ringkanal (16) tritt sowohl durch den als Kühlkanal vorgesehenen Ringraum (15) als auch durch Bohrungen (11) und den umlaufenden Spalt (12) in den inneren Brennraum (1, 8) der Brennkammer (10) ein.

Entsprechend den Fig. 3 und 4 erfolgt die Halterung des Mischrohres (8) über einen geschlitzten Zwischenring (6), der mit Abstand um den Konus des Mischrohres (8) herum angeordnet ist. Als Verbindungselement dient ein gewelltes Distanzstück (7) das zu beiden Seiten an den Laschen (6b) des Zwischenringes (6) punktgeschweißt ist.

Der Schweißpunkt (13) stellt die Verbindung zum Mischrohr (8), die Schweißpunkte (14) stellen die Verbindung zum Zwischenring (6) dar, der in diesem Bereich durch gleichmäßig am Umfang verteilte Längsschlitze (6a) in einzelne Laschen (6b) unterteilt ist.

Bezugszeichenliste

 1 Flammrohr
 2 Steinstützring
 3 Mutter
 4 Sicherungsblech
 5 Schraube
 6 Zwischenring
 6a Längsschlitz
 6b Lasche
 7 Gewelltes Distanzstück
 8 Mischrohr
 9 Keramische Auskleidung
10 Brennkammergehäuse
11 Kühlluftbohrung
12 Umlaufender Spalt
13 Schweißpunkt zwischen 7 und 8
14 Schweißpunkt zwischen 6, 6b und 7
15 Ringraum (Kühlkanal)
16 Ringkanal für Verdichterluft
17 Bohrungen in 16
18 Aufhängung von Flammrohr in 10
19 Eintrittskrümmer für Verdichterluft
20 Fuß des Brennkammergehäuses

Claims (3)

1. Verbindung eines heißgasführenden Mischrohres mit einem im Brennkammergehäuse einer Gasturbine aufgehängten Flammrohr, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Zwischenring (6) als Halterung für das Mischrohr (8) um den Konus des heißgasführenden Mischrohres (8) gelegt ist, der mittels lösbarer Befestigungselemente (3, 4, 5) flanschartig an einem Steinstützring (2) am mischrohrseitigen Ende des keramisch ausgekleideten Flammrohres (1) angeschlossen ist,
daß als Verbindungselement zwischen Zwischenring (6) und Mischrohr (8) an einem bezüglich der Kühlluft einströmseitigen Ende des Zwischenringes (6) gewellte Distanzstücke (7) befestigt sind,
daß der Zwischenring (6) am Umfang vertikale Schlitze (6a) aufweist und die Zwischenräume zwischen den Distanzstücken (7) sich mit den Schlitzen (6a) des Zwischenringes (6) decken,
daß die gewellten Distanzstücke (7) zum Mischrohr (8) und zum Zwischenring (6) punktverschweißt sind, und
daß die gewellten Distanzstücke (7) und der Ringraum (15) zwischen Zwischenring (6) und Konus des Mischrohres (8) einen Kühlkanal bilden.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede durch die vertikalen Schlitze (6a) entstehende Lasche (6b) des Zwischenringes (6) mit zwei Schweißpunkten (14) mit dem Distanzstück (7) und jedes Distanzstück (7) mittels einem Schweißpunkt (13) mit dem Konus des Mischrohres (8) verbunden ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lasche (6b) des Zwischenringes (6) mit einem Schweißpunkt (14) mit dem Distanzstück (7) und jedes Distanzstück (7) mittels zwei Schweißpunkten (13) mit dem Konus des Mischrohres (8) verbunden ist.