EP1327107A1

EP1327107A1 - Gasturbine und verfahren zur dämpfung von schwingungen einer ringbrennkammer einer gasturbine

Info

Publication number: EP1327107A1
Application number: EP01972093A
Authority: EP
Inventors: Roderich Bryk; Otmar Gossmann; Harald Hoell; Burkhard Voss
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-07-16
Also published as: WO2002033323A1; JP2004511752A; US6988366B2; US20040025514A1; EP1199521A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine (3) mit einer Ringbrennkammer (9) und einer Ringbrennkammeraussenwand (23). Auf der Ringbrennkammeraussenwand (23) ist ein Spannring (27) angeordnet, der über Reibung zu einer Dämpfung von Schwingungen der Aussenwand (23) führt. Die Auswirkungen von Verbrennungsschwingungen durch schädigende Vibrationen der Ringbrennkammer (9) werden so reduziert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Dämpfung einer Schwingung einer Ringbrennkammeraussenwand (23).

Description

Beschreibung

Gasturbine und Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen einer Ringbrennkammer einer Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Verdichter, einer Ringbrennkammer und einem Turbinenteil. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen einer Ringbrennkammer einer Gasturbine.

In der DE 43 39 094 A ist ein Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in der Brennkammer einer Gasturbine beschrieben. Bei der Verbrennung von Brennstoffen in der Brennkammer einer stationären Gasturbine, eines Flugzeug- triebwerks oder dergleichen kann es aufgrund der Verbrennungsvorgänge zu Instabilitäten oder Druckschwankungen kommen, die unter ungünstigen Verhältnissen thermoakustische Schwingungen anregen, die auch Verbrennungsschwingungen genannt werden. Diese stellen nicht nur eine unerwünschte Schallquelle dar, sondern können zu unzulässig hohen mechanischen Belastungen der Brennkammer führen. Eine solche thermoakustische Schwingung wird aktiv dadurch gedämpft, daß durch Eindüsen eines Fluides der Ort der mit der Verbrennung verbundenen Wärmefreisetzungsschwankung gesteuert wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbine mit einer Ringbrennkammer, die besonders robust gegenüber Verbrennungsschwingungen ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Dämpfung der Schwingung einer Ringbrennkammer einer Gasturbine.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe einer Gasturbine mit einem Verdichter, einer Ringbrennkammer und einem Turbinenteil, wobei die Ringbrennkammer eine Außenwand mit einer Außenoberfläche aufweist und wobei die Ringbrennkammer auf ihrer Außenoberfläche von einem Spannring umgeben ist. 00 > M M h-> P¹

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a) Vorzugsweise weist die Außenoberfläche eine zylindrische Kontaktfläche auf, auf der der Spannring aufliegt. Durch eine solche zylindrische Kontaktfläche liegt der Spannring rutschsicher auf. Da die Spannringkraft radial nach innen wirkt, wird auf einer abgeschrägten Auflagefläche für den Spannring ansonsten die Gefahr eines Abrutschens bestehen. Weiter bevorzugt ist die zylindrische Kontaktfläche durch eine in Um- fangsrichtung verlaufende Rippe gebildet.

b) Bevorzugt ist der Spannring aus mindestens zwei Spannringsegmente entlang seiner Umfangsrichtung aufgebaut. Dies ermöglicht eine vereinfachte Montage des Spannrings. Weiter bevorzugt sind die Spannringsegmente durch eine Spannvorrichtung verbunden. Diese Spannvorrichtung dient dem Einstellen einer Vorspannung im Spannring und damit insbesondere auch dem Einstellen für die Energiedissipation bestimmte Schwingungsformen besonders geeigneten Spannkraft.

c) Vorzugsweise weist der Spannring eine Ausnehmung so auf, daß er mit der Ausnehmung die Rippe zumindest teilweise umschließend auf der Rippe aufliegt. Dies führt zu einer weiter verbesserten Auflagesicherung für den Spannring.

d) Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung eine Zugstange auf, die in eine Zugöse eingreift, wobei zwischen Zugstange und Zugöse mittels einer Feder eine Vorspannkraft eingestellt ist. Weiter bevorzugt ist die Zugöse in Langlöchern verschiebbar angeordnet.

Die Ausführungen nach den Merkmalen a) bis c) sind auch in einer beliebigen Weise miteinander kombinierbar.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines Verfahrens zur Dämpfung von Schwin- gungen einer Ringbrennkammer einer Gasturbine, bei dem durch Einstellen einer Spannkraft auf einen um den Außenumfang der Ringbrennkammer verlaufenden Spannring eine Dissipation von Schwingungsenergie der Ringbrennkammer durch Reibung am Spannring und damit die Dämpfung der Schwingung verursacht wird.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen der Gasturbine.

Vorzugsweise wird die Spannkraft auf eine vorherrschende Schwingungsfrequenz abgestimmt eingestellt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 eine Gasturbine,

Figur 2 eine Ringbrennkammeraußenwand mit einem Spannring,

Figur 3 ein Spannringsegment mit einer Sicherungsöse,

Figur 4 ein auf einer Rippe aufsitzender Spannring in einem Querschnitt,

Figur 5 die Verbindung zweier Spannringssegmente und Figur 6 eine weitere Verbindung zweier Spannringsegmente.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Figur 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine Gasturbine 3. Die Gasturbine 3 ist entlang einer Achse 5 gerichtet und weist hintereinandergeschaltet einen Verdichter 7, eine Ringbrennkammer 9 und ein Turbinenteil 11 auf. Vom Verdichter 7 wird Luft 13 angesaugt und hochverdichtet. Die hochverdichtete Luft 13 wird der Ringbrennkammer 9 zugeleitet. Dort wird sie unter Zugabe von Brennstoff verbrannt. Das entstehende Heißabgas 15 wird dem Turbinenteil 11 zugeleitet. Die Ring- brennkam er 9 weist eine Außenwand 23 mit einer Außenoberfläche 25 auf. Auf der Außenoberfläche 25 verläuft in Umfangsrichtung eine Rippe 29, die radial außenliegend eine zylin- drische Kontaktfläche 28 aufweist. Auf der zylindrischen Kontaktfläche 28 liegt ein die Ringbrennkammer 9 umgebender Spannring 27 auf.

Bei der Verbrennung in der Ringbrennkammer 9 kann es zu Flammeninstabilitäten kommen, die wiederum Druckpulsationen in der Ringbrennkammer 9 zur Folge haben. Die von der Ringbrennkammerwand reflektierten Druckpulsationen werden auch an den Ort der Verbrennung zurückreflektiert. Dort können sie bei richtiger Phasenlage Flammeninstabilitäten so verstärken, daß es zum Aufbau einer stabilen Verbrennungsschwingung durch das rückgekoppelte System kommt. Diese Verbrennungsschwingung kann so erheblich sein, daß beschädigende Vibrationen in der Gasturbine 3 aufgebaut werden. Insbesondere die Ringbrennkam- mer 9 ist diesen Vibrationen ausgesetzt. Die Vibrationen übertragen sich auch auf die Rippen 29 und führen zu einer Reibung des Spannringes 27 an der zylindrischen Kontaktfläche 28. Hierdurch wird Schwingungsenergie der Ringbrennkammerschwingung in Wärme umgesetzt und damit die Schwingung ge- dämpft. Zudem benötigt der Spannring 27 keine externen Stützpunkte, d. h. es ist keine externe Kompensation von thermisch bedingten Relativbewegungen erforderlich. Dies ist besonders bedeutsam, wenn externe Stützpunkte auch nur zeitweise ein deutlich anderes Temperaturniveau annehmen würden, als die zu ^' bedämpfende Struktur. In diesem Fall wäre eine Kompensation der Dehnungsunterschiede mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Die Reibung des Spannringes 27 an der Rippe 29 entsteht dadurch, daß die neutralen Fasern einerseits der Rippe 29 und andererseits des Spannrings 27 auf verschiedenen Durchmessern liegen. Kommt es nun im Betrieb zu Schwingungsanregungen und demzufolge zu elastischen Verformungen, z. B. ovalisieren, der Außenwand 23, so folgt der Spannring 27 dieser Verformung, wobei sich der Krümmungsradius der Kontaktfläche 28 zyklisch ändert. Bei einer Verkleinerung des Krümmungsradius ergibt sich eine Verlängerung der äußeren, näher zur Kontaktfläche 28 liegenden Materialfasern der Rippe 29. Im Gegensatz dazu werden die nahe der Kontaktfläche 28 liegenden Randfa- 00 00 IV> IV> X-¹ P¹ cπ o cπ o Cπ o Cπ

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Figur 3 zeigt ein Spannringsegment 27d. Das Spannringsegment 27d weist an einem Ende eine Ausnehmung 81 auf, mit der es über Bolzen 83 mit einem benachbarten Spannringsegment verbindbar ist. Auf der anderen Seite des Spannringsegmentes ist ebenfalls eine Verbindung zu einem benachbarten Spannringsegment über eine Verjüngung 85 der Spannringsegmentdicke und einer .Bohrung 87 möglich. Diese beiden Verbindungsarten werden später näher erläutert. Das Spannringsegment 27d weist eine Eingriffsnut 89 auf, die bei Montage des Spannringseg- mentes 27d mit einer Führungslasche 91 im Eingriff ist. Die Führungslasche 91 ermöglicht ein formschlüssiges Führen des Spannringsegmentes 27d entlang des Umfanges bei der Montage. Im Unterteil der Außenwand 23 verhindern die Führungslaschen 91 bei der Montage ein Wegschwenken des Spannringsegmentes 27d. Diese Maßnahme wird natürlich auch bei den anderen

Spannringsegmenten im Unterteil der Außenwand 23 angewendet.

Figur 4 zeigt in einem Querschnitt, wie der Spannring 27 auf der Rippe 29 aufsitzt. Der Spannring 27 weist an seiner Un- terseite eine Ausnehmung 30 auf. Die Ausnehmung 30 ist durch zwei an der Unterseite des Spannringes 27 in axialer Richtung außenliegenden in Umfangsrichtung laufenden Stege 71 gebildet. Die Stege 71 umgreifen die Rippe 29. Die Rippe 29 ist dabei aus zwei in Umfangsrichtung umlaufender, axial beab- standeter Rippenstege 29a gebildet, zwischen denen in radialer Richtung nach oben versetzt ein in radialer Richtung nach unten geöffnetes u-förmiges Tragteil 29b befestigt ist. Das u-förmige Tragteil 29b weist auf seiner radial außenliegenden Oberfläche die Kontaktfläche 28 auf. Der Spannring 27 weist in axialer Richtung eine Breite von etwa 70 mm auf. Die Höhe des Spannringes 27 in radialer Richtung inklusive der die Rippe 29 einschließenden Ansätze 71 beträgt etwa 80 mm, während die radiale Höhe Hl des Spannringes 27 ohne die Ansätze 71 etwa 60 mm beträgt.

Figur 5 zeigt eine als Koppelglied 51 ausgebildete Segmentverbindung zwischen zwei Spannringsegmenten 27d, 27e. Das rv> κ> P-¹ I-¹

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Claims

Patentansprüche

1. Gasturbine (3) mit einem Verdichter (7), - einer Ringbrennkammer (9) und einem Turbinenteil (11) , wobei die Ringbrennkammer (9) eine Außenwand (23) mit einer Außenoberfläche (25) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ringbrennkammer (9) auf ihrer Außenoberfläche (25) von einem Spannring (27) umgeben ist.

2. Gasturbine (3) nach Anspruch 1, bei der die Außenoberfläche (25) eine zylindrische Kontaktfläche (28) aufweist, auf der der Spannring (27) aufliegt.

3. Gasturbine (3) nach Anspruch 2, bei der die zylindrische Kontaktfläche (28) durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Rippe (29) gebildet ist.

4. Gasturbine (3) nach Anspruch 1, bei der der Spannring (27) aus mindestens zwei Spannringsegmenten (27a, 27b) entlang seiner Umfangsrichtung aufgebaut ist.

5. Gasturbine (3) nach Anspruch 4, bei der die Spannringsegmente (27a, 27b) durch eine Spannvorrichtung (31) verbunden sind.

6. Gasturbine (3) nach Anspruch 5, bei der der Spannring (27) eine Ausnehmung (30) so aufweist, dass er mit der Ausnehmung

(30) die Rippe (29) zumindest teilweise umschliessend auf der Rippe (29) aufliegt.

7. Gasturbine (3) nach Anspruch 5, bei der die Spannvorrich- tung (31) eine Zugstange (37) aufweist, die in eine Zugöse

(35) eingreift, wobei zwischen Zugstange (37) und Zugöse (35) mittels einer Feder (39) eine Vorspannkraft eingestellt ist.

8. Gasturbine (3) nach Anspruch 7, bei der die Zugöse (35) in Langlöchern (43) verschiebbar angeordnet ist.

9. Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen einer Ringbrennkammer (9) einer Gasturbine (3), bei dem durch Einstellen einer Spannkraft auf einen um den Außenumfang der Ringbrennkammer (9) verlaufenden Spannring (27) eine Dissipation von Schwingungsenergie der Ringbrennkammer (9) durch Reibung am Spannring (27) und damit der Schwingung verursacht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Spannkraft auf eine vorherrschende Schwingungsfrequenz abgestimmt eingestellt wird.