EP1398462A1 - Gas turbine and transition piece - Google Patents
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- EP1398462A1 EP1398462A1 EP02020693A EP02020693A EP1398462A1 EP 1398462 A1 EP1398462 A1 EP 1398462A1 EP 02020693 A EP02020693 A EP 02020693A EP 02020693 A EP02020693 A EP 02020693A EP 1398462 A1 EP1398462 A1 EP 1398462A1
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- EP
- European Patent Office
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- coolant
- transition component
- gas turbine
- turbine
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
- F23R3/46—Combustion chambers comprising an annular arrangement of several essentially tubular flame tubes within a common annular casing or within individual casings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D9/00—Stators
- F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
- F01D9/023—Transition ducts between combustor cans and first stage of the turbine in gas-turbine engines; their cooling or sealings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2260/00—Function
- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
Definitions
- the invention relates to a gas turbine with a turbine unit, the one flowing out from a number of burners Working medium can be fed, with each burner on the working medium side via a transition component assigned to it is connected to the turbine unit. It continues to affect such a transition component.
- Gas turbines are used to drive generators in many areas or used by work machines.
- the fuel will burned in burners, using an air compressor compressed air is supplied.
- By burning the Fuel becomes a working medium under high pressure generated with a high temperature. This working medium is in a turbine unit downstream of the burners managed where it relaxes while working.
- the burner of the gas turbine can be in the manner of a so-called Annular combustion chamber construction in a common, annular Combustion chamber open from which the working medium of the Turbine unit is fed.
- each burner can have an individual one Be assigned combustion chamber, from which the working medium Turbine unit is supplied, with adjacent combustion chambers are kept decoupled from each other on the media side.
- each burner is on the working medium side via an associated transition component with the turbine unit connected. This transition component usually has at its end intended to receive the burner, adapted to its shape, a round cross-section.
- the transition piece is at its end opening into the turbine unit however, for one together with the other transition pieces complete filling of the annular passage cross-section designed in the turbine unit.
- the transition component will usually made of sheet metal.
- the production of the transition component in a sheet metal construction can be very complex because the above cross-sectional shape described different metal parts with each other need to be added, which is very time and cost intensive can be. They can also be disadvantageous seams and corners such as the joining process Weld seams have an impact, as they flow through the working medium additional friction on the uneven inside of the transition component can arise, which is disadvantageous affects the efficiency of the gas turbine.
- the strength of the Transition piece in a construction made of sheet metal is also limited, which leads to a reduction in the life of the Component can lead.
- the components used are cooled to sufficient dimensional stability with a long service life guarantee.
- the cooling of the transition piece becomes common through a combination of impingement and film cooling realized.
- the invention has for its object a gas turbine Above type, especially in "Can - Transition - Construction", specify that with a comparatively simple design is suitable for a particularly high degree of efficiency and moreover has a particularly long lifespan. Furthermore, a particularly suitable transition component can be specified.
- this object is achieved according to the invention solved by the transition component between the burner and turbine connection executed as a cast part or welded sheet metal part is.
- the invention is based on the consideration that to ensure a particularly high system efficiency Shaping the transition component to specifications with regard to a appropriate flow division adapted for the working medium should be.
- the should required continuous change in flow cross-section starting from an approximately circular cross-section towards an approximately rectangular or trapezoidal Cross section, can be provided.
- the high mechanical life favoring the gas turbine and / or to enable thermal stability should that Molding targeted with regard to its structural properties designed to comply with these boundary conditions his. This is also with only a limited manufacturing effort possible by using the transition component as a cast part or welded Sheet metal part is executed.
- coolant channels For a particularly effective cooling of the transition component this advantageously provided with coolant channels. These are preferably aligned in the circumferential direction of the component arranged on this.
- An arrangement of the coolant channels in the circumferential direction has the advantage that through a suitable choice of the local arrangement density of the channels or the size of the local cooling effect Temperature or heating curve adjusted on the transition component can be. Even in the longitudinal direction of the transition component is seen locally different heating an approximately uniform cooling in the longitudinal direction of the whole Transition component reached.
- neighboring coolant channels can be reached expediently in the opposite direction from the coolant flows through.
- the coolant heats up as it flows through of the coolant channels through the cooling process increasingly on.
- To an opposite flow direction to ensure the coolant in adjacent coolant channels is expedient for feeding the coolant channels a corresponding alternating circuit of the Coolant channels with inlet and outlet channels provided.
- the coolant channels are preferably as in the wall of the Transition component introduced grooves executed with a Cover plate are closed. With this construction of the coolant channels the grooves can already be cast when the transition component is cast be introduced so that the coolant channels time and cost-saving can be attached.
- the cover plate is expedient welded to the transition component.
- the cover plate preferably has a U-shaped Cross-section, on the upper edges of which the Transition component is welded.
- the U-shaped cross section of the cover plate has the advantage that the cover plate is due to sufficient expansion space during the welding process deform due to thermal influences of the welding tool can, and therefore a very accurate and homogeneous Cross section of the coolant channel can be reached without cracks. It can also have flat cross-sectional shapes for the cover plate Find application.
- the coolant channels assigned a common coolant distributor, through which the individual coolant channels with the coolant be supplied.
- a common distributor has the advantage that the coolant channels are not through individual lines must be supplied with the coolant, which causes a reliable cooling system with a time and cost saving Manufacturing process can be realized.
- the coolant distributor are preferably supply and discharge channels integrated, which is essentially parallel to Flow direction of the working medium are oriented.
- This offers the advantage of over the coolant a short distance to the actual coolant channels or to be able to discharge, and on the other hand enables a alternating with respect to the direction of flow of the coolant Wiring the coolant pipes.
- the supply and discharge channels at a suitable Dimensioning also for existing gas turbines In "Can - Transition - Construction" existing supply and discharge connections be used for the coolant supply, so this arrangement is also particularly suitable for retrofitting existing systems is suitable.
- the coolant distributor with the integrated supply channels cast together during the casting of the transition component become.
- the circuit for feeding the coolant pipes, especially in the opposite direction of flow can advantageously also during the casting process be made with.
- the supply and discharge channels point a suitably chosen course so that the connection side when wiring the coolant channels alternates.
- the transition component is expediently via the coolant distributor attached to a support frame.
- the transition component has a particularly high strength be so that when the transition component is fastened at this point the forces acting on the component without further holding structures can be added.
- transition component itself, the aforementioned Task solved by this is designed as a casting and preferably further developed in the sense of the concepts mentioned above is.
- the transition component is therefore particularly suitable Dimensions for equipment of a newly manufactured gas turbine or for retrofitting or upgrading already existing gas turbine plants.
- the advantages achieved with the invention are in particular in that through the design of the transition component as a cast part or as pressed and welded into shape
- the geometric transition of the component from a circular to an almost rectangular cross section can be realized particularly precisely because with one Cast the 3-dimensional shape and in particular the change in cross-section made in a smooth transition can be.
- it can also be done with a small amount Weight achieve a comparatively high strength.
- By a suitable integration of the coolant channels in the Casting is also in every operating state of the gas turbine a suitable application of the Transitional component with coolant and thus a reliable one Component cooling enabled.
- the transition piece is thus in especially for gas turbines with comparatively high ones Working fluid temperatures can be used and thus favors their efficiency.
- the gas turbine 1 has a compressor 2 for Combustion air, a number of combustion chambers 4 and one Turbine 6 for driving the compressor 2 and one not shown Generator or a work machine.
- a compressor 2 for Combustion air
- Turbine 6 for driving the compressor 2 and one not shown Generator or a work machine.
- the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also arranged as a turbine rotor 8, with which the generator or the work machine is connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9 is.
- the "Can Transition" type of construction Gas turbine 1 is equipped with a number of burners 10, each of which is assigned an individual combustion chamber 4 is.
- the combustion chambers 4 are to form an individual Flame or combustion chamber each from an associated Transitional component 11 limits the combustion chambers 4th decoupled from each other on the flow or working medium side holds.
- a transition component 11 has to accommodate the burner 10 an approximately circular cross section at the end of the burner on while connecting it to the turbine end the turbine has a trapezoidal cross section. Therefore is the transition component 11 in the flow direction of the working medium M from circular to trapezoidal marked changing cross-section.
- the turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12.
- the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
- the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transfer of momentum from the turbine 6 working medium flowing through M.
- the guide vanes 14 serve in contrast to the flow of the working medium M between seen two in the flow direction of the working medium M. successive rows of blades or blade rings.
- a successive pair from a wreath of Guide vanes 14 or a row of guide vanes and from one Wreath of blades 12 or a row of blades is also referred to as the turbine stage.
- Each guide vane 14 has one which is also referred to as a blade root Platform 18, which is used to fix the respective guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
- the platform 18 is a thermal comparison heavily loaded component that the outer boundary a heating gas channel for the one flowing through the turbine 6 Working medium M forms.
- Each blade 12 is analog Way over a platform 20 also referred to as a blade root attached to the turbine shaft 8.
- each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite to it 12 spaced by a gap.
- the one between neighboring Guide rings 21 arranged guide vane rows serve in particular as cover elements that cover the inner wall 16 or other housing installation parts before a thermal Overuse by the flowing through the turbine 6 protects hot working medium M.
- the gas turbine 1 is the transition component 11 of each combustion chamber 4 through a suitable choice of shape for the flow pattern of the working medium M flowing through.
- the cross section of the transition component changes 11 continuously in the direction of flow.
- the transition component 11 is designed as a cast component.
- the transition component 11 has due to the cast material high strength and thus a particularly long service life even when used in comparatively adverse operating conditions.
- the transition component 11 can also as Sheet metal welded part to be executed.
- the transition component 11 is for the in the combustion chamber 4th continuously occurring combustion temperatures designed and in particular designed coolable.
- the transition component 11 several substantially perpendicular to Flow direction of the working medium M and thus in the circumferential direction extending coolant channels 24.
- the coolant channels 24 in the circumferential direction can, in particular with a suitable choice of the arrangement density of the coolant channels 24, the cooling effect the temperature curve of the working medium in the transition component 11 under standard operating conditions be adjusted accordingly so that an even Cooling in the longitudinal direction is particularly favored.
- Coolant K to supply the coolant channels 24 the coolant channels 24 via a common coolant distributor 25, which is substantially parallel to the direction of flow of the working medium M on the outer wall of the transition component 11 extends.
- the coolant distributor 25 Through the coolant distributor 25 the coolant K is introduced into the coolant channels 24 and derived from them.
- FIGS. 4a and 4b are a supply channel 30 and a in the coolant distributor 25 Discharge channel 32 integrated through which the coolant K in the Coolant channels 24 is supplied and discharged.
- FIGS. 4a and 4b show the coolant distributor 25 with the integrated feed channel 30 and the discharge channel 32 cast together with the casting of the transition component 11.
- the cover plate 26 is on welded its two ends to the coolant distributor 25.
- connection point 34 of the coolant distributor 25 Via the connection point 34 of the coolant distributor 25 the coolant K into the feed channel 30 and out of the discharge channel 32 derived.
- the positioning of the connection points 34 can in particular meet the requirements of existing ones Adapted gas turbines in "Can - Transition - Construction" be so that the transition component 11 is also particularly for Retrofitting in these gas turbines is suitable.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Turbineneinheit, der ein von einer Anzahl von Brennern abströmendes Arbeitsmedium zuführbar ist, wobei jeder Brenner arbeitsmediumsseitig über ein ihm zugeordnetes Übergangsbauteil mit der Turbineneinheit verbunden ist. Sie betrifft weiter ein derartiges Übergangsbauteil.The invention relates to a gas turbine with a turbine unit, the one flowing out from a number of burners Working medium can be fed, with each burner on the working medium side via a transition component assigned to it is connected to the turbine unit. It continues to affect such a transition component.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in Brennern verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird ein unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium mit einer hohen Temperatur erzeugt. Diese Arbeitsmedium wird in eine den Brennern nachgeschalteten Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.Gas turbines are used to drive generators in many areas or used by work machines. The Energy content of a fuel to generate a rotational movement a turbine shaft. The fuel will burned in burners, using an air compressor compressed air is supplied. By burning the Fuel becomes a working medium under high pressure generated with a high temperature. This working medium is in a turbine unit downstream of the burners managed where it relaxes while working.
Die Brenner der Gasturbine können dabei in der Art einer sogenannten Ringbrennkammerbauweise in eine gemeinsame, ringförmige Brennkammer münden, von der aus das Arbeitsmedium der Turbineneinheit zugeführt wird.The burner of the gas turbine can be in the manner of a so-called Annular combustion chamber construction in a common, annular Combustion chamber open from which the working medium of the Turbine unit is fed.
Alternativ kann aber auch jedem Brenner ein individueller Brennraum zugeordnet sein, von dem aus das Arbeitsmedium der Turbineneinheit zugeführt wird, wobei benachbarte Brennräume medienseitig voneinander entkoppelt gehalten werden. Bei dieser auch als "Can - Transition - Bauweise" bezeichneten Anordnung der Brennräume ist jeder Brenner arbeitsmediumsseitig über ein ihm zugeordnetes Übergangsbauteil mit der Turbineneinheit verbunden. Dieses Übergangsbauteil weist üblicherweise an seinem zur Aufnahme des Brenners vorgesehenen Ende, angepasst an dessen Formgebung, einen runden Querschnitt auf. Alternatively, each burner can have an individual one Be assigned combustion chamber, from which the working medium Turbine unit is supplied, with adjacent combustion chambers are kept decoupled from each other on the media side. At this also referred to as "Can Transition Construction" of the combustion chambers, each burner is on the working medium side via an associated transition component with the turbine unit connected. This transition component usually has at its end intended to receive the burner, adapted to its shape, a round cross-section.
An seinem in die Turbineneinheit mündenden Ende ist das Übergangsstück jedoch für eine gemeinsam mit den anderen Übergangsstücken vollständige Ausfüllung des ringförmigen Durchtrittsquerschnitts in die Turbineneinheit ausgelegt. Dazu weist das Übergangsstück an seinem turbinenseitigen Ende üblicherweise einen annähernd rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Daher ist das Übergangsbauteil üblicherweise durch einen sich in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums von einem kreisrunden zu einem annähernd rechteckigen sich verändernden Querschnitt gekennzeichnet. Das Übergangsbauteil wird gewöhnlich aus Metallblech hergestellt.The transition piece is at its end opening into the turbine unit however, for one together with the other transition pieces complete filling of the annular passage cross-section designed in the turbine unit. To usually has the transition piece at its turbine end an approximately rectangular or trapezoidal one Cross section on. Therefore, the transition component is common by a in the direction of flow of the working medium a circular to an almost rectangular changing one Cross-section marked. The transition component will usually made of sheet metal.
Die Herstellung des Übergangsbauteils in einer Blechbauweise kann jedoch sehr aufwendig sein, da zur Realisierung der oben beschriebenen Querschnittsform verschiedene Metallteile miteinander gefügt werden müssen, was sehr zeit- und kostenintensiv sein kann. Weiterhin nachteilig können sich die durch die Fügeverfahren entstehende Nähte und Ecken wie beispielsweise Schweißnähte auswirken, da beim Durchströmen des Arbeitsmediums zusätzliche Reibung an der unebenen Innenseite des Übergangsbauteils entstehen kann, die sich nachteilig auf den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirkt. Die Festigkeit des Übergangsstücks bei einer Bauweise aus Metallblech ist außerdem begrenzt, was zur einer Verringerung der Lebensdauer des Bauteils führen kann.The production of the transition component in a sheet metal construction However, it can be very complex because the above cross-sectional shape described different metal parts with each other need to be added, which is very time and cost intensive can be. They can also be disadvantageous seams and corners such as the joining process Weld seams have an impact, as they flow through the working medium additional friction on the uneven inside of the transition component can arise, which is disadvantageous affects the efficiency of the gas turbine. The strength of the Transition piece in a construction made of sheet metal is also limited, which leads to a reduction in the life of the Component can lead.
Da beim Verbrennungsprozess Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1500 °C auftreten können, müssen zudem die verwendeten Komponenten, insbesondere das Übergangsbauteil, gekühlt werden, um eine ausreichende Formstabilität bei langer Lebensdauer zu gewährleisten. Die Kühlung des Übergangsstücks wird gewöhnlich durch eine Kombination aus Impingement- und Filmkühlung realisiert.As temperatures of around 1200 ° C to 1500 ° C can occur, the components used, especially the transition component, are cooled to sufficient dimensional stability with a long service life guarantee. The cooling of the transition piece becomes common through a combination of impingement and film cooling realized.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine der oben genannten Art, insbesondere in "Can - Transition - Bauweise", anzugeben, die bei vergleichsweise einfacher Bauweise für einen besonders hohen Wirkungsgrad geeignet ist und zudem eine besonders lange Lebensdauer aufweist. Weiterhin soll ein dazu besonders geeignetes Übergangsbauteil angegeben werden.The invention has for its object a gas turbine Above type, especially in "Can - Transition - Construction", specify that with a comparatively simple design is suitable for a particularly high degree of efficiency and moreover has a particularly long lifespan. Furthermore, a particularly suitable transition component can be specified.
Bezüglich der Gasturbine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem das Übergangsbauteil zwischen Brenner und Turbinenanschluss als Gussteil oder geschweißtes Blechteil ausgeführt ist.With regard to the gas turbine, this object is achieved according to the invention solved by the transition component between the burner and turbine connection executed as a cast part or welded sheet metal part is.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Sicherstellung eines besonders hohen Anlagenwirkungsgrades die Formgebung des Übergangsbauteils an Vorgaben hinsichtlich einer geeigneten Strömungsteilung für das Arbeitsmedium angepasst sein sollte. Insbesondere sollte dabei die möglicherweise erforderliche kontinuierliche Veränderung im Strömungsquerschnitt, ausgehend von einem annähernd kreisrunden Querschnitt hin zu einem annähernd rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt, bereitstellbar sein. Um auch bei derartig komplexen Anforderungen an die Formgebung des Formteils eine die Lebensdauer der Gasturbine begünstigende hohe mechanische und/oder thermische Stabilität zu ermöglichen, sollte das Formteil hinsichtlich seiner strukturellen Eigenschaften gezielt auf die Einhaltung dieser Randbedingungen ausgelegt sein. Dies ist auch mit nur begrenztem Herstellungsaufwand möglich, indem das Übergangsbauteil als Gussteil oder geschweißtes Blechteil ausgeführt ist.The invention is based on the consideration that to ensure a particularly high system efficiency Shaping the transition component to specifications with regard to a appropriate flow division adapted for the working medium should be. In particular, the should required continuous change in flow cross-section, starting from an approximately circular cross-section towards an approximately rectangular or trapezoidal Cross section, can be provided. To also with such complex requirements for the shape of the molded part the high mechanical life favoring the gas turbine and / or to enable thermal stability, should that Molding targeted with regard to its structural properties designed to comply with these boundary conditions his. This is also with only a limited manufacturing effort possible by using the transition component as a cast part or welded Sheet metal part is executed.
Für eine besonders effektive Kühlung des Übergangbauteils ist dieses vorteilhafterweise mit Kühlmittelkanälen versehen. Diese sind vorzugsweise in Umfangsrichtung des Bauteils ausgerichtet an diesem angeordnet. Eine Anordnung der Kühlmittelkanäle in Umfangsrichtung bietet nämlich den Vorteil, dass über eine geeignete Wahl der lokalen Anordnungsdichte der Kanäle oder auch von deren Größe die lokale Kühlwirkung dem Temperatur- oder Beheizungsverlauf am Übergangbauteil angepasst werden kann. Auch bei in Längsrichtung des Übergangsbauteils gesehen lokal unterschiedlicher Beheizung ist somit eine annähernd gleichmäßige Kühlung in Längsrichtung des gesamten Übergangbauteils erreicht.For a particularly effective cooling of the transition component this advantageously provided with coolant channels. These are preferably aligned in the circumferential direction of the component arranged on this. An arrangement of the coolant channels in the circumferential direction has the advantage that through a suitable choice of the local arrangement density of the channels or the size of the local cooling effect Temperature or heating curve adjusted on the transition component can be. Even in the longitudinal direction of the transition component is seen locally different heating an approximately uniform cooling in the longitudinal direction of the whole Transition component reached.
Um eine gleichmäßige Kühlung des Übergangsbauteils in Umfangsrichtung zu erreichen, sind benachbarte Kühlmittelkanäle zweckmäßigerweise in entgegengesetzter Richtung vom Kühlmittel durchströmt. Das Kühlmittel heizt sich beim Durchströmen der Kühlmittelkanäle durch den Kühlprozess nämlich zunehmend auf. Die daraus resultierenden Unregelmäßigkeiten des Temperaturverlaufs in Umfangsrichtung des Übergangsbauteils bei den einzelnen Kühlkanälen können bei entgegengesetzter Durchströmungsrichtung daher gering gehalten oder vollständig kompensiert werden. Um eine entgegengesetzte Durchströmungsrichtung des Kühlmittels in benachbarten Kühlmittelkanälen zu gewährleisten, ist zur Bespeisung der Kühlmittelkanäle zweckmäßigerweise eine entsprechende alternierende Beschaltung der Kühlmittelkanäle mit Zu- und Abflusskanälen vorgesehen.For uniform cooling of the transition component in the circumferential direction neighboring coolant channels can be reached expediently in the opposite direction from the coolant flows through. The coolant heats up as it flows through of the coolant channels through the cooling process increasingly on. The resulting irregularities in the temperature profile in the circumferential direction of the transition component the individual cooling channels can with opposite flow direction therefore kept low or fully compensated become. To an opposite flow direction to ensure the coolant in adjacent coolant channels, is expedient for feeding the coolant channels a corresponding alternating circuit of the Coolant channels with inlet and outlet channels provided.
Die Kühlmittelkanäle sind vorzugsweise als in die Wandung des Übergangsbauteils eingebrachte Nuten ausgeführt, die mit einem Deckblech verschlossen sind. Bei diesem Aufbau der Kühlmittelkanäle können die Nuten bereits beim Guss des Übergangsbauteils eingebracht werden, so dass die Kühlmittelkanäle zeit- und kostensparend angebracht werden können.The coolant channels are preferably as in the wall of the Transition component introduced grooves executed with a Cover plate are closed. With this construction of the coolant channels the grooves can already be cast when the transition component is cast be introduced so that the coolant channels time and cost-saving can be attached.
Um beim Verschließen einer Nut mit dem zugeordneten Deckblech eine hohe Festigkeit zu erreichen, wird das Deckblech zweckmäßigerweise mit dem Übergangsbauteil verschweißt. Um dabei eine hohe Genauigkeit und damit einen homogenen Kühlmittelkanal zu erhalten, weist das Deckblech vorzugsweise einen U-förmigen Querschnitt auf, an dessen Oberkanten es mit dem Übergangsbauteil verschweißt wird. Der U-förmige Querschnitt des Deckblechs hat den Vorteil, dass sich das Deckblech aufgrund ausreichenden Dehnungsraumes während des Schweißvorgangs durch thermische Einflüsse des Schweißwerkzeuges verformen kann, und sich daher ein sehr genauer und homogener Querschnitt des Kühlmittelkanals rissfrei erreichen lässt. Es können aber auch flache Querschnittsformen für das Deckblech Anwendung finden.To when closing a groove with the assigned cover plate To achieve high strength, the cover plate is expedient welded to the transition component. To be there high accuracy and thus a homogeneous coolant channel to obtain, the cover plate preferably has a U-shaped Cross-section, on the upper edges of which the Transition component is welded. The U-shaped cross section of the cover plate has the advantage that the cover plate is due to sufficient expansion space during the welding process deform due to thermal influences of the welding tool can, and therefore a very accurate and homogeneous Cross section of the coolant channel can be reached without cracks. It can also have flat cross-sectional shapes for the cover plate Find application.
Um das Kühlmittel in die Kühlmittelkanäle einzubringen und aus diesen abzuleiten, ist den Kühlmittelkanälen vorteilhafterweise ein gemeinsamer Kühlmittelverteiler zugeordnet, durch welchen die einzelnen Kühlmittelkanäle mit dem Kühlmittel versorgt werden. Ein gemeinsamer Verteiler hat den Vorteil, dass die Kühlmittelkanäle nicht durch einzelne Leitungen mit dem Kühlmittel versorgt werden müssen, wodurch sich ein zuverlässiges Kühlsystem mit einem zeit- und kostensparenden Herstellungsprozess realisieren lässt.To introduce the coolant into the coolant channels and deriving from these is advantageously the coolant channels assigned a common coolant distributor, through which the individual coolant channels with the coolant be supplied. A common distributor has the advantage that the coolant channels are not through individual lines must be supplied with the coolant, which causes a reliable cooling system with a time and cost saving Manufacturing process can be realized.
In den Kühlmittelverteiler sind vorzugsweise Zu- und Ableitungskanäle integriert, die im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Arbeitsmediums orientiert sind. Diese Anordnung bietet einerseits den Vorteil, das Kühlmittel über eine kurze Wegstrecke den eigentlichen Kühlmittelkanälen zu- bzw. abführen zu können, und ermöglicht andererseits eine hinsichtlich der Strömungsrichtung des Kühlmittels alternierende Beschaltung der Kühlmittelrohre. Außerdem können bei dieser Anordnung der Zu- und Ableitungskanäle bei geeigneter Dimensionierung auch die bei bereits existierenden Gasturbinen in "Can - Transition - Bauweise" vorhandenen Zu- und Abführanschlüsse für die Kühlmittelversorgung verwendet werden, so dass diese Anordnung auch in besonderem Maße für Nachrüstungen bestehender Anlagen geeignet ist. Vorteilhafterweise kann der Kühlmittelverteiler mit den integrierten Versorgungskanälen zusammen beim Guss des Übergangsbauteils angegossen werden. Die Beschaltung für die Bespeisung der Kühlmittelrohre, insbesondere auch in entgegengesetzter Strömungsrichtung, kann vorteilhafterweise ebenfalls beim Gießprozess mit vorgenommen werden. Dabei weisen die Zu- und Ableitungskanäle einen geeignet gewählten Verlauf auf, so dass sich bei der Beschaltung der Kühlmittelkanäle die Anschlussseite abwechselt. In the coolant distributor are preferably supply and discharge channels integrated, which is essentially parallel to Flow direction of the working medium are oriented. This On the one hand, arrangement offers the advantage of over the coolant a short distance to the actual coolant channels or to be able to discharge, and on the other hand enables a alternating with respect to the direction of flow of the coolant Wiring the coolant pipes. In addition, at this arrangement of the supply and discharge channels at a suitable Dimensioning also for existing gas turbines In "Can - Transition - Construction" existing supply and discharge connections be used for the coolant supply, so this arrangement is also particularly suitable for retrofitting existing systems is suitable. advantageously, can the coolant distributor with the integrated supply channels cast together during the casting of the transition component become. The circuit for feeding the coolant pipes, especially in the opposite direction of flow, can advantageously also during the casting process be made with. The supply and discharge channels point a suitably chosen course so that the connection side when wiring the coolant channels alternates.
Das Übergangsbauteil ist zweckmäßigerweise über den Kühlmittelverteiler an einem Tragrahmen befestigt. Durch die parallele Anordnung der in den Kühlmittelverteiler integrierten Zu- und Ableitungskanäle kann an diesem Teil des Querschnitts des Übergangsbauteils eine besonders hohe Festigkeit erreicht werden, so dass bei einer Befestigung des Übergangsbauteils an dieser Stelle die auf das Bauteil einwirkenden Kräfte ohne weitere Haltekonstruktionen aufgenommen werden können.The transition component is expediently via the coolant distributor attached to a support frame. Through the parallel Arrangement of the integrated in the coolant distributor Inlet and outlet channels can be on this part of the cross section the transition component has a particularly high strength be so that when the transition component is fastened at this point the forces acting on the component without further holding structures can be added.
Bezüglich des Übergangsbauteils an sich wird die genannte Aufgabe gelöst, indem dieses als Gußteil ausgeführt ist und vorzugsweise im Sinne der oben genannten Konzepte weitergebildet ist. Das Übergangsbauteil eignet sich somit im besonderen Maße für eine Ausrüstung einer neu gefertigten Gasturbine oder auch für eine Nachrüstung oder Ertüchtigung bereits bestehender Gasturbinenanlagen.With regard to the transition component itself, the aforementioned Task solved by this is designed as a casting and preferably further developed in the sense of the concepts mentioned above is. The transition component is therefore particularly suitable Dimensions for equipment of a newly manufactured gas turbine or for retrofitting or upgrading already existing gas turbine plants.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausgestaltung des Übergangsbauteils als Gussteil oder als in Form gedrückte und zusammengeschweißte Bleche der geometrische Übergang des Bauteils von einem kreisrunden zu einem annähernd rechteckigen Querschnitt sich besonders genau realisiert lässt, weil bei einem Gussteil die 3-dimensionale Form und insbesondere die Querschnittsveränderung in einem fließenden Übergang hergestellt werden kann. Bei einem Gussteil lässt sich zudem bei geringem Gewicht eine vergleichsweise hohe Festigkeit erzielen. Durch eine geeignete Integration der Kühlmittelkanäle in das Gussteil ist zudem auch in jedem Betriebszustand der Gasturbine auf einfache Weise eine geeignete Beaufschlagung des Übergangsbauteils mit Kühlmittel und somit eine zuverlässige Bauteilkühlung ermöglicht. Somit ist das Übergangsstück in besonderem Maße auch für Gasturbinen mit vergleichsweise hohen Arbeitsmitteltemperaturen einsetzbar und begünstigt somit deren Wirkungsgrad. The advantages achieved with the invention are in particular in that through the design of the transition component as a cast part or as pressed and welded into shape The geometric transition of the component from a circular to an almost rectangular cross section can be realized particularly precisely because with one Cast the 3-dimensional shape and in particular the change in cross-section made in a smooth transition can be. In the case of a casting, it can also be done with a small amount Weight achieve a comparatively high strength. By a suitable integration of the coolant channels in the Casting is also in every operating state of the gas turbine a suitable application of the Transitional component with coolant and thus a reliable one Component cooling enabled. The transition piece is thus in especially for gas turbines with comparatively high ones Working fluid temperatures can be used and thus favors their efficiency.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- Figur 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
Figur 2- ein Übergangsbauteil der Gasturbine nach Figur 1,
- Figur 3
- im Längsschnitt einen Ausschnitt der Wandung des
Übergangsbauteils nach
Figur 2, - Figur 4a und 4b
- jeweils im Querschnitt einen Kühlmittelverteiler
des Übergangsbauteils nach
Figur 2. - Figur 5a und 5b
- jeweils im Längsschnitt einen Ausschnitt des Kühlmittelverteilers nach Figur 4a und 4b.
- Figure 1
- a half-section through a gas turbine,
- Figure 2
- 2 shows a transition component of the gas turbine according to FIG. 1,
- Figure 3
- in longitudinal section a section of the wall of the transition component according to Figure 2,
- Figure 4a and 4b
- each in cross section a coolant distributor of the transition component according to FIG. 2.
- Figure 5a and 5b
- each in longitudinal section a section of the coolant distributor according to Figure 4a and 4b.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.The same parts are given the same reference symbols in all the figures Mistake.
Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Anzahl von Brennräumen 4 sowie eine
Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten
Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu
sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen,
auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet,
mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine
verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert
ist.The gas turbine 1 according to FIG. 1 has a
Die in der Art einer "Can - Transition - Bauweise" ausgeführte
Gasturbine 1 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 bestückt,
denen jeweils ein individueller Brennraum 4 zugeordnet
ist. Die Brennräume 4 sind zur Bildung eines individuellen
Flammen- oder Verbrennungsraums jeweils von einem zugehörigen
Übergangsbauteil 11 begrenzt, welches die Brennräume 4
strömungs- oder arbeitsmediumsseitig voneinander entkoppelt
hält. Ein Übergangsbauteil 11 weist zur Aufnahme des Brenners
10 am brennerseitigen Ende einen annähernd kreisrunden Querschnitt
auf, während es am turbinenseitigen Ende zum Anschluss
der Turbine einen trapezförmigen Querschnitt hat. Daher
ist das Übergangsbauteil 11 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums
M von einem kreisrunden zu einem trapezförmigen
sich verändernden Querschnitt gekennzeichnet.The "Can Transition" type of construction
Gas turbine 1 is equipped with a number of
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfaßt die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6
durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen
hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen
jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von
Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem
Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird
dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel
14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement
angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise
stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung
eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende
Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger
Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20
an der Turbinenwelle 8 befestigt.Each
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel
12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21
dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand
16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende
heiße Arbeitsmedium M schützt.Between the spaced
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Anlagenwirkungsgrades
der Gasturbine 1 ist das Übergangsbauteil 11 jedes Brennraums
4 durch eine geeignete Formwahl an den Strömungsverlauf
des durchströmenden Arbeitsmediums M angepasst. Um einen möglichst
geringen Widerstand beim Durchströmen des Arbeitsmediums
M zu erreichen, verändert sich der Querschnitt des Übergangsbauteils
11 in Strömungsrichtung kontinuierlich. Um
diese kontinuierliche Querschnittsveränderung auch mit nur
vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand konsequent einzuhalten,
ist das Übergangsbauteil 11 als Gussbauteil ausgeführt.
Das Übergangsbauteil 11 hat aufgrund des Gussmaterials
eine hohe Festigkeit und somit eine besonders lange Lebensdauer
selbst beim Einsatz in vergleichsweise widrigen Betriebsbedingungen.
Das Übergangsbauteil 11 kann aber auch als
Blech-Schweißteil ausgeführt sein.To achieve a comparatively high system efficiency
the gas turbine 1 is the
Zur weiteren Verdeutlichung der Ausführung des Übergangsbauteils
11 ist dieses in Figur 2 in geeigneter Ansicht dargestellt.
Das Übergangsbauteil 11 ist für die im Brennraum 4
auftretenden kontinuierlich hohen Verbrennungstemperaturen
ausgelegt und dazu insbesondere kühlbar ausgeführt. Um eine
effektive Kühlung des Übergangsbauteils zu erreichen, weist
das Übergangsbauteil 11 mehrere im wesentlichen senkrecht zur
Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M und somit in Umfangsrichtung
verlaufende Kühlmittelkanäle 24 auf. Durch den Verlauf
der Kühlmittelkanäle 24 in Umfangsrichtung kann, insbesondere
bei geeigneter Wahl der Anordnungsdichte der Kühlmittelkanäle
24, die Kühlwirkung dem Temperaturverlauf des Arbeitsmediums
im Übergangsbauteil 11 bei Standard-Betriebsbedingungen
entsprechend angepasst sein, so dass eine gleichmäßige
Kühlung in Längsrichtung besonders begünstigt ist.To further clarify the design of the
Zur Bespeisung der Kühlmittelkanäle 24 mit Kühlmittel K verfügen
die Kühlmittelkanäle 24 über einen gemeinsamen Kühlmittelverteiler
25, der sich im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums M an der Außenwand des Übergangsbauteils
11 erstreckt. Durch den Kühlmittelverteiler 25
wird das Kühlmittel K in die Kühlmittelkanäle 24 eingebracht
und aus diesen abgeleitet.Have coolant K to supply the
Wie in der Darstellung nach Figur 3 erkennbar ist, ist jeder
Kühlmittelkanal 24 von einer in die Wandung des eingebrachten
Nut des Übergangbauteils 11 und einem diese abschließenden
Deckblech 26 gebildet. Die Nut kann dabei insbesondere bereits
beim Guss des Übergangsbauteils 11 miteingebracht sein,
so dass keine weitere Nachbearbeitung des Wandmaterials erforderlich
ist. Um bei diesem Verschluss eine hohe Festigkeit
des Kühlmittelkanals 24 zu erreichen, ist das Deckblech 26
mit der Wand des Übergangsbauteils 11 verschweißt. Für eine
hohe Genauigkeit beim Schweißvorgang und zur Sicherstellung
eines homogenen Kühlmittelkanals 24 weist das Deckblech 26
dabei einen U-förmigen Querschnitt auf, der den Dehnungsraum
bei thermischen Einflüssen des Schweißwerkzeugs für das Deckblech
26 in der Nut begrenzt. Beim Schweißvorgang kann sich
daher das Deckblech 26 verformen, so dass eine hohe Fertigungspräzision
erreichbar ist.As can be seen in the illustration according to FIG. 3, everyone is
Wie in der Darstellung nach Figur 4a und 4b erkennbar ist,
sind in den Kühlmittelverteiler 25 ein Zuführkanal 30 und ein
Abführkanal 32 integriert, durch die das Kühlmittel K in die
Kühlmittelkanäle 24 zu- und abgeführt wird. Wie ebenfalls aus
der Abbildung 4a und 4b ersichtlich, ist der Kühlmittelverteiler
25 mit dem integrierten Zuführkanal 30 und dem Abführkanal
32 zusammen mit dem Guss des Übergangsbauteils 11 angegossen.
Um den Zuführkanal 30 und den Abführkanal 32 an den
Kühlmittelkanal 24 anzuschließen, ist das Deckblech 26 an
seinen beiden Enden mit dem Kühlmittelverteiler 25 verschweißt.As can be seen in the illustration according to FIGS. 4a and 4b,
are a
Über die Anschlussstelle 34 des Kühlmittelverteilers 25 wird
das Kühlmittel K in den Zuführkanal 30 ein- und aus dem Abführkanal
32 abgeleitet. Die Positionierung der Anschlussstellen
34 kann insbesondere an die Vorgaben bereits existierender
Gasturbinen in "Can - Transition - Bauweise" angepasst
sein, so dass das Übergangsbauteil 11 auch besonders für
Nachrüstungen in diesen Gasturbinen geeignet ist.Via the
Um eine gleichmäßige Kühlung des Übergangsbauteils 11 in Umfangsrichtung
zu erreichen, durchströmt das Kühlmittel K benachbarte
Kühlmittelkanäle 24 in entgegengesetzter Richtung.
Die durch das sich beim Kühlprozess in den Kühlmittelkanälen
24 aufheizende Kühlmittel K entstehenden Unregelmäßigkeiten
des Temperaturverlaufs des Übergangsbauteils in Umfangsrichtung
5 werden so weitgehend kompensiert. Wie in der Darstellung
nach den Figuren 5a und 5b erkennbar ist, ist der Verlauf
des Zuführkanal 30 und des Abführkanals 32 so gewählt,
dass sich bei der Beschaltung der Kühlmittelkanäle 24 die Anschlussseite
abwechselt, um einen entgegengesetzte Durchströmungsrichtung
des Kühlmittels K benachbarter Kühlmittelkanäle
24 zu erreichen.For uniform cooling of the
Um das Übergangsbauteil 11 zu befestigen, ist dieses über den
Kühlmittelverteiler 25 mit einem Tragrahmen 36 verbunden, da
durch den parallel zueinander verlaufenden integrierten Zuführkanal
30 und den Abführkanal 32 der Kühlmittelverteiler
25 eine besonders hohe Festigkeit aufweist, und so die auf
das Übergangsbauteil 11 auftretenden Kräfte aufgenommen werden
können. To attach the
- 11
- Gasturbinegas turbine
- 22
- Verdichtercompressor
- 44
- Brennraumcombustion chamber
- 66
- Turbineturbine
- 88th
- Turbinenwelleturbine shaft
- 99
- Mittelachsecentral axis
- 1010
- Brennerburner
- 1111
- ÜbergangsbauteilTransitional component
- 1212
- Laufschaufelblade
- 1414
- Leitschaufelvane
- 1616
- Innengehäuseinner housing
- 1818
- Plattformplatform
- 2020
- Schaufelfußblade
- 2121
- Führungsringguide ring
- 2222
- äußeres Endeouter end
- 2424
- KühlmittelkanalCoolant channel
- 2525
- KühlmittelverteilerCoolant distributor
- 2626
- Deckblechcover sheet
- 3030
- Zuführkanalfeed
- 3232
- Abführkanaldischarge channel
- 3434
- Anschlussstellejunction
- 3636
- Tragrahmensupporting frame
- MM
- Arbeitsmediumworking medium
- KK
- Kühlmittelcoolant
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP02020693A EP1398462A1 (en) | 2002-09-13 | 2002-09-13 | Gas turbine and transition piece |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP02020693A EP1398462A1 (en) | 2002-09-13 | 2002-09-13 | Gas turbine and transition piece |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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EP1398462A1 true EP1398462A1 (en) | 2004-03-17 |
Family
ID=31725436
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP02020693A Withdrawn EP1398462A1 (en) | 2002-09-13 | 2002-09-13 | Gas turbine and transition piece |
Country Status (1)
Country | Link |
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EP (1) | EP1398462A1 (en) |
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