EP1744014A1 - Befestigungseinrichtung der Turbinenleitschaufeln einer Gasturbinenanlage - Google Patents

Befestigungseinrichtung der Turbinenleitschaufeln einer Gasturbinenanlage Download PDF

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EP1744014A1
EP1744014A1 EP05015235A EP05015235A EP1744014A1 EP 1744014 A1 EP1744014 A1 EP 1744014A1 EP 05015235 A EP05015235 A EP 05015235A EP 05015235 A EP05015235 A EP 05015235A EP 1744014 A1 EP1744014 A1 EP 1744014A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
hot gas
transition tubes
turbine plant
plant according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05015235A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gregor Frank
Joachim Krützfeldt
Kai-Uwe Rogos
Axel Dr. Schaberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP05015235A priority Critical patent/EP1744014A1/de
Publication of EP1744014A1 publication Critical patent/EP1744014A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • 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
    • 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
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins
    • F05D2230/642—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins using maintaining alignment while permitting differential dilatation
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals

Definitions

  • the present invention relates to a turbine installation having a turbine section, at least one flame chamber, which leads to a hot gas and has a hot gas outlet opening facing the turbine section and a number of guide vanes arranged in the region of the hot gas outlet opening or the hot gas outlet openings.
  • a turbine system in particular a gas turbine plant, is a turbomachine that essentially comprises a compressor section, a turbine section and a burner section arranged between the turbine section and the compressor section with one or more combustion chambers or flame tubes.
  • a gas turbine plant is for example in US 4,787,208 described.
  • transition tubes which are arranged circumferentially around the turbine runner and burner arrangements of the burner section connect to the turbine section.
  • the hot gas produced by the burners is directed from the transition tubes towards the turbine section and exits the hot gas outlets of the transition tubes into the turbine section.
  • the hot gas outlet openings is fluidly downstream of a number of vanes, which lead the exiting hot gas flow and deflect such that its kinetic energy can be effectively transferred to the turbine runner.
  • the turbine vanes are disposed around the turbine runner, extend substantially in the radial direction of the turbine runner and each have a mounting portion at its radially inner end and radially outer end. While the radially inner mounting portion is fixed to a component surrounding the turbine runner, the so-called shaft cover, the radially outer mounting portion is fixed to a vane support.
  • the described manner of mounting the vanes causes them to oscillate due to the different thermal expansions of the vane carrier and the shaft cover.
  • the vane carrier expands against the flow direction of the hot gas, whereas the shaft cover expands in the flow direction.
  • This pendulum movement can lead to high wear and deformation of the seals between the transition tubes and vane mounting.
  • If the transition tubes are fixed to the guide blade carrier, there is a relative movement between the burner and transition tube due to the thermal expansion of the transition tube. In the area of the burner and in the region of the transition between the transition tubes and the turbine section, therefore, complex sealing systems are necessary which take into account the movement of the turbine guide vanes and of the transition tube.
  • Object of the present invention is to provide a comparison with the cited prior art improved turbine system.
  • the fastening of both the inner and the outer attachment portion on the guide vane carrier can be made directly or indirectly, ie via the interposition of further construction elements.
  • At least one bracket is present, which is a fixed to the guide blade carrier first bracket end and a remote from the guide blade carrier and compared to the first end radially inwardly lying second Has temple end.
  • the inner attachment portion is attached in this embodiment, the second bracket end.
  • the stems When the flame spaces are formed as a number of transition tubes annularly distributed around the axial direction, the stems may be guided between adjacent transition tubes to the inner attachment portion.
  • the space between the transition tubes depends mainly on the number of transition tubes.
  • the distance of the bracket to the respective transition tubes can be adapted to the cooling air requirement of the transition tubes.
  • the dimensions of the brackets should be chosen in particular with regard to the required rigidity of the construction.
  • this spacer can likewise be fastened to the stirrup, in order to avoid that it behaves differently under thermal expansion than the inner attachment section the vanes.
  • a shaft cover surrounding the turbine rotor is present.
  • the inner fixing portion is fixed to the shaft cover in this embodiment.
  • the shaft cover is movably arranged relative to the compressor and fixed via the ribs on the guide blade carrier, so that the inner ring is indirectly secured to the guide blade carrier.
  • the shaft cover is fixed via a rib by a so-called. Diffuser on the compressor housing.
  • the fins may be passed between any two adjacent transition tubes.
  • the space between the transition tubes depends mainly on their number, and the distance of the ribs to the transition tubes should be based on the cooling air requirement of the transition tubes.
  • the dimensions of the ribs are chosen in view of the required rigidity of the construction and the available space.
  • flame spaces are in the form of a number of annular transition pipes distributed annularly about the axial direction available.
  • a cage fixedly connected to the guide blade carrier is present, which has receptacles for the hot gas outlet openings having ends of the transition tubes. Both the outer mounting portion and the inner mounting portion of the vanes are secured to the cage.
  • transition tubes are arranged to be movable relative to the guide blade carrier and merely inserted into the receptacles. As a result, movement of the transition tubes relative to the cage upon thermal expansion becomes possible.
  • a seal is arranged between the cage and the shaft cover.
  • the gas turbine plant comprises a compressor section 1, a burner section 3 and a turbine section 5.
  • a shaft 10 which carries on the one hand the turbine blades 30, 32 and on the other hand, the compressor blades 50.
  • a series of blades are each arranged along a circumferential line of the shaft 10 and form a blade ring.
  • the shaft 10 with the turbine blades 30, 32 and compressor blades 50 is also called a turbine runner or rotor.
  • vanes 40, 42 are provided, which are arranged between the blade rings.
  • compressor vanes 60 are disposed between the compressor blade rings 50.
  • the vanes 60 are arranged in a ring shape and form Leitschaufelkränze.
  • the burner section 3 comprises a large chamber, the so-called.
  • Brennerplenum 7 in which emerges from the compressor compressed air.
  • the burners 9 are fluidically connected to the turbine section 5 via transition tubes 13.
  • the guide vanes 40 of the first vane ring can only absorb the flow forces, but no mechanical forces. They are therefore held both at its radially outer end relative to the shaft 10 and at its radially inner end. They are attached on the one hand to a vane support 44 and on the other hand to a shaft cover 46. However, this type of attachment causes the vanes 40 to oscillate due to the differential thermal expansion of the vane support 44 and shaft cover 46. Namely, the vane support 44 expands against the flow direction and the shaft cover 46 in the flow direction.
  • the pendulum movement has a high wear of the vanes and can lead to deformations.
  • complex sealing systems are necessary in order to be able to reliably ensure a sealing of the burner plenum 7 against the flowing hot gases despite the pendulum movement.
  • FIG. 2 and 3 show a section of a gas turbine plant.
  • a burner 9 transition tubes 13
  • a section of the turbine section 5 of the gas turbine plant to recognize.
  • the guide vane carrier 44 and a vane 40 of the first vane ring are shown.
  • the shaft cover 46 is shown.
  • the outer shell 64 of the compressor section 1 is shown. A gap between the compressor outer shell 64 and the shaft cover 46 forms the outlet 2 of the compressor.
  • the vanes 40 of the first vane ring each have an airfoil 41 which, at its radially inner end with respect to the shaft 10, opens into an inner vane ring 47 extending around the shaft 10 as an inner attachment portion.
  • the radially outer end opens into an outer vane ring 48, which is also referred to as an outer attachment portion. While the inner vane ring 47 is fixed to the shaft cover 46, the radially outer vane ring 48 is fixed to the vane support 44.
  • the shaft cover 46 is secured in the present embodiment via a number of ribs 49 on the vane support 44.
  • the ribs 49 are passed between adjacent transition tubes 13.
  • the radially inner vane ring 47 is also indirectly attached to the vane carrier 44.
  • the ribs ensure that any relative movement between the vane support 44 and the shaft cover 46 can be effectively suppressed.
  • the pendulum movement of the vanes 40 of the first vane ring can thereby be effectively reduced.
  • the sealing of the shaft cover to the compressor side is also much easier to accomplish.
  • the side surfaces of the ribs 49 can serve as guide surfaces, which increasingly direct compressor air into the region of the transition tubes 13, in which the hot gas outlet openings 14 are arranged. As a result, the cooling of the transition tubes 13 can be improved.
  • connecting ribs connecting the compressor outer shell 64 with the shaft cover 46 can be omitted, whereby the flow area of the compressor outlet 2 can be increased.
  • FIGS. 2 and 3 show a section of a gas turbine plant, which corresponds to the detail shown in Figures 2 and 3.
  • Elements corresponding to the elements shown in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals as in FIG. 2 and FIG. 3 and will not be explained again in order to avoid unnecessary repetition.
  • brackets 149 are present, which have approximately the shape of a lying on the side "U" and are passed between adjacent transition tubes 13.
  • the outer end 150 of the brackets 149 is secured to the turbine vane support 44.
  • the free inner end 152 of the bracket 149 is the fixed to the guide rail carrier 44 end 150 in relation to the shaft 10 radial direction opposite. At the free end 152 of the inner vane ring 47 is fixed.
  • the shaft cover 46 is not connected to the turbine vane support 44. Instead, it is attached to the compressor outer shell 64 via ribs 66.
  • the free ends 152 of the bracket 149 form ring segments which together form a ring cover 46 surrounding the ring. Between this ring and the shaft cover 46, a seal 45 is arranged to seal the turbine section 5 against the Brennschplenum 7.
  • vanes 40 of the first vane ring are fixed only to the turbine vane support 44, a pendulum motion due to thermal expansion can be effectively reduced. Due to the reduced pendulum movement, the sealing effort can be greatly reduced.
  • FIG. 4b shows a modification of the second exemplary embodiment.
  • a spacer 43 is additionally provided between the outlet 14 of the transition tube 13 and the turbine vane 40. This spacer 43 is also attached to the bracket 149.
  • a spacer can also be present in the two other exemplary embodiments and fastened there to the rib or cage (third exemplary embodiment, which is described below).
  • FIGS. 6 and 7. show the transition region between the transition tubes 13 and the turbine section 5.
  • the guide vane carrier 44, the shaft cover 46, a vane 40 with airfoil 41, inner vane ring 47 and outer vane ring 48 can be seen.
  • a transition tube 13 is indicated.
  • a cage 100 is disposed. This has a cage outer ring 102 and a cage inner ring 104.
  • the cage outer ring 102 and the cage inner ring 104 are connected to each other via a number of cage webs 106.
  • the spaces between two adjacent cage webs form receptacles 108, in which the hot gas outlet openings 14 having ends of the transition tubes 13 are inserted.
  • the cage 100 has no rigid connection to the shaft cover 46, but a seal 101. In this way, a relative movement between the cage 100 and turbine vane support 44 on the one hand and the shaft cover 46 on the other hand due to thermal expansion is possible.
  • the cage outer ring 102 has a holding region, in which the guide vane outer ring is inserted.
  • the cage inner ring 104 has a holding region in which the guide blade inner ring 47 is inserted.
  • the vane ring is therefore completely held by the cage 100.
  • the vanes 40 of the first vane ring are attached only to the turbine vane support 44.
  • the holding areas of the cage rings 102, 104 may be provided, for example, in the form of annular grooves. Due to the attachment of the first vane ring alone to the cage 100, the vanes 40 no longer perform a pendulum motion due to thermal expansion.
  • the cage 100 is designed as a separate component which is only on the turbine vane carrier 44 is preferably releasably fixed.
  • the cage 100 can then be removed from the turbine guide vane carrier 44, which significantly simplifies assembly and disassembly.
  • the transition tubes 13 can be fixed to the cage 100 and thus to the turbine guide vane carrier 44. In this case, the transition tubes 13 may move due to the thermal expansion of the vane support 44 relative to the burners 9. Between the burners 9 and the transition tubes 13, therefore, sliding seals are arranged. In addition, there is a flexible support of the transition tubes near the burner.
  • the transition tubes 13 it is also possible to fasten the transition tubes 13 to the burners 9 or to the housing and to insert the transition tubes 13 only into the receptacles 108 in the cage 100 so that they can be displaced within the receptacles 108.
  • the sealing concept between the burners 9 and the transition tubes 13 can be simplified, since there is no longer any relative movement between the burners 9 and the transition tubes 13.
  • the mere insertion of the transition tubes 13 in the receptacles 108 of the cage 100 allows a relative movement between the cage 100 and the transition tubes 13. With this configuration, the wear caused by sliding movements of the seal between the burner 9 and transition tube 13 can be reduced.
  • the assembly and disassembly of the transition tubes 13 is simplified to the burners 9, since no complicated sealing system must be installed.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es wird eine Turbinenanlage zur Verfügung gestellt mit
- einem eine Axialrichtung und eine Radialrichtung aufweisenden Turbinenabschnitt (5),
- mindestens einem Flammraum (13), welcher ein Heißgas führt und eine dem Turbinenabschnitt (5) zugewandte Heißgasaustrittsöffnung (14) aufweist,
- einer Anzahl im Bereich der Heißgasaustrittsöffnung bzw. der Heißgasaustrittsöffnungen (14) angeordneter Leitschaufeln (40), welche jeweils ein sich in Radialrichtung erstreckendes Schaufelblatt (41) und einen radial äußeren Befestigungsabschnitt (48) sowie einen radial inneren Befestigungsabschnitt (47) aufweisen, und
- einem Leitschaufelträger (44), an dem der äußere Befestigungsabschnitt (48) befestigt ist.
In der zur Verfügung gestellten Turbinenanlage ist der innere Befestigungsabschnitt (47) ebenfalls am Leitschaufelträger (44) befestigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenanlage mit einem Turbinenabschnitt, mindestens einem Flammenraum, welcher ein Heißgas führt und eine dem Turbinenabschnitt zugewandte Heißgasaustrittsöffnung aufweist sowie eine Anzahl im Bereich der Heißgasaustrittsöffnung bzw. der Heißgasaustrittsöffnungen angeordneter Leitschaufeln.
  • Eine Turbinenanlage, insbesondere eine Gasturbinenanlage, ist eine Strömungsmaschine, die im Wesentlichen einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichterabschnitt angeordneten Brennerabschnitt mit einer oder mehreren Brennkammern bzw. Flammrohren umfasst.
  • Im Betrieb einer derartigen Gasturbinenanlage wird Umgebungsluft durch den Verdichter angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet. Die verdichtete Luft wird dem Brennerabschnitt zugeführt, wo sie mit einem Brennstoff, bspw. Öl oder Gas, vermischt und in der oder den Brennkammern verbrannt wird. Das auf Grund der Verbrennung stark erhitzte Verbrennungsabgas wird schließlich als ein Arbeitsmedium dem Turbinenabschnitt zugeführt, wo es entspannt und abkühlt und währenddessen die Turbine in Rotation versetzt. Auf diese Weise wird die thermische Energie der Verbrennung in mechanische Arbeit umgewandelt, die einerseits zum Antreiben des Verdichters, der mit der Turbine über eine gemeinsame Welle, den so genannten Turbinenläufer oder Rotor, gekoppelt ist sowie zum Antreiben eines Verbrauchers, bspw. eines Generators zum Erzeugen von Strom, dient.
  • Eine Gasturbinenanlage ist beispielsweise in US 4,787,208 beschrieben. In dieser ist eine Anzahl von Übergangsrohren vorhanden, welche in Umfangsrichtung um den Turbinenläufer herum angeordnet sind und Brenneranordnungen des Brennerabschnittes mit dem Turbinenabschnitt verbinden. Das von den Brennern erzeugte Heißgas wird von den Übergangsrohren in Richtung auf den Turbinenabschnitt geleitet und tritt aus den Heißgasaustrittsöffnungen der Übergangsrohre in den Turbinenabschnitt aus.
  • Den Heißgasaustrittsöffnungen ist strömungstechnisch eine Anzahl von Leitschaufeln nachgeschaltet, welche den austretenden Heißgasstrom führen und derart ablenken, dass seine kinetische Energie wirksam auf den Turbinenläufer übertragen werden kann. Die Turbinenleitschaufeln sind um den Turbinenläufer herum angeordnet, erstrecken sich im Wesentlichen in der Radialrichtung des Turbinenläufers und weisen an ihrem radial inneren Ende und ihrem radial äußeren Ende jeweils einen Befestigungsabschnitt auf. Während der radial innere Befestigungsabschnitt an einem den Turbinenläufer umgebenden Bauteil, der sog. Wellenabdeckung, befestigt ist, ist der radial äußere Befestigungsabschnitt an einem Leitschaufelträger befestigt.
  • Die beschriebene Art der Befestigung der Leitschaufeln führt dazu, dass diese eine Pendelbewegung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen des Leitschaufelträgers und der Wellenabdeckung ausführen. Der Leitschaufelträger dehnt sich entgegen der Strömungsrichtung des Heißgases aus, wohingegen sich die Wellenabdeckung in Strömungsrichtung ausdehnt. Diese Pendelbewegung kann zu hohem Verschleiß und zu Verformungen der Dichtungen zwischen den Übergangsrohren und Leitschaufelbefestigung führen. Falls die Übergangsrohre am Leitschaufelträger fixiert sind, kommt es auf Grund der Wärmedehnung des Übergangsrohres zu einer Relativbewegung zwischen Brenner und Übergangsrohr. Im Bereich des Brenners sowie im Bereich des Übergangs zwischen den Übergangsrohren und dem Turbinenabschnitt sind daher komplexe Dichtsysteme notwendig, welche die Bewegung der Turbinenleitschaufeln und des Übergangsrohres berücksichtigen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine gegenüber dem genannten Stand der Technik verbesserte Turbinenanlage zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Turbinenanlage nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbinenanlage.
  • Eine erfindungsgemäße Turbinenanlage, die insbesondere als Gasturbinenanlage ausgestattet sein kann, umfasst:
    • einen eine Axialrichtung und eine Radialrichtung aufweisenden Turbinenabschnitt,
    • mindestens einen Flammenraum, welcher ein Heißgas führt und eine dem Turbinenabschnitt zugewandte Heißgasaustrittsöffnung aufweist,
    • eine Anzahl im Bereich der Heißgasaustrittsöffnung bzw. der Heißgasaustrittsöffnungen angeordneter Leitschaufeln, welche jeweils ein sich in Radialrichtung erstreckendes Schaufelblatt und einen radial äußeren Befestigungsabschnitt sowie einen radial inneren Befestigungsabschnitt aufweisen, und
    • einen Leitschaufelträger, an dem der radial äußere Befestigungsabschnitt befestigt ist. Der radial äußere Befestigungsabschnitt kann beispielsweise als ein aus Außenringsegmenten aufgebauter Außenring ausgestaltet sein, der allen entlang derselben Umfangslinie um den Turbinenläufer herum angeordneten Leitschaufeln, die einen sog. Leitschaufelkranz bilden, gemeinsam ist. Ebenso kann der innere Befestigungsabschnitt als ein aus Innenringsegmenten aufgebauter Innenring ausgestaltet sein, der allen Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes gemeinsam ist. In der erfindungsgemäßen Turbinenanlage ist auch der innere Befestigungsabschnitt unmittelbar oder mittelbar am Leitschaufelträger befestigt.
  • Dadurch, dass beide Befestigungsabschnitte am Leitschaufelträger befestigt sind, führt die thermische Dehnung für beide Befestigungsabschnitte im Wesentlichen zur selben Bewegung. Ein Kippen der Leitschaufeln kann dadurch weitgehend unterbunden werden. Die Reduktion der Kippbewegung führt dazu, dass die Dichtkonzepte deutlich vereinfacht werden können.
  • Das Befestigen sowohl des inneren als auch des äußeren Befestigungsabschnittes am Leitschaufelträger kann unmittelbar oder mittelbar, also über die Zwischenschaltung weiterer Konstruktionselemente, erfolgen.
  • In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung, in der das Befestigen des inneren Befestigungsabschnittes am Leitschaufelträger mittelbar erfolgt, ist wenigstens ein Bügel vorhanden, der ein am Leitschaufelträger befestigtes erstes Bügelende und ein vom Leitschaufelträger entfernt angeordnetes und im Vergleich zum ersten Ende radial weiter innen liegendes zweites Bügelende aufweist. Der innere Befestigungsabschnitt ist in dieser Ausgestaltung am zweiten Bügelende befestigt. Außerdem kann eine Dichtung zwischen den zweiten Bügelenden und einer eine Turbinenwelle umgebende Wellenabdeckung vorhanden sein.
  • Wenn die Flammenräume als eine Anzahl ringförmig um die Axialrichtung herum verteilter Übergangsrohre ausgebildet sind, können die Bügel zwischen benachbarten Übergangsrohren hindurch zum inneren Befestigungsabschnitt geführt sein. Der Platz zwischen den Übergangsrohren hängt hauptsächlich von der Anzahl an Übergangsrohren ab. Der Abstand der Bügel zu den jeweiligen Übergangsrohren kann an den Kühlluftbedarf der Übergangsrohre angepasst werden. Die Maße der Bügel sollten insbesondere im Hinblick der benötigten Steifigkeit der Konstruktion gewählt werden.
  • Wenn zwischen den Übergangsrohren und den Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes ein Abstandshalter, beispielsweise in Form eines den Turbinenläufer umgebenden Ringes, angeordnet ist, kann dieser ebenfalls an dem Bügel befestigt werden, um zu vermeiden, dass er sich unter thermischer Dehnung anders verhält als der innere Befestigungsabschnitt der Leitschaufeln.
  • In einer zweiten konstruktiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbinenanlage, in welcher der innere Befestigungsabschnitt ebenfalls mittelbar am Leitschaufelträger befestigt ist, ist eine den Turbinenrotor umgebende Wellenabdeckung vorhanden. Außerdem ist eine Rippe mit einem am Leitschaufelträger befestigten ersten Rippenende und einem an der Wellenabdeckung befestigten zweiten Rippenende vorhanden. Der innere Befestigungsabschnitt ist in dieser Ausgestaltung an der Wellenabdeckung befestigt. In dieser konstruktiven Ausgestaltung ist die Wellenabdeckung gegenüber dem Verdichter beweglich angeordnet und über die Rippen am Leitschaufelträger fixiert, so dass der Innenring mittelbar am Leitschaufelträger befestigt ist. Im Stand der Technik ist die Wellenabdeckung dagegen über eine Rippe durch einen sog. Diffusor am Verdichtergehäuse fixiert. Zwar wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein verbessertes Abdichten der Wellenabdeckung zum Verdichter hin nötig, jedoch kann diese Abdichtung aufgrund der im Bereich des Verdichters herrschenden relativ niedrigen Temperaturen verhältnismäßig einfach bewerkstelligt werden. Die Abdichtung von der Wellenabdeckung zur Turbine wird hingegen erheblich vereinfacht.
  • Wenn die Flammenräume durch eine Anzahl ringförmig um die Axialrichtung herum verteilter Übergangsrohre gebildet werden, können die Rippen zwischen jeweils zwei benachbarten Übergangsrohren hindurch geführt sein. Wie in der Ausgestaltung mit den Bügeln hängt der Platz zwischen den Übergangsrohren hauptsächlich von deren Anzahl ab, und der Abstand der Rippen zu den Übergangsrohren sollte sich am Kühlluftbedarf der Übergangsrohre orientieren. Die Maße der Rippen werden im Hinblick auf die benötigte Steifigkeit der Konstruktion und den vorhandenen Platz gewählt.
  • In einer dritten konstruktiven Ausgestaltung, in welcher der innere Befestigungsabschnitt unmittelbar am Leitschaufelträger befestigt ist, sind Flammenräume in Form einer Anzahl ringförmig um die Axialrichtung herum verteilter Übergangsrohre vorhanden. Im Bereich der Heißgasaustrittsöffnungen der Übergangsrohre ist ein mit dem Leitschaufelträger fest verbundener Käfig vorhanden, der Aufnahmen für die Heißgasaustrittsöffnungen aufweisenden Enden der Übergangsrohre aufweist. Sowohl der äußere Befestigungsabschnitt als auch der innere Befestigungsabschnitt der Leitschaufeln sind am Käfig befestigt.
  • Insbesondere sind die Übergangsrohre gegenüber dem Leitschaufelträger beweglich angeordnet und lediglich in die Aufnahmen eingesteckt. Dadurch wird eine Bewegung der Übergangsrohre gegenüber dem Käfig bei thermischer Dehnung möglich.
  • In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist zwischen dem Käfig und der Wellenabdeckung eine Dichtung angeordnet.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
    • Figur 1
    zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbinenanlage nach Stand der Technik.
    Figur 2
    zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Turbinenlage in einer geschnittenen Seitenansicht.
    Figur 3
    zeigt das Ausführungsbeispiel aus Figur 2 in einer perspektivischen Darstellung.
    Figur 4a
    zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Turbinenanlage in einer geschnittenen Seitenansicht.
    Figur 4b
    zeigt eine Abwandlung des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels.
    Figur 5
    zeigt das Ausführungsbeispiel aus Figur 4a in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung.
    Figur 6
    zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Turbinenanlage in einer geschnittenen Seitenansicht.
    Figur 7
    zeigt das dritte Ausführungsbeispiel in einem Schnitt entlang der Linie A-A aus Figur 6.
  • Um die Unterschiede der erfindungsgemäßen Turbinenanlage zu Turbinenanlagen nach dem Stand der Technik besser verdeutlichen zu können, wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 1 zunächst eine Gasturbinenanlage nach Stand der Technik beschrieben.
  • Die Gasturbinenanlage umfasst einen Verdichterabschnitt 1, einen Brennerabschnitt 3 und einen Turbinenabschnitt 5. Durch die gesamte Anlage erstreckt sich eine Welle 10, welche einerseits die Turbinenlaufschaufeln 30, 32 und andererseits die Verdichterlaufschaufeln 50 trägt. Eine Reihe von Laufschaufeln sind jeweils entlang einer Umfangslinie der Welle 10 angeordnet und bilden einen Laufschaufelkranz. Die Welle 10 mit den Turbinenlaufschaufeln 30, 32 und Verdichterlaufschaufeln 50 wird auch Turbinenläufer oder Rotor genannt.
  • Im Turbinenabschnitt 5 sind zudem Leitschaufeln 40, 42 vorhanden, die zwischen den Laufschaufelkränzen angeordnet sind. Ebenso sind Verdichterleitschaufeln 60 zwischen den Verdichterlaufschaufelkränzen 50 angeordnet. Auch die Leitschaufeln 60 sind kranzförmig angeordnet und bilden Leitschaufelkränze.
  • Im Brennerabschnitt 3 umfasst eine große Kammer, das sog. Brennerplenum 7, in welche vom Verdichter verdichtete Luft austritt. Im Brennerplenum 7 ist eine Anzahl von Brennern 9 vorhanden, welche ringförmig um die Turbinenwelle 10 herum angeordnet sind. Die Brenner 9 sind über Übergangsrohre 13 strömungstechnisch mit dem Turbinenabschnitt 5 verbunden.
  • Aufgrund der hohen Temperaturen der beim Betrieb der Anlage entstehenden Verbrennungsgase können die Leitschaufeln 40 des ersten Leitschaufelkranzes nur die Strömungskräfte, aber keine mechanischen Kräfte aufnehmen. Sie werden deshalb sowohl an ihrem in Bezug auf die Welle 10 radial äußeren Ende als auch an ihrem radial inneren Ende gehalten. Sie sind dabei einerseits an einem Leitschaufelträger 44 und andererseits an einer Wellenabdeckung 46 befestigt. Diese Art der Befestigung führt jedoch dazu, dass die Leitschaufeln 40 aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnung von Leitschaufelträger 44 und Wellenabdeckung 46 eine Pendelbewegung ausführen. Der Leitschaufelträger 44 dehnt sich nämlich entgegen der Strömungsrichtung und die Wellenabdeckung 46 in Strömungsrichtung. Die Pendelbewegung hat einen hohen Verschleiß der Leitschaufeln zur Folge und kann zu Verformungen führen. Zudem sind komplexe Dichtsysteme nötig, um eine Abdichtung.des Brennerplenums 7 gegen die strömenden Heißgase trotz der Pendelbewegung sicher gewährleisten zu können.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben, die einen Ausschnitt aus einer Gasturbinenanlage zeigen. Es sind ein Brenner 9, Übergangsrohre 13 und ein Ausschnitt aus dem Turbinenabschnitt 5 der Gasturbinenanlage zu erkennen. Vom Turbinenabschnitt 5 sind insbesondere der Leitschaufelträger 44 und eine Leitschaufel 40 des ersten Leitschaufelkranzes dargestellt. Daneben ist auch die Wellenabdeckung 46 gezeigt. Zusätzlich ist als ein Teil des Verdichterabschnittes die Außenschale 64 des Verdichterabschnittes 1 dargestellt. Ein Spalt zwischen der Verdichteraußenschale 64 und der Wellenabdeckung 46 bildet den Ausgang 2 des Verdichters.
  • Die Leitschaufeln 40 des ersten Leitschaufelkranzes weisen jeweils ein Schaufelblatt 41 auf, welches an seinem mit Bezug auf die Welle 10 radial inneren Ende in einen sich um die Welle 10 herum erstreckenden inneren Leitschaufelring 47 als inneren Befestigungsabschnitt mündet. Das radial äußere Ende mündet in einen äußeren Leitschaufelring 48, welches auch als äußerer Befestigungsabschnitt bezeichnet wird. Während der innere Leitschaufelring 47 an der Wellenabdeckung 46 fixiert ist, ist der radial äußere Leitschaufelring 48 am Leitschaufelträger 44 fixiert.
  • Die Wellenabdeckung 46 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Anzahl von Rippen 49 am Leitschaufelträger 44 befestigt. Die Rippen 49 sind zwischen benachbarten Übergangsrohren 13 hindurchgeführt. Dadurch ist auch der radial innere Leitschaufelring 47 mittelbar am Leitschaufelträger 44 befestigt. Die Rippen sorgen dafür, dass eine mögliche Relativbewegung zwischen dem Leitschaufelträger 44 und der Wellenabdeckung 46 wirksam unterdrückt werden kann. Die Pendelbewegung der Leitschaufeln 40 des ersten Leitschaufelkranzes lässt sich dadurch wirksam reduzieren. Die Abdichtung der Wellenabdeckung zur Verdichterseite hin ist zudem wesentlich einfacher zu bewerkstelligen. Gleichzeitig können die Seitenflächen der Rippen 49 als Leitflächen dienen, welche vermehrt Verdichterluft in den Bereich der Übergangsrohre 13 leiten, in dem die Heißgasaustrittsöffnungen 14 angeordnet sind. Dadurch kann die Kühlung der Übergangsrohre 13 verbessert werden. Schließlich können im Vergleich zum Stand der Technik Verbindungsrippen, welche die Verdichteraußenschale 64 mit der Wellenabdeckung 46 verbinden, weggelassen werden, wodurch sich der Strömungsquerschnitt des Verdichterausgangs 2 erhöhen lässt.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 4a, 4b und 5 beschrieben, die einen Ausschnitt aus einer Gasturbinenanlage zeigen, welcher dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausschnitt entspricht. Elemente, welche den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Elementen entsprechen sind mit denselben Bezugsziffern wie in Figur 2 und Figur 3 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel sind Bügel 149 vorhanden, die näherungsweise die Form eines auf der Seite liegenden "U" aufweisen und zwischen benachbarten Übergangsrohren 13 hindurchgeführt sind. Das äußere Ende 150 der Bügel 149 ist am Turbinenleitschaufelträger 44 befestigt. Das freie innere Ende 152 der Bügel 149 liegt dem am Leitschaufelträger 44 befestigten Ende 150 in im Bezug auf die Welle 10 radialer Richtung gegenüber. Am freien Ende 152 ist der innere Leitschaufelring 47 fixiert.
  • Im Unterschied zur vorherigen Variante ist die Wellenabdeckung 46 nicht mit dem Turbinenleitschaufelträger 44 verbunden. Stattdessen ist sie über Rippen 66 an der Verdichteraußenschale 64 befestigt. Die freien Enden 152 der Bügel 149 bilden Ringsegmente, die gemeinsam einen die Wellenabdeckung 46 umgebenden Ring bilden. Zwischen diesem Ring und der Wellenabdeckung 46 ist eine Dichtung 45 angeordnet, um den Turbinenabschnitt 5 gegen das Brennkammerplenum 7 abzudichten.
  • Da die Leitschaufeln 40 des ersten Leitschaufelkranzes nur am Turbinenleitschaufelträger 44 befestigt sind, kann eine Pendelbewegung aufgrund thermischer Dehnung wirksam reduziert werden. Aufgrund der reduzierten Pendelbewegung lässt sich auch der Abdichtungsaufwand stark reduzieren.
  • Figur 4b zeigt eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels. In der Abwandlung ist zusätzlich ein Abstandhalter 43 zwischen dem Ausgang 14 des Übergangsrohres 13 und der Turbinenleitschaufel 40 vorhanden. Dieser Abstandshalter 43 ist ebenfalls am Bügel 149 befestigt. Ein Abstandshalter kann grundsätzlich auch in den beiden anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein und dort an der Rippe bzw. am Käfig (drittes Ausführungsbeispiel, das nachfolgend beschrieben wird) befestigt sein.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 6 und 7 beschreiben. Die Figuren zeigen den Übergangsbereich zwischen den Übergangsrohren 13 und dem Turbineabschnitt 5. Es sind der Leitschaufelträger 44, die Wellenabdeckung 46, eine Leitschaufel 40 mit Schaufelblatt 41, innerem Leitschaufelring 47 und äußerem Leitschaufelring 48 zu erkennen. Zudem ist ein Übergangsrohr 13 angedeutet.
  • Am Turbinenleitschaufelträger 44 ist ein Käfig 100 angeordnet. Dieser weist einen Käfigaußenring 102 und einen Käfiginnenring 104 auf. Der Käfigaußenring 102 und der Käfiginnenring 104 sind über eine Anzahl von Käfigstegen 106 miteinander verbunden. Die Räume zwischen zwei benachbarten Käfigstegen bilden Aufnahmen 108, in welche die Heißgasaustrittsöffnungen 14 aufweisenden Enden der Übergangsrohre 13 eingeschoben sind.
  • Der Käfig 100 besitzt keine starre Verbindung zur Wellenabdeckung 46, sondern eine Dichtung 101. Auf diese Weise ist eine Relativbewegung zwischen Käfig 100 und Turbinenleitschaufelträger 44 einerseits und der Wellenabdeckung 46 andererseits aufgrund thermischer Dehnung möglich.
  • Der Käfigaußenring 102 weist einen Haltebereich auf, in den der Leitschaufelaußenring eingesetzt ist. Entsprechend weist der Käfiginnenring 104 einen Haltebereich auf, in den der Leitschaufelinnenring 47 eingesetzt ist. Der Leitschaufelkranz wird daher vollständig vom Käfig 100 gehalten. Auf diese Weise sind die Leitschaufeln 40 des ersten Leitschaufelkranzes nur am Turbinenleitschaufelträger 44 befestigt. Die Haltebereiche der Käfigringe 102, 104 können bspw. in Form von Ringnuten ausgestattet sein. Aufgrund der Befestigung des ersten Leitschaufelkranzes alleine am Käfig 100 führen die Leitschaufeln 40 keine Pendelbewegung mehr aufgrund thermischer Dehnung aus.
  • Zwar ist es grundsätzlich möglich, den Käfig 100 einstückig mit dem Turbinenleitschaufelträger 44 auszubilden, jedoch ist es vorteilhaft, wenn der Käfig als eigenes Bauteil ausgebildet ist, welches lediglich am Turbinenleitschaufelträger 44 vorzugsweise lösbar fixiert ist. Zur Montage oder Demontage der Leitschaufeln 40 kann der Käfig 100 dann vom Turbinenleitschaufelträger 44 abgenommen werden, was die Montage und Demontage deutlich vereinfacht.
  • Die Übergangsrohre 13 können im vorliegenden Ausführungsbeispiel am Käfig 100 und damit am Turbinenleitschaufelträger 44 fixiert sein. In diesem Fall können sich die Übergangsrohre 13 aufgrund der thermischen Dehnung des Leitschaufelträgers 44 gegenüber den Brennern 9 verschieben. Zwischen den Brennern 9 und den Übergangsrohren 13 sind daher Schleifdichtungen angeordnet. Zudem ist eine flexible Halterung der Übergangsrohre in der Nähe der Brenner vorhanden.
  • Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Übergangsrohre 13 an den Brennern 9 oder am Gehäuse zu befestigen und die Übergangsrohre 13 lediglich in die Aufnahmen 108 im Käfig 100 einzuschieben, so dass sie innerhalb der Aufnahmen 108 zu verschieben sind. Dadurch lässt sich das Dichtkonzept zwischen den Brennern 9 und den Übergangsrohren 13 vereinfachen, da keine Relativbewegung mehr zwischen den Brennern 9 und den Übergangsrohren 13 stattfindet. Stattdessen ermöglicht das bloße Einschieben der Übergangsrohre 13 in die Aufnahmen 108 des Käfigs 100 eine Relativbewegung zwischen dem Käfig 100 und den Übergangsrohren 13. Mit dieser Ausgestaltung kann der durch Schiebebewegungen verursachte Verschleiß der Dichtung zwischen Brenner 9 und Übergangsrohr 13 verringert werden. Zudem ist die Montage und Demontage der Übergangsrohre 13 an den Brennern 9 vereinfacht, da kein kompliziertes Dichtungssystem installiert werden muss.

Claims (10)

  1. Turbinenanlage mit
    - einem eine Axialrichtung und eine Radialrichtung aufweisenden Turbinenabschnitt (5),
    - mindestens einem Flammraum (13), welcher ein Heißgas führt und eine dem Turbinenabschnitt (5) zugewandte Heißgasaustrittsöffnung (14) aufweist,
    - einer Anzahl im Bereich der Heißgasaustrittsöffnung bzw. der Heißgasaustrittsöffnungen (14) angeordneter Leitschaufeln (40), welche jeweils ein sich in Radialrichtung erstreckendes Schaufelblatt (41) und einen radial äußeren Befestigungsabschnitt (48) sowie einen radial inneren Befestigungsabschnitt (47) aufweisen, und
    - einem Leitschaufelträger (44), an dem der äußere Befestigungsabschnitt (48) befestigt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der innere Befestigungsabschnitt (47) ebenfalls am Leitschaufelträger (44) befestigt ist.
  2. Turbinenanlage nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    wenigstens einen Bügel (149) mit einem am Leitschaufelträger (44) befestigten ersten Bügelende (150) und einem vom Leitschaufelträger (44) entfernten und im Vergleich zum ersten Bügelende (150) radial weiter innen liegenden zweiten Bügelende (152), wobei der innere Befestigungsabschnitt (47) am zweiten Bügelende (152) befestigt ist.
  3. Turbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Flammräume eine Anzahl ringförmig um die Axialrichtung herum verteilter Übergangsrohre (13) vorhanden sind und dass die Bügel (149) zwischen benachbarten Übergangsrohren (13) hindurchgeführt sind.
  4. Turbinenanlage nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Abstandshalter (43) zwischen den Heißgasaustrittsöffnungen (14) der Übergangsrohre (13) einerseits und den Leitschaufeln (40) andererseits angeordnet ist, welcher an dem wenigstens einen Bügel (149) befestigt ist.
  5. Turbinenanlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine eine Turbinenwelle (10) umgebende Wellenabdeckung (46) und wenigstens eine Rippe (49) mit einem am Leitschaufelträger (44) befestigten ersten Rippenende (49a) und einem an der Wellenabdeckung (46) befestigten zweiten Rippenende (49b) vorhanden sind, und dass der innere Befestigungsabschnitt (47) an der Wellenabdeckung (46) befestigt ist.
  6. Turbinenanlage nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Flammräume eine Anzahl ringförmig um die Axialrichtung herum verteilter Übergangsrohre (13) vorhanden sind und dass die Rippen (49) zwischen jeweils zwei benachbarten Übergangsrohren (13) hindurchgeführt sind.
  7. Turbinenanlage nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sie einen Verdichter (1) umfasst, gegenüber dem die Wellenabdeckung (46) beweglich angeordnet ist.
  8. Turbinenanlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - als Flammräume eine Anzahl ringförmig um die Axialrichtung herum verteilter Übergangsrohre (13) vorhanden sind,
    - ein im Bereich der Heißgasaustrittöffnungen (14) der Übergangsrohre (13) ein mit dem Leitschaufelträger (44) fest verbundener Käfig (100) mit Aufnahmen (108) für die Heißgasaustrittsöffnungen (14) aufweisenden Enden der Übergangsrohre (13) vorhanden ist und
    - sowohl der äußere Befestigungsabschnitt (48) als auch der innere Befestigungsabschnitt (47) am Käfig (100) befestigt sind.
  9. Turbinenanlage nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Übergangsrohre (13) gegenüber dem Leitschaufelträger (44) beweglich angeordnet sind und die Übergangsrohre (13) in die Aufnahmen (108) eingesteckt sind.
  10. Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4 oder nach einem Ansprüche 8 und 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine eine Turbinenwelle (10) umgebende Wellenabdeckung (46) vorhanden ist und zwischen den zweiten Bügelenden (152) bzw. dem Käfig (100) einerseits und der Wellenabdeckung andererseits eine Dichtung (45, 101) vorhanden ist.
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