EP2024684B1 - Gasturbine mit gepanzerten maschinenkomponenten - Google Patents

Gasturbine mit gepanzerten maschinenkomponenten Download PDF

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EP2024684B1
EP2024684B1 EP07728485A EP07728485A EP2024684B1 EP 2024684 B1 EP2024684 B1 EP 2024684B1 EP 07728485 A EP07728485 A EP 07728485A EP 07728485 A EP07728485 A EP 07728485A EP 2024684 B1 EP2024684 B1 EP 2024684B1
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EP
European Patent Office
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armor
gas turbine
components
machine
segments
Prior art date
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Active
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EP07728485A
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English (en)
French (fr)
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EP2024684A1 (de
Inventor
Birgit Grüger
Martin Stapper
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Siemens AG
Siemens Corp
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 EP07728485A priority Critical patent/EP2024684B1/de
Publication of EP2024684A1 publication Critical patent/EP2024684A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2024684B1 publication Critical patent/EP2024684B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F23R3/005—Combined with pressure or heat exchangers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • 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
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05001—Preventing corrosion by using special lining materials or other techniques

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a number of machine components provided with a basic body made of a base material, which is provided in a portion of its surface with an armor made of a coating material with a greater hardness compared to the base material.
  • Turbines in particular gas turbines, are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
  • the working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.
  • a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or blade rows, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium.
  • a turbine of this type comprises a plurality of components or machine components which are positioned in the turbine in accordance with predetermined dimensions, shapes and / or tolerances. In many cases, it may be desirable to contact the neighboring machine components or components minimize each other, so as to keep wear of the affected components particularly low. Nevertheless, during operation of the turbine, for example as a result of thermal expansion or as a result of operating vibrations or the like, there may always be undesirable contact between such components, so that some wear of such components occurs. For example, as such machine components in the region of the combustion chamber of the gas turbine usually a so-called flame tube, a mixing housing and an inner housing adjacent to each other.
  • the machine components can be manufactured in what is referred to as an armored version, the areas particularly affected by the expected wear or expected contacts with neighboring components being coated with a protective coating, also referred to as armor ,
  • a protective coating also referred to as armor
  • Such an armor can be formed from an application material which has a greater mechanical hardness compared to the base material of the respective component, so that a contact-related wear can already be reduced by such a suitable choice of material.
  • a segmented armor applied to a squeal ring of a gas turbine for example, in the document GB 2061 397 A a segmented armor applied to a squeal ring of a gas turbine.
  • the invention is therefore based on the object to provide a gas turbine with a number of machine components of the type mentioned above, which is also particularly suitable for use in a thermally comparatively highly loaded area of a working machine.
  • the invention is based on the consideration that the machine component should be provided with a suitable armor for a fundamental usability while maintaining wear-resistant working conditions.
  • the lateral extent of the armor should be kept particularly low.
  • individual zones of the armor should be executed decoupled from one another, in order thus to allow sufficient resilience to thermal deformation and the like. For this, the armor should be executed segment by segment.
  • each other positioned components or machine components should be armored in this way be executed, wherein the armored portion of the surface of a first machine component adjacent to the armored portion of the surface of a second machine component is arranged.
  • the application material of the first machine component has a different hardness than the application material of the second machine component.
  • the armor segments may be applied by suitable techniques on the body of the machine component.
  • the armor segments are applied by build-up welding on the base body, so that a particularly intimate connection to the body and thus a high stability of the machine component is achieved overall.
  • the armor segments may be applied to an outer surface of the body so that the resulting contour has substantially a plurality of bulges provided by the armor segments on the surface of the rail component.
  • the armor segments are advantageously introduced or embedded respectively in associated recesses in the body.
  • an overall surface of the machine component that is virtually flat overall is advantageously achievable overall, with the outer surface of the armor segments in particular and the outer surface of the webs of the base body extending between the armor segments forming a continuous surface.
  • machine components of the type mentioned are used in a gas turbine, in particular as a flame tube of a combustion chamber, as a mixing housing of a burner and / or as an inner housing of a combustion chamber.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that by the segmented design of the armor of the machine component even with only small tolerance ranges attaching the armor on the body is made possible in the first place, especially with regard to the segmented execution of the armor distortion of the body can be largely avoided due to the high operating temperatures during build-up welding.
  • the segmented design of the armor also avoids cracking when applying the armor, which could occur with continuous welding of the armor.
  • a subsequent bending of the component is made possible without the order material would be too stressed.
  • deformations and joint welds are comparatively easy to carry out during assembly and in operation, without any critical effects on the component to be feared.
  • the surface of the machine component can be homogenized in retrospect, with a possible supernatant after the deposition welding can also be subsequently removed. In this case, compliance with externally predetermined dimensions can be ensured in particular with adapted component geometry.
  • the segmented application of the armor also reduces the load on the component during manufacture, assembly and operation.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator, not shown, or a working machine.
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common, also called turbine rotor turbine shaft 8, with which the generator or the working machine is connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4 is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel. It is also provided on its inner wall with heat shield elements not shown.
  • the turbine 6 has a number of rotatable blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • the blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine 6 comprises a number of fixed vanes 14, which are also annular in shape to form Guide vanes are attached to an inner housing 16 of the turbine 6.
  • the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by momentum transfer from a turbine 6 flowing through the working medium M.
  • the vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
  • a successive pair of a ring of vanes 14 or a row of vanes and a ring of vanes 12 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
  • Each vane 14 has a platform 18, which is arranged to fix the respective vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component that forms the outer boundary of a hot gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6.
  • Each blade 12 is attached to the turbine shaft 8 in an analogous manner via a platform 20, also referred to as a blade root.
  • each guide ring 21 on the inner housing 16 of the turbine 6 is arranged.
  • the inner surface of each guide ring 21 is also exposed to the hot, the turbine 6 flowing through the working medium M and spaced in the radial direction from the outer end 22 of the opposed blades 12 a blade row through a gap 24.
  • each of the combustion chamber 4 is in its inflow, to which a number of unspecified supply lines for media, such as fuel and combustion air are connected, equipped in its interior with a so-called flame tube 30, within which the combustion of the fuel takes place.
  • a so-called flame tube 30 is connected on the output side to a mixing housing 34 of the combustion chamber. 4
  • the flame tube 30, the transition piece 34 and the inner housing 36 are connected to each other in the manner of nested tubes together, so that a reliable media flow guidance of the flame tube 30 is ensured in the inner housing 36 of the combustion chamber 4.
  • the respectively nested tube ends are positioned as possible contact-free from each other while maintaining the predetermined dimensions and tolerances, so that wear due to in contact with each other components and rubbing components is avoided as possible.
  • a recurrent contact of these components with each other can not be avoided, so that residual wear is to be expected in every case.
  • regular inspection and replacement of these components is required as part of maintenance and inspection work.
  • each of the engine components flame tube 30, transition piece 34 and inner housing 36 is constructed from a base made of base material 40, which in each case in the FIG. 3 to 6 shown portion of its surface with an armor 42 is provided from a job material.
  • the application material is chosen such that it has a greater hardness compared to the base material, so that an increased resistance to mechanical and thermal stress is given.
  • the application material is applied to the base body 40 in each case by build-up welding.
  • the armor 42 comprises a plurality of armor segments 44, wherein the dimensioning with regard to the dimensioning of the actual machine component and the materials used is chosen such that the laterally limited extent the respective armor segments 44 too great impairment of the base body 40 by different thermal Expansion behavior and the like is avoided.
  • the armor segments 44 are each introduced into associated recesses in the base body 40.
  • the recesses may have been introduced by suitable machining methods, such as by milling, turning or grinding.
  • the dimensioning can in principle be made such that the armor segments 44 are applied to a flat surface of the base body 40 and correspondingly their thickness corresponding recesses arise between them.
  • the preparation can also, as in the FIG. 3 6, such that the outer surface of the armor segments 44 engage with the outer surface of the webs 46 of the armor 44 extending between the outer armor segments 44
  • Base body 40 form a continuous and thus planar surface.
  • a finished machine component thereby creates a component which largely corresponds to an originally provided component in terms of its shape, dimensioning and dimensional stability and in particular has a correspondingly smooth and planar surface.
  • a bent cooling air ring 50 can be embodied as an at least partially armored machine component of the type mentioned.
  • the cooling air ring 50 is also provided on its surface with armor segments 44, which are incorporated into corresponding recesses of the cooling air ring 50 forming base body 40.
  • cooling air channels 52 are additionally provided, which are formed by corresponding holes. Due to the shape of the wells, also referred to as pockets, in which the armor segments 44 are arranged, the desired geometry of the cooling air ring 50 can be maintained. Nevertheless, an almost even surface and a smooth transition to the base body 40 is created even when using the armor segments 44. This ensures increased wear reduction and improved bonding between the materials used.
  • FIG. 5 It is shown that as such armored machine components in particular the transition piece 34 and the flame tube 30 of the gas turbine 1 are designed in their overlapping region. Armor 42 of these machine components are provided in each case on the facing surface segments. In such an adjacent arrangement of two such machine armored components is also, as provided for the transition piece 34 and the flame tube 30, by a suitable choice of material for the armor 42 targeted focusing the wear on one of the two machine components, in particular on the easier exchangeable Machine component, enabled. For this purpose, in the present case specifically provided, the application material for the armor 42 of the flame tube 30 of lower hardness than the material for the armor 42 of the transition piece 34th

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Anzahl von Maschinenkomponenten versehen mit einem aus einem Grundmaterial gefertigten Grundkörper, der in einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung aus einem Auftragsmaterial mit einer im Vergleich zum Grundmaterial größeren Härte versehen ist.
  • Turbinen, insbesondere 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 einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
  • Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise zu Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.
  • Eine Turbine dieser Art umfasst eine Vielzahl von Bauteilen oder Maschinenkomponenten, die unter Einhaltung vorgegebener Maße, Formen und/oder Toleranzen geeignet in der Turbine positioniert sind. In vielen Fällen kann es dabei wünschenswert sein, den Kontakt benachbarter Maschinenkomponenten oder Bauteile miteinander zu minimieren, um solchermaßen einen Verschleiß der betroffenen Bauteile besonders gering zu halten. Dennoch kann es beim Betrieb der Turbine, beispielsweise infolge thermischer Ausdehnungen oder auch infolge von betriebsbedingt auftretenden Schwingungen oder dergleichen, immer wieder zu eigentlich unerwünschtem Kontakt zwischen derartigen Bauteilen kommen, so dass ein gewisser Verschleiß derartiger Bauteile auftritt. Beispielsweise sind als derartige Maschinenkomponenten im Bereich der Brennkammer der Gasturbine üblicherweise ein so genanntes Flammrohr, ein Mischgehäuse und ein Innengehäuse benachbart zueinander angeordnet. Diese weisen bauartbedingt derart große Verformungen und kritische Toleranzen auf, dass im Betrieb der Gasturbine ein Kontakt dieser Bauteile stellenweise unvermeidlich ist. Durch diesen Kontakt entsteht ein unerwünschter und insbesondere bei langer Betriebsdauer möglicherweise auch kritischer Verschleiß, so dass die genannten Bauteile in regelmäßigen Abständen inspiziert und bei Bedarf ausgetauscht/repariert werden müssen.
  • Um in derartigen Situationen den Verschleiß der betroffenen Bauteile oder Maschinenkomponenten besonders gering zu halten, können die Maschinenkomponenten in so genannter gepanzerter Ausführung gefertigt sein, wobei die vom erwarteten Verschleiß oder den erwarteten Kontakten mit Nachbarkomponenten besonders betroffenen Bereiche mit einer auch als Panzerung bezeichneten Schutzbeschichtung überzogen sind. Eine derartige Panzerung kann dabei aus einem Auftragsmaterial gebildet sein, das eine im Vergleich zum Grundmaterial der jeweiligen Komponente größere mechanische Härte aufweist, so dass bereits durch eine derartig geeignete Materialwahl ein kontaktbedingt auftretender Verschleiß verringert werden kann. So wird z.B in dem Dokument GB 2061 397 A eine segmentierte Panzerung auf einen Anstreifring einer Gasturbine aufgebracht.
  • Aufgrund der üblicherweise für derartige Einsatzzwecke größeren Härte des Auftragsmaterials ist dieses aber auch spröder als das jeweilige Grundmaterial des Grundkörpers der Maschinenkomponente. Eine Weiterverarbeitung des mit dem Auftragsmaterial versehenen Grundkörpers, beispielsweise durch Biegen oder dergleichen, ist somit nur noch eingeschränkt möglich. Des Weiteren kann es bei einer thermischen Ausdehnung des Grundkörpers in dem mit dem Auftragsmaterial versehenen Bereich aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens zu Rissbildungen und anderen Beschädigungen kommen. Gerade zum Einsatz in thermisch vergleichsweise hoch belasteten Regionen, wie beispielsweise im Innenbereich der Brennkammer einer Gasturbine, sind derartig gepanzerte Maschinenkomponenten daher nur bedingt geeignet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit einer Anzahl von Maschinenkomponenten der oben genannten Art anzugeben, die auch für den Einsatz in einem thermisch vergleichsweise hoch belasteten Bereich einer Arbeitsmaschine besonders geeignet ist.
  • Hinsichtlich der Gasturbine mit einer Anzahl von Maschinenkomponenten wird diese Aufgabe erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Maschinenkomponente für eine grundsätzliche Einsetzbarkeit unter Einhaltung verschleißarmer Arbeitsbedingungen mit einer geeigneten Panzerung versehen sein sollte. Um die damit einhergehenden Nachteile insbesondere hinsichtlich der Weiterverarbeitbarkeit und auch der Stabilität gegenüber thermischer Beanspruchung zu vermeiden, sollte die laterale Ausdehnung der Panzerung besonders gering gehalten werden. Um dabei dennoch einen ausreichend großen Teilbereich der Oberfläche abdecken zu können, sollten einzelne Zonen der Panzerung voneinander entkoppelt ausgeführt werden, um somit ausreichende Nachgiebigkeit gegenüber thermischer Verformung und dergleichen zu ermöglichen. Dazu sollte die Panzerung segmentweise ausgeführt sein.
  • Dabei sollten insbesondere auch benachbart zueinander positionierte Bauteile oder Maschinenkomponenten derartig gepanzert ausgeführt sein, wobei der gepanzerte Teilbereich der Oberfläche einer ersten Maschinenkomponente benachbart zum gepanzerten Teilbereich der Oberfläche einer zweiten Maschinenkomponente angeordnet ist. Dabei weist das Auftragsmaterial der ersten Maschinenkomponente eine andere Härte auf als das Auftragsmaterial der zweiten Maschinenkomponente. Durch geeignete Materialwahl ist es somit möglich, bei auftretendem Kontakt der beiden Maschinenkomponenten miteinander den Verschleiß gezielt auf eine der beiden Maschinenkomponenten - nämlich diejenige mit der Panzerung geringerer Härte - zu fokussieren, wobei dazu insbesondere die leichter austauschbare oder reparierbare Maschinenkomponente gewählt werden kann.
  • Die Panzerungssegmente können durch geeignete Techniken auf dem Grundkörper der Maschinenkomponente aufgebracht sein. Vorteilhafterweise sind die Panzerungssegmente jedoch durch Auftragsschweißen auf den Grundkörper aufgebracht, so dass eine besonders innige Verbindung zum Grundkörper und somit eine hohe Stabilität der Maschinenkomponente insgesamt erreicht ist.
  • Die Panzerungssegmente können auf eine äußere Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht sein, so dass die hierdurch entstehende Kontur im Wesentlichen eine Mehrzahl von durch die Panzerungssegmente gegebene Ausbuchtungen auf der Oberfläche der Schienenkomponente aufweist. Um jedoch für das Bauteil oder die Maschinenkomponente die Einhaltung geforderter Maße oder auch die Bereitstellung einer nach außen hin glatten Oberfläche zu ermöglichen, sind die Panzerungssegmente vorteilhafterweise jeweils in zugeordnete Vertiefungen in den Grundkörper eingebracht oder eingebettet. Dadurch ist vorteilhafterweise insgesamt eine nahezu ebene Gesamtoberfläche der Maschinenkomponente erreichbar, wobei insbesondere die äußere Oberfläche der Panzerungssegmente und die äußere Oberfläche der zwischen den Panzerungssegmenten verlaufenden Stege des Grundkörpers eine durchgängige Oberfläche bilden.
  • Vorteilhafterweise kommen Maschinenkomponenten der genannten Art in einer Gasturbine, insbesondere als Flammrohr einer Brennkammer, als Mischgehäuse eines Brenners und/oder als Innengehäuse einer Brennkammer zum Einsatz.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die segmentierte Ausführung der Panzerung der Maschinenkomponente auch bei nur kleinen Toleranzbereichen eine Anbringung der Panzerung auf den Grundkörper überhaupt erst ermöglicht wird, wobei gerade im Hinblick auf die segmentierte Ausführung der Panzerung ein Verzug des Grundkörpers infolge der hohen Arbeitstemperaturen beim Auftragsschweißen weitgehend vermieden werden kann. Durch die segmentierte Ausführung der Panzerung wird zudem eine Rissbildung bei der Aufbringung der Panzerung vermieden, die bei durchgehender Schweißung der Panzerung auftreten könnte. Zudem wird ein nachträgliches Biegen des Bauteils ermöglicht, ohne dass das Auftragsmaterial dabei zu stark beansprucht würde. Des Weiteren sind verformungen und Verbindungsschweissungen während der Montage und im Betrieb vergleichsweise einfach durchzuführen, ohne dass kritische Auswirkungen auf das Bauteil zu befürchten sind.
  • Durch die Anbringung der Panzerungssegmente in in den Grundkörper eingearbeitete Vertiefungen kann die Oberfläche der Maschinenkomponente im Nachhinein homogenisiert werden, wobei ein möglicher Überstand nach dem Auftragsschweißen auch nachträglich entfernt werden kann. Dabei kann insbesondere bei angepasster Bauteilgeometrie die Einhaltung extern vorgegebener Maße sichergestellt werden. Die segmentierte Aufbringung der Panzerung reduziert zudem die Belastung des Bauteils bei der Fertigung, Montage und im Betrieb.
  • Gerade bei der Anwendung bei Turbinen, insbesondere Gasturbinen, kann zudem durch geeignete Materialwahl bei der paarweisen Panzerung von Kömponentenpaaren durch geeignete Wahl unterschiedlicher Härten der Verschleiß auf eine der beiden gepaarten Komponenten fokussiert werden, so dass eine nachträgliche Wartung und ein Austausch betroffener Komponenten bedeutend erleichtert werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    einen Längsschnitt durch eine Gasturbine,
    FIG 2
    einen Schnitt durch eine Brennkammer bei Gasturbinen nach FIG 1, und
    FIG 3 bis 5
    jeweils Maschinenkomponenten der Gasturbine nach FIG 1.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 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.
  • Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt. Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher dargestellten Hitzeschildelementen versehen.
  • 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 Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag von einem 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 aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Leitschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
  • Jede Leitschaufel 14 weist eine 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 Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.
  • 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 innere 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 gegenüberliegenden Laufschaufeln 12 einer Laufschaufelreihe durch einen Spalt 24 beabstandet.
  • Wie der vergrößerten Darstellung in FIG 2 entnehmbar ist, ist jeder der Brennkammer 4 in seinem Einströmbereich, an dem eine Anzahl von nicht näher spezifizierten Zuführungsleitungen für Medien, wie Brennstoff und Verbrennungsluft angeschlossen sind, in seinem Inneren mit einem so genannten Flammrohr 30 ausgerüstet, innerhalb dessen die Verbrennung des Brennstoffs stattfindet. Über ein ebenfalls innerhalb des Gehäuses 32 des jeweiligen Brenners 10 angeordnetes, auch als Mischgehäuse bezeichnetes Übergangsstück 34 ist das Flammrohr 30 ausgangsseitig verbunden mit einem Mischgehäuse 34 der Brennkammer 4.
  • Das Flammrohr 30, das Übergangsstück 34 und das Innengehäuse 36 sind dabei in der Art ineinander gesteckter Rohre miteinander verbunden, so dass eine zuverlässige Medienstromführung vom Flammrohr 30 in das Innengehäuse 36 der Brennkammer 4 gewährleistet ist. Die jeweils ineinander gesteckten Rohrenden sind dabei unter Einhaltung der vorgegebenen Maße und Toleranzen möglichst berührungsfrei voneinander positioniert, so dass ein Verschleiß aufgrund von in Kontakt miteinander geratenden Komponenten und aneinander reibenden Komponenten möglichst vermieden ist. Allerdings lässt sich betriebsbedingt beim Betrieb der Gasturbine 1 ein immer wiederkehrender Kontakt dieser Komponenten miteinander nicht vermeiden, so dass in jedem Fall mit einem Restverschleiß zu rechnen ist. Um diesem Verschleiß Rechnung zu tragen, ist im Rahmen von Wartungs- und Inspektionsarbeiten eine regelmäßige Überprüfung und gegebenenfalls ein Austausch dieser Komponenten erforderlich.
  • Um den betrieblichen Aufwand der Gasturbine 1 besonders gering zu halten und die erforderlichen Inspektions- und Wartungsarbeiten weitgehend zu vereinfachen, sind die Komponenten der Gasturbine 1 möglichst verschleißarm ausgelegt. Um dabei dem durch Kontakt der Maschinenkomponenten Flammrohr 30, Übergangsstück 34 und Innengehäuse 36 bedingten Verschleiß Rechnung zu tragen und gerade diesen Verschleiß bei auftretenden Kontakten der Komponenten miteinander besonders gering zu halten, sind die genannten Maschinenkomponenten als gepanzerte Komponenten ausgeführt. Dazu ist jede der Maschinenkomponenten Flammrohr 30, Übergangsstück 34 und Innengehäuse 36 aus einem aus Grundmaterial gefertigten Grundkörper 40 aufgebaut, der in einem jeweils in den FIG 3 bis 6 dargestellten Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung 42 aus einem Auftragsmaterial versehen ist. Das Auftragsmaterial ist dabei derart gewählt, dass es im Vergleich zum Grundmaterial eine größere Härte aufweist, so dass eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer und auch thermischer Belastung gegeben ist. Das Auftragsmaterial ist dabei jeweils durch Auftragsschweißen auf den Grundkörper 40 aufgebracht.
  • Um eine Beeinträchtigung der Fertigung, der Montage und auch des Betriebs der jeweiligen Maschinenkomponenten durch die Panzerung 42 zu vermeiden, wie sie beispielsweise durch das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten und damit verbundene Rissbildung beim eigentlichen Schweißvorgang oder auch beim Betrieb bei erhöhter thermischer Belastung auftreten könnte, ist die Panzerung 42 der jeweiligen Maschinenkomponente segmentiert ausgeführt. Dazu umfasst die Panzerung 42 eine Mehrzahl von Panzerungssegmenten 44, wobei die Dimensionierung im Hinblick auf die Dimensionierung der eigentlichen Maschinenkomponente und die verwendeten Materialien derart gewählt ist, dass durch die lateral begrenzte Ausdehnung die jeweiligen Panzerungssegmente 44 eine zu große Beeinträchtigung des Grundkörpers 40 durch unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten und dergleichen vermieden ist.
  • Wie der Darstellung in FIG 3 entnehmbar ist, sind die Panzerungssegmente 44 jeweils in zugeordnete Vertiefungen im Grundkörper 40 eingebracht. Die Vertiefungen können dabei durch geeignete Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise durch Fräsen, Drehen oder Schleifen eingebracht worden sein. Die Dimensionierung kann dabei grundsätzlich derart vorgenommen werden, dass auf eine plane Oberfläche des Grundkörpers 40 die Panzerungssegmente 44 aufgebracht werden und dementsprechend ihrer Dicke entsprechende Vertiefungen zwischen ihnen entstehen. Bei der Anbringung der Panzerungssegmente 44 kann die Anfertigung jedoch auch, wie dies in den FIG 3 bis 6 gezeigt ist, derart erfolgen, dass die äußere Oberfläche der Panzerungssegmente 44 mit der äußeren Oberfläche der zwischen den äußeren Panzerungssegmenten 44 verlaufenden Stege 46 des Grundkörpers 40 eine durchgängige und somit plane Oberfläche bilden. Als fertige Maschinenkomponente entsteht dabei ein Bauteil, das hinsichtlich seiner Formgebung, Dimensionierung und Maßhaltigkeit einem ursprünglich vorgesehenen Bauteil weitestgehend entspricht und insbesondere eine entsprechend glatte und planare Oberfläche aufweist.
  • In FIG 4 ist gezeigt, dass auch ein gebogener Kühlluftring 50 als zumindest teilweise gepanzerte Maschinenkomponente der genannten Art ausgeführt sein kann. Der Kühlluftring 50 ist dabei an seiner Oberfläche ebenfalls mit Panzerungssegmenten 44 versehen, die in entsprechende Vertiefungen des den Kühlluftring 50 bildenden Grundkörpers 40 eingearbeitet sind. Im Grundkörper 40 des Kühlluftrings 50 sind dabei zusätzlich noch Kühlluftkanäle 52 vorgesehen, die durch entsprechende Bohrungen gebildet sind. Durch die Ausformung der auch als Taschen bezeichneten Vertiefungen, in denen die Panzerungssegmente 44 dabei angeordnet sind, kann die gewünschte Geometrie des Kühlluftrings 50 beibehalten werden. Dennoch wird auch bei Verwendung der Panzerungssegmente 44 eine nahezu ebene Oberfläche und ein ebener Übergang zum Grundkörper 40 geschaffen. Dadurch ist eine verstärkte Verschleißreduktion und eine verbesserte Bindung zwischen den verwendeten Materialien gewährleistet.
  • In FIG 5 ist gezeigt, dass als derartig gepanzerte Maschinenkomponenten insbesondere das Übergangsstück 34 und das Flammrohr 30 der Gasturbine 1 in ihrem überlappenden Bereich ausgeführt sind. Panzerungen 42 dieser Maschinenkomponenten sind dabei jeweils auf den einander zugewandten Oberflächensegmenten vorgesehen. Bei einer derartigen benachbarten Anordnung zweier derartig gepanzerter Maschinenkomponenten ist zudem, wie dies vorliegend für das Übergangsstück 34 und das Flammrohr 30 vorgesehen ist, durch eine geeignete Materialwahl für die Panzerungen 42 eine gezielte Fokussierung des Verschleißes auf eine der beiden Maschinenkomponenten, insbesondere auf die leichter austauschbare Maschinenkomponente, ermöglicht. Dazu ist vorliegend gezielt vorgesehen, das Auftragsmaterial für die Panzerung 42 des Flammrohres 30 von geringerer Härte zu wählen als das Material für die Panzerung 42 des Übergangsstücks 34.

Claims (5)

  1. Gasturbine (1) mit einer Anzahl aus Maschinenkomponenten mit einem aus einem Grundmaterial gefertigten Grundkörper(40), der in einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung (42) aus einem Auftragsmaterial mit einer im Vergleich zum Grundmaterial größeren Härte versehen ist, wobei die Panzerung (42) segmentiert ausgeführt und von einer Anzahl von Panzerungssegmenten (44) gebildet ist, wobei der gepanzerte Teilbereich der Oberfläche einer ersten Maschinenkomponente benachbart zum gepanzerten Teilbereich der Oberfläche einer zweiten Maschinenkomponente angeordnet ist, wobei das Auftragsmaterial der ersten Maschinenkomponente eine andere Härte aufweist als das Auftragsmaterial der zweiten Maschinenkomponente.
  2. Gasturbine (1) nach Anspruch 1, bei der zumindest bei einer die Panzerungssegmente (44) durch Auftragsschweißen auf den Grundkörper (40) aufgebracht sind.
  3. Gasturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest bei einer die Panzerungssegmente (44) jeweils in zugeordnete Vertiefungen im Grundkörper (40) eingebracht sind.
  4. Gasturbine (1) nach Anspruch 3, bei der zumindest bei einer die äußere Oberfläche der Panzerungssegmente (44) und die äußere Oberfläche der zwischen den Panzerungssegmenten (44) verlaufenden Stege (46) des Grundkörpers (40) eine durchgängige Oberfläche bilden.
  5. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Flammrohr (30) einer Brennkammer (4), ein Mischgehäuse (34) einer Brennkammer (4) und/oder ein Innengehäuse einer Brennkammer (4) als Maschinenkomponenten ausgestaltet sind.
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