EP2128524A1

EP2128524A1 - Bauteilanordnung, Brennkammeranordnung und Gasturbine

Info

Publication number: EP2128524A1
Application number: EP08009563A
Authority: EP
Inventors: Christoph Cernay; Stefan Tschirren
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-02
Also published as: US20090288422A1; JP5543132B2; JP2009287559A

Abstract

Es wird eine Bauteilanordnung offenbart, welche zwei Bauteilelemente (8, 11) mit unter Belassung eines Spalts (1) ineinander geschobenen, zueinander statisch angeordneten Abschnitten und ein den Spalt (1) abdichtendes Dichtungselement (4) umfasst. Dabei weist eines der beiden Bauteilelemente (8, 11) eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes (1) verlaufende, zum anderen Bauteilelement (8, 11) hin offene Nut (7) mit einer Seitenfläche (23) auf. Das Dichtungselement (4) umfasst ein Halteelement (6) mit einer ersten Seitenfläche (31a) und einer zweiten Seitenfläche (31b) und ist zumindest teilweise in der Nut (7) angeordnet. Dabei kann die erste Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) durch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die erste Seitenfläche (31a) einwirkenden Druck und einem auf die zweite Seitenfläche (31b) einwirkenden Druck an der Seitenfläche (23) der Nut (7) zur Anlage gebracht werden. Die Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder die erste Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) umfassen/umfasst mindestens eine Druckentlastungsvertiefung (25).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung und eine Brennkammeranordnung mit einem Dichtungselement. Außerdem betrifft die Erfindung eine Gasturbine.
Eine Brennkammer, beispielsweise eine Brennkammer einer Gasturbine, umfasst häufig verschiedene Bauteile, die teilweise ineinander geschoben sind. Insbesondere sind vielfach der Ausgang eines Flammrohrs und ein an das Flammrohr anschließendes Übergangselement teilweise ineinander geschoben. Der dabei typischerweise entstehende Spalt zwischen den ineinander geschobenen Abschnitten muss abgedichtet werden. Dies erfolgt vielfach mit Hilfe von Klemmfederdichtungen, kann aber auch durch Bürstendichtungen erfolgen.
Im Falle der Verwendung einer Bürstendichtung, welche einen Haltering umfasst, oder eines anderen einen Haltering umfassenden Dichtungselements erzeugt die über dem Dichtungselement anliegende Druckdifferenz einen seitlichen Schub an dem Haltering, der den Ring an die Seitenfläche einer Führungsnut presst. Dieser Schub ist grundsätzlich erwünscht und sogar notwendig, weil damit der Leckagestrom um den Führungsring herum reduziert wird. Wenn zusätzlich dazu noch die Seitenfläche des Ringes und die Kontaktfläche der Führungsnut glatt und plan bearbeitet worden sind, ist diese Leckage gering.
In einer derartigen Dichtungsanordnung ist es wichtig, dass die Schubkraft richtig ausgelegt und kontrolliert werden muss, damit das Dichtungselement wie vorgesehen funktioniert. Der Schub erzeugt Reibung, wenn der Haltering im Betrieb, also wenn eine Druckdifferenz an ihm anliegt, radial verschoben wird. Diese Verschiebungen müssen aufgrund der Zweckbestimmung des Halteringes möglich sein. Im Falle der Verwendung einer Bürstendichtung muss die Reibungskraft von der Bürstendichtung und von den beiden gegeneinander abgedichteten Bauteilen aufgenommen werden.
Falls die Ringöhe und/oder die Druckdifferenz relativ hoch sind, kann das zu Reibungskräften führen, welche den Haltering praktisch in der Führungsnut blockieren. Die beteiligten Bauelemente können dabei überlastet werden, was zu Schäden führen kann, beispielsweise zu einer gequetschten Bürste, zu Deformationen der Bauteile oder zu Rissen in den Bauteilen. Um dies zu verhindern, kann insbesondere die Größe des Ringes so weit wie möglich reduziert werden. Weiterhin können zur Reduzierung der Druckdifferenz mehrere Dichtungsringe in Serie eingesetzt werden. Zudem kann die Reibung dadurch reduziert werden, dass man die beteiligten Flächen glättet und/oder beschichtet. Allerdings haben sich diese Maßnahmen bei größeren Ringdurchmessern und/oder höheren Druckdifferenzen als unzureichend herausgestellt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Bauteilanordnung zur Verfügung zu stellen, welche zwei Bauteilelemente mit unter Belassung eines Spalts ineinander geschobenen, zueinander statisch angeordneten Abschnitten und ein den Spalt abdichtendes Dichtungselement umfasst. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Brennkammeranordnung zur Verfügung zu stellen. Es ist zudem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Bauteilanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Brennkammeranordnung nach Anspruch 12 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach Anspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung umfasst zwei Bauteilelemente, die unter Belassung eines Spalts ineinander geschobene, zueinander statisch angeordneten Abschnitte umfassen.
Die Bauteilanordnung umfasst zudem ein den Spalt abdichtendes Dichtungselement. Eines der beiden Bauteilelemente weist eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes verlaufende, zum anderen Bauteilelement hin offene Nut mit einer Seitenfläche auf. Das Dichtungselement umfasst ein Halteelement mit einer ersten Seitenfläche und einer zweiten Seitenfläche. Das Dichtungselement ist zumindest teilweise in der Nut angeordnet. Die erste Seitenfläche des Halteelementes kann durch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die erste Seitenfläche einwirkenden Druck und einem auf die zweite Seitenfläche einwirkenden Druck an der Seitenfläche der Nut zur Anlage gebracht werden. Die Seitenfläche der Nut und/oder die erste Seitenfläche des Halteelementes umfassen/umfasst mindestens eine Druckentlastungsvertiefung.
Im Rahmen der Erfindung soll "statisch zueinander angeordnet" bedeuten, dass die Bauteilabschnitte nicht relativ zueinander rotieren. Trotz möglichen Bewegungen der erfindungsgemäßen Bauteilabschnitte in Folge von Vibrationen oder thermischen Ausdehnungen werden Bauteile, die sich auf diese Weise relativ zueinander bewegen, im Rahmen der Erfindung als statisch zueinander angeordnet angesehen.
Der Begriff Nut kann im Rahmen der Erfindung insbesondere im Sinne einer Führungsnut verstanden werden.
Durch die Druckentlastungsvertiefung wird die Kontaktfläche der aneinander anliegenden Bauteilelemente verringert. Damit wird die Fläche reduziert, auf welche die anliegende Druckdifferenz wirkt. Dies bewirkt infolge der verkleinerten Anpresskraft eine Verringerung der Reibungskraft und verhindert ein Blockieren des Halteelementes und eine Überlastung der beteiligten Elemente. Insbesondere kann durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Druckentlastungsvertiefung die Kraft zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen der Nut und des Halteelementes eingestellt werden. Dadurch lässt sich zudem die zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen wirkende Reibungskraft beeinflussen.
Die Nut kann insbesondere als Ringnut ausgestaltet sein. Weiterhin kann das Halteelement als Haltering ausgestaltet sein. Zudem kann das Dichtungselement beispielsweise als eine Bürstendichtung, die insbesondere einen Haltering mit einer Bürste umfassen kann, ausgestaltet sein. Alternativ kann das Dichtungselement eine Schnurdichtung, eine offene Ringdichtung (C-Ring) oder eine geschlossene Ringdichtung (O-Ring) umfassen. In diesen Fällen kann insbesondere der Haltering mit einer Schnurdichtung, einer offene Ringdichtung (C-Ring) oder einer geschlossene Ringdichtung (O-Ring) verbunden sein. In einer weiteren Alternative kann das Dichtungselement als reiner Kolbenring oder Haltering ausgestaltet sein.
Die Nut kann weiterhin um das Bauteilelement, zu welchem hin sie offen ist, umlaufen. In diesem Fall kann sich die Druckentlastungsvertiefung entlang der gesamten Seitenfläche der Nut und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche (31a) des Halteelementes erstrecken. Alternativ dazu können sich mehrere Druckentlastungsvertiefungen in Form von Segmenten entlang der gesamten Seitenfläche der Nut und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche des Halteelementes erstrecken. Die Druckentlastungsvertiefung kann also mit anderen Worten als umlaufende Rille bzw. als segmentierte Rille ausgestaltet sein. Die Segmentierung bewirkt eine im Vergleich zu einer unsegmentiert ausgestalteten Druckentlastungsvertiefung eine verbesserte Abstützung des Halteringes und damit eine erhöhte Stabilität der Bauteilanordnung.
Die Seitenfläche der Nut und/oder die erste Seitenfläche des Halteelements können/kann beschichtet sein. Durch die Wahl eines geeigneten Beschichtungsmaterials kann die Reibung zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen ebenfalls verringert werden.
Die Druckentlastungsvertiefung kann insbesondere eine Tiefe zwischen 1mm und 10mm, vorzugsweise 1,5mm, aufweisen.
Einer der ineinander geschobenen Abschnitte der Bauteilelemente kann beispielsweise den Ausgang eines Flammrohrs bilden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Ausgang des Flammrohrs in Bezug auf den ineinander geschobenen Abschnitt des anderen Bauteilelements radial innen angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Spalt nicht in Strömungsrichtung des aus dem Flammrohr austretenden Heißgases durchströmt werden, sondern nur entgegen der Strömung, was die Leckage zu vermindern hilft und im Vergleich zu einem Spalt, der in Strömungsrichtung durchströmt werden kann, den Einsatz kleinerer Dichtungen zulässt. Zudem wird im Rahmen der vorgeschlagenen Anordnung die Rückseite des inneren Bauteilelements nicht vom Heißgas benetzt, wodurch die Wärmebelastung verringert wird. Darüber hinaus wird die zum Spülen des Spaltes benötigte Luftmenge minimiert.
Weiterhin kann einer der ineinander geschobenen Abschnitte der Bauteilelemente einen Abschnitt eines Übergangselements (transition piece) bilden, welches zwischen einem Flammrohr (combustor basket) und einem Turbineneingang angeordnet ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Abschnitt des Übergangselements in Bezug auf den ineinander geschobenen Abschnitt des anderen Bauelements radial außen angeordnet ist. Auch hier ist dann nur eine Durchströmung des Spaltes entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung möglich.
Die ineinander geschobenen Anschnitte der Bauteilelemente können insbesondere zylinderförmig ausgestaltet sein.
Vorteilhafterweise kann dasjenige Bauteilelement die Nut aufweisen, welches den in Bezug auf die Mittelachse der ineinander geschobenen Abschnitte radial außen angeordneten Abschnitt umfasst. Selbstverständlich kann aber auch dasjenige Bauteilelement die Nut aufweisen, welches den in Bezug auf die Mittelachse der ineinander geschobenen Abschnitte radial innen angeordneten Abschnitt umfasst.
Die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung umfasst ein Flammrohr mit einem Flammrohrausgang und ein in Strömungsrichtung eines vom Flammrohr ausgehenden Heißgases dem Flammrohrausgang nachgeordnetes Übergangselement mit einem an den Flammrohrausgang angepassten Eingang umfasst. Der Flammrohrausgang und der Eingang des Übergangselements sind teilweise ineinander geschoben. Dabei bildet sich ein Spalt zwischen dem Flammrohrausgang und dem Eingang des Übergangselements aus. Der Flammrohrausgang oder das Übergangselement weist eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes verlaufende Ringnut mit einer Seitenfläche auf. Der Spalt ist durch ein Dichtungselement, welches ein Halteelement mit einer ersten Seitenfläche und einer zweiten Seitenfläche umfasst, abgedichtet. Das Dichtungselement ist zumindest teilweise in der Nut angeordnet. Die erste Seitenfläche des Halteelementes kann durch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die erste Seitenfläche einwirkenden Druck und einem auf die zweite Seitenfläche einwirkenden Druck an der Seitenfläche der Nut zur Anlage gebracht werden. Die Seitenfläche der Nut und/oder die erste Seitenfläche des Halteelementes umfassen/umfasst mindestens eine Druckentlastungsvertiefung.
Durch die Druckentlastungsvertiefung wird die Kontaktfläche der aneinander anliegenden Seitenflächen der Nut und des Halteelementes verringert. Damit wird die Fläche reduziert, auf welche die anliegende Druckdifferenz wirkt. Dies bewirkt eine Verringerung der Reibungskraft und verhindert ein Blockieren des Halteelementes und eine Überlastung der beteiligten Bauteile. Insbesondere kann durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Druckentlastungsvertiefung die Kraft zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen der Nut und des Halteelementes eingestellt werden. Dadurch lässt sich zudem die zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen wirkende Reibungskraft beeinflussen.
Die Seitenfläche der Nut und/oder die erste Seitenfläche des Halteelements können/kann beschichtet sein. Durch die Wahl eines geeigneten Beschichtungsmaterials kann die Reibung zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen ebenfalls verringert werden.
Die Druckentlastungsvertiefung kann zum Beispiel eine Tiefe zwischen 1mm und 10mm, vorzugsweise 1,5mm, aufweisen.
Die Nut kann zudem als Ringnut ausgestaltet sein. Das Dichtungselement kann beispielsweise eine Bürstendichtung, eine Schnurdichtung, eine offene Ringdichtung (C-Ring) oder eine geschlossene Ringdichtung (O-Ring) umfassen. Im Falle einer Büstendichtung kann diese insbesondere einen Haltering mit einer Bürste umfassen. Das Dichtungselement kann allerdings auch als reiner Kolbenring oder Haltering ausgestaltet sein.
Weiterhin kann die Nut um das Übergangselement oder den Flammrohrausgang, zu welchem hin sie offen ist, umlaufen. In diesem Fall kann sich die Druckentlastungsvertiefung entlang der gesamten Seitenfläche der Nut und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche des Halteelementes erstreckt. Alternativ dazu können sich Druckentlastungsvertiefungen in Form von Segmenten entlang der gesamten Seitenfläche der Nut und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche des Halteelementes erstrecken. Die Segmentierung bewirkt, dass das Halteelement bzw. der Haltering besser abgestützt als im Falle einer unsegmentierten umlaufenden Druckentlastungsvertiefung.
Grundsätzlich können sowohl im Rahmen der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung als auch im Rahmen der erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung mehrere, zum Beispiel zwei, Druckentlastungsvertiefungen an verschiedenen radialen Positionen in der Seitenfläche der Nut angeordnet sein.
Weiterhin können die Kanten der aneinander anliegenden Seiteflächen abgerundet oder ballig ausgestaltet sein. Dadurch kann die Kontaktfläche auf ein Minimum reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung und die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung lassen sich bei entsprechender Wahl der Werkstoffe grundsätzlich in jedem Temperaturbereich und bei unterschiedlichen Medien, beispielsweise Luft, Wasser oder Öl, verwenden. Auch die anliegenden Drücke sind im Prinzip nicht begrenzt. Falls die Anpresskraft zu gering sein sollte, kann insbesondere die Höhe des Ringes in radialer Richtung vergrößert werden.
Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung, wie sie in den vorherigen Absätzen beschrieben wurde. Die erfindungsgemäße Gasturbine hat dieselben Vorteile wie die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die Ausführungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.

Fig. 1: zeigt schematisch eine Gasturbine.
Fig. 2: zeigt schematisch einen Teil einer Brennkammeranordnung einer Gasturbine.
Fig. 3: zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung.
Fig. 4: zeigt schematisch einen Schnitt durch eine alternative erfindungsgemäße Bauteilanordnung.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren 1 bis 4 näher beschrieben.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, mehrere Brennkammeranordnungen 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
Jede Brennkammeranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennkammeranordnungen 15 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die Figur 2 zeigt schematisch einen Teil einer Brennkammeranordnung 15 einer Gasturbine. Bei der in der Figur 2 gezeigten Brennkammeranordnung 15 kann es sich beispielsweise um eine sogenannte Can-Brennkammer handeln. Die Can-Brennkammern sind entlang des Umfangs gleichverteilt und konzentrisch zum Rotor 107 angeordnet. Jede Brennkammeranordnung 15 umfasst ein Flammrohr 8 (combustor basket) und ein Übergangselement 11 (transition piece). In dem Flammrohr 8 wird ein durch einen nicht dargestellten Brenner erzeugtes Gemisch aus Brennstoff und Luft verbrannt. Das dabei entstehende Heißgas wird von dem Flammrohr 8 über das Übergangselement 11 zu einer Turbine 105 geleitet, wo es als Arbeitsmedium die in der Turbine 105 befindlichen Turbinenschaufeln 13 antreibt. Die Strömungsrichtung des Heißgases in der Brennkammeranordnung 15 ist durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet.
Die Mittelachse des Flammrohrs 8 und der ineinander geschobenen Abschnitte des Flammrohrs 8 und des Übergangselementes 11 ist durch die Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.
Das in der Figur 2 gezeigte Flammrohr 8 umfasst weiterhin einen Ausgang 9, an welchen das Übergangselement 11 in der Weise angeschlossen ist, dass ein Abschnitt des Ausganges 9 des Flammrohrs 8 in einen Abschnitt des daran anschließenden Übergangselementes 11 geschoben ist. Die ineinander geschobenen Abschnitte sind dabei zylinderförmig ausgestaltet. Zwischen den ineinander geschobenen Abschnitten des Flammrohrs 8 und des Übergangselementes 11 bildet sich ein Spalt 1 aus. Dieser Spalt 1 wird bisher beispielsweise durch eine Klemmfederdichtung 18 abgedichtet. Im Rahmen der Erfindung kann er aber vorzugsweise mit Hilfe einer Bürstendichtung oder mit Hilfe eines anderen Dichtungselements, welches zumindest teilweise in einer Führungsnut angeordnet ist, abgedichtet werden.
Das Übergangselement 11 weist eine in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnittsfläche auf, die sich zudem von einer Kreisfläche in eine Ringsegmentfläche wandelt. Das Ende des Übergangselementes 11 in Strömungsrichtung 14 bildet den Turbineneingang 12.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Bauteilanordnung, bei der es sich insbesondere um eine erfindungsgemäße Brennkammeranordnung handeln kann, anhand der Figuren 4 und 5 näher erläutert. Die Figuren 3 und 4 zeigen schematisch einen Schnitt durch zwei Varianten einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung, bei der es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Brennkammeranordnung 21 in einer Gasturbine handelt. Es sind zwei Bauteilelemente dargestellt, die ineinander geschoben sind. Dabei handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Abschnitt des Flammrohrs 8 und einen Abschnitt des Übergangselementes 11. Zwischen den ineinander geschobenen zylinderförmigen Abschnitten des Flammrohrs 8 und des Übergangselementes 11 befindet sich ein Spalt 1. Dieser Spalt 1 wird mit Hilfe einer Bürstendichtung 4 abgedichtet.
Die Bürstendichtung 4 umfasst einen Dichtungshalter 6 und eine Bürste 5. Die Bürste 5 ist dabei so in dem Dichtungshalter 6 angeordnet, dass sich die Borsten der Bürste 5 teilweise im Inneren des Dichtungshalters 6 befinden und teilweise aus dem Dichtungshalter 6 herausragen. Vorzugsweise ist der Dichtungshalter 6 als Kolbenring ausgestaltet. Dies gewährleistet einen ständigen direkten Kontakt der Bürste 5 mit der Oberfläche des Flammrohrs 8.
Der Abschnitt des Übergangselementes 11 in den Figuren 3 und 4 weist eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes 1 verlaufende Ringnut 7 mit einer Radialrichtung, bezogen auf die Mittelachse 20, auf. Der Dichtungshalter 6 ist in diese Ringnut 7 dergestalt eingesetzt, dass der Dichtungshalter 6 radial in Bezug auf eine Mittelachse 20 verschiebbar ist. Die Richtung der radialen Verschiebbarkeit ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet. Die Ringnut 7 und der Bürstenhalter 6 sind weiterhin so angeordnet, dass der Dichtungshalter 6 teilweise in den Spalt 1 hineinragt und auf diese Weise den Spalt 1 teilweise abdichtet. Der Teil des Spaltes 1, der nicht durch den Dichtungshalter 6 abgedichtet wird, wird durch die in Richtung des Flammrohrs 8 aus dem Dichtungshalter 6 herausragende Bürste 5 abgedichtet. Die Borsten der Bürste 5 stehen dabei in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Flammrohrs 8.
Die Richtung einer axialen Verschiebbarkeit der beiden ineinander geschobenen Abschnitte des Flammrohrs 8 und des Übergangselementes 11 gegeneinander an der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Flammrohrs 8 und der Bürste 5 durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Die radiale Verschiebbarkeit des Dichtungshalters 6 in der Ringnut 7 ermöglicht einen Ausgleich von möglichen Bewegungen oder Verschiebungen des Übergangselementes 11 und des Flammrohrs 8 in Radialrichtung gegeneinander, beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder mechanische Spannungen.
Während des Betriebes muss der Dichtungshalter 6 an einer Seitenfläche 23 der Ringnut 7 anliegen, da ansonsten eine Leckage entstehen kann. Die aneinander liegenden Flächen müssen entsprechend sauber und plan bearbeitet sein. Typischerweise wird der Dichtungshalter 6 an eine Seitenfläche 23 der Ringnut 7 infolge der Druckdifferenz über der Dichtung angepresst. Grundsätzlich sollte der Dichtungshalter 6 in der Ringnut 7 nur wenig Bewegungsspielraum in axialer Richtung haben.
Im Unterschied zu der in der Figur 4 gezeigten Bauteilanordnung umfasst das in der Figur 3 gezeigte Übergangselement zwei miteinander verbundene, beispielsweise miteinander verschraubte, Bauteile 11a und 11b. Selbstverständlich kann der gezeigte Teil des Übergangselementes 11 auch aus einem Bauteil gefertigt sein, wie es in der Figur 4 gezeigt ist.
Das Bauteil 11a in der Figur 3 umfasst eine erste Seitenfläche 24 und die Bodenfläche 30 der Nut 7. Das Bauteil 11b umfasst eine zweite Seitenfläche 23 der Nut 7. Der Dichtungshalter 6 umfasst in den Figuren 3 und 4 eine erste Seitenfläche 31a und eine zweite Seitenfläche 31b. Die erste Seitenfläche 31a des Dichtungshalters 6 der Bürstendichtung 4 kann durch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die erste Seitenfläche 31a einwirkenden Druck und einem auf die zweite Seitenfläche 31b einwirkenden Druck an der zweiten Seitenfläche 23 der Nut 7 zur Anlage gebracht werden. In den Figuren 3 und 4 liegt die erste Seitenfläche 31a des Dichtungshalters 6 der Bürstendichtung 4 an der zweiten Seitenfläche 23 der Nut 7 an.
Während des Betriebes der Gasturbine bzw. der Brennkammeranordnung herrscht in dem mit der Bezugsziffer 28 gekennzeichneten Bereich ein höherer Druck als in dem mit der Bezugsziffer 29 gekennzeichneten Bereich. Aufgrund dieser Druckdifferenz wird die erste Seitenfläche 31a des Dichtungshalters 6 an die zweite Seitenfläche 23 der Nut 7 angepresst. Ein Druckausgleich zwischen dem Dichtungshalter 6 und der ersten Seitenfläche 24 erfolgt entlang der mit der Bezugsziffer 27 gekennzeichneten Strömungsrichtung.
Die zweite Seitenfläche 23 der Nut 7 weist eine Druckentlastungsvertiefung 25 auf. Die Druckentlastungsvertiefung 25 kann beispielsweise eine Tiefe 26 zwischen 1mm und 10mm, vorzugsweise von 1,5mm, aufweisen. Die Druckentlastungsvertiefung 25 kann sich insbesondere entlang der gesamten Seitenfläche 23 der Nut 7 erstrecken. Alternativ dazu kann die Druckentlastungsvertiefung 25 in Umfangsrichtung segmentiert ausgestaltet sein. Die Segmente können sich in diesem Fall entlang der gesamten Seitenfläche 23 der Nut 7 erstrecken. Die Segmentierung bewirkt, dass der Dichtungshalter 6 besser abgestützt wird als im Falle einer unsegmentierten Ausgestaltung.
Weiterhin kann optional zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen 31a und 23 eine zusätzliche Dichtung 33 angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zwischen der Seitenfläche 23 der Nut 7 und der Seitenfläche 31a des Dichtungshalters 6 eine Leckage zu befürchten ist. Bei der Dichtung 33 kann es sich beispielsweise um einen O-Ring oder eine Bürstendichtung handeln.
Die Figur 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine alternative Variante einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung. Im Unterschied zu der in der Figur 3 gezeigten Variante weist die an der Seitenfläche 23 der Nut 7 anliegende erste Seitenfläche 31a des Dichtungshalters 6 eine Druckentlastungsvertiefung 25 auf, die über einen Druckausgleichskanal 32 strömungstechnisch mit Bereich 28, in dem der höhere Druck herrscht, verbunden ist. Die Seitenfläche 23 der Nut 7 umfasst in dieser Ausführungsvariante keine Druckentlastungsvertiefung. Das Übergangselement 11 ist in der Figur 4 so ausgestaltet, wie es im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben wurde. Es kann sowohl zwei- oder mehrteilig, wie in der Figur 3 gezeigt, aber auch einteilig, wie in der Figur 4 gezeigt, ausgestaltet sein.
Die in der Figur 4 gezeigte Druckentlastungsvertiefung 25 hat grundsätzlich dieselben Eigenschaften und Vorteile wie die in der Figur 3 gezeigte Druckentlastungsvertiefung 25. Sie kann sich insbesondere entlang der gesamten ersten Seitenfläche 31a des Halteelementes 6 erstrecken und segmentiert ausgestaltet sein, wie es im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben wurde.
Zudem kann auch im Rahmen der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsvariante optional zwischen den Seitenflächen 31a und 23 eine zusätzliche Dichtung 33, wie sie im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben wurde, vorhanden sein.
Die Druckentlastungsvertiefung 25 bewirkt in beiden in den Figuren 3 und 4 gezeigten Varianten eine Verringerung der druckbeaufschlagten Fläche zwischen der Seitenfläche 23 der Nut 7 und der ersten Seitenfläche 31a des Dichtungshalters 6 und damit eine Verringerung der Reibung zwischen diesen. Die Verringerung der druckbeaufschlagten Fläche verringert zudem den wirkenden Schub. Durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Druckentlastungsvertiefung 25 kann die Kraft zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen 23, 31a der Nut 7 und des Dichtungshalters 6 eingestellt werden. Dadurch lässt sich zudem die zwischen den aneinander anliegenden Seitenflächen wirkende Reibungskraft beeinflussen.
Alternativ zu den zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten kann die erfindungsgemäße Brennkammeranordnung auch so ausgestaltet sein, dass der Anteil des Flammrohrs 8, der mit dem Übergangselement 11 überlappend angeordnet ist, also der Ausgang 9 des Flammrohrs 8, die Nut 7 umfasst. Die zuvor gemachten Ausführungen gelten entsprechend auch für diese Variante.

Claims

Bauteilanordnung, welche zwei Bauteilelemente (8, 11) mit unter Belassung eines Spalts (1) ineinander geschobenen, zueinander statisch angeordneten Abschnitten und ein den Spalt (1) abdichtendes Dichtungselement (4) umfasst, wobei eines der beiden Bauteilelemente (8, 11) eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes (1) verlaufende, zum anderen Bauteilelement (8, 11) hin offene Nut (7) mit einer Seitenfläche (23) aufweist, das Dichtungselement (4) ein Halteelement (6) mit einer ersten Seitenfläche (31a) und einer zweiten Seitenfläche (31b) umfasst und das Dichtungselement (4) zumindest teilweise in der Nut (7) angeordnet ist und die erste Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) durch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die erste Seitenfläche (31a) einwirkenden Druck und einem auf die zweite Seitenfläche (31b) einwirkenden Druck an der Seitenfläche (23) der Nut (7) zur Anlage gebracht werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder die erste Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) mindestens eine Druckentlastungsvertiefung (25) umfassen/umfasst.
Bauteilanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (7) als Ringnut ausgestaltet ist.
Bauteilanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halteelement (6) als Haltering ausgestaltet ist.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dichtungselement (4) eine Bürstendichtung, eine Schnurdichtung, eine offene Ringdichtung oder eine geschlossene Ringdichtung umfasst.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (7) um das Bauteilelement (8, 11), zu welchem hin sie offen ist, umläuft und sich die Druckentlastungsvertiefung (25) entlang der gesamten Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) erstreckt.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (7) um das Bauteilelement (8, 11), zu welchem hin sie offen ist, umläuft und sich Druckentlastungsvertiefungen (25) in Form von Segmenten entlang der gesamten Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) erstrecken.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder die erste Seitenfläche (31a) des Halteelements (6) beschichtet sind/ist.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckentlastungsvertiefung (25) eine Tiefe zwischen 1mm und 10mm aufweist.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
einer der ineinander geschobenen Abschnitte der Bauteilelemente (8, 11) den Ausgang (9) eines Flammrohrs (8) bildet.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
einer der ineinander geschobenen Abschnitte der Bauteilelemente (8, 11) einen Abschnitt eines Übergangselements (11) bildet, welches zwischen einem Flammrohr (8) und einem Turbineneingang (12) angeordnet ist.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ineinander geschobenen Anschnitte der Bauteilelemente (8, 11) zylinderförmig ausgestaltet sind.
Brennkammeranordnung, die ein Flammrohr (8) mit einem Flammrohrausgang (9) und ein in Strömungsrichtung (14) eines vom Flammrohr (8) ausgehenden Heißgases dem Flammrohrausgang (9) nachgeordnetes Übergangselement (11) mit einem an den Flammrohrausgang (9) angepassten Eingang umfasst, wobei der Flammrohrausgang (9) und der Eingang des Übergangselements (11) teilweise ineinander geschoben sind, wobei sich ein Spalt (1) zwischen dem Flammrohrausgang (9) und dem Eingang des Übergangselements (11) ausbildet, der Flammrohrausgang (9) oder das Übergangselement (11) eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes (1) verlaufende, zum Übergangselement (11) oder zum Flammrohrausgang (9) hin offene Nut (7) mit einer Seitenfläche (23) aufweist, der Spalt (1) durch ein Dichtungselement (4), welches ein Halteelement (6) mit einer ersten Seitenfläche (31a) und einer zweiten Seitenfläche (31b) umfasst, abgedichtet ist und das Dichtungselement (4) zumindest teilweise in der Nut (7) angeordnet ist und die erste Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) durch eine Druckdifferenz zwischen einem auf die erste Seitenfläche (31a) einwirkenden Druck und einem auf die zweite Seitenfläche (31b) einwirkenden Druck an der Seitenfläche (23) der Nut (7) zur Anlage gebracht werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder die erste Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) mindestens eine Druckentlastungsvertiefung (25) umfassen/umfasst.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder die Seitenfläche (31) des Halteelements (6) beschichtet sind/ist.
Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckentlastungsvertiefung (25) eine Tiefe zwischen 1mm und 10mm aufweist.
Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (7) als Ringnut ausgestaltet ist.
Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dichtungselement (4) eine Bürstendichtung, eine Schnurdichtung, eine offene Ringdichtung oder eine geschlossene Ringdichtung umfasst.
Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (7) um das Übergangselement (11) oder den Flammrohrausgang (9), zu welchem hin sie offen ist, umläuft und sich die Druckentlastungsvertiefung (25) entlang der gesamten Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) erstreckt.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (7) um das Übergangselement (11) oder den Flammrohrausgang (9), zu welchem hin sie offen ist, umläuft und sich Druckentlastungsvertiefungen (25) in Form von Segmenten entlang der gesamten Seitenfläche (23) der Nut (7) und/oder entlang der gesamten ersten Seitenfläche (31a) des Halteelementes (6) erstrecken.
Gasturbine, die eine Brennkammeranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 18 umfasst.