EP2242955A1 - Gasturbine mit ringförmiger brennkammer - Google Patents

Gasturbine mit ringförmiger brennkammer

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EP2242955A1
EP2242955A1 EP09712985A EP09712985A EP2242955A1 EP 2242955 A1 EP2242955 A1 EP 2242955A1 EP 09712985 A EP09712985 A EP 09712985A EP 09712985 A EP09712985 A EP 09712985A EP 2242955 A1 EP2242955 A1 EP 2242955A1
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EP
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connecting elements
machine according
thermal machine
outer shell
halves
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EP09712985A
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Remigi Tschuor
Russell Bond Jones
Nilze Isabel Seda-Maurell
Marion Oneil Duggans
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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Publication of EP2242955B1 publication Critical patent/EP2242955B1/de
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    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal machines. It relates to a thermal machine according to the preamble of claim 1 and a method for mounting such a thermal machine.
  • IGT industrial gas turbines
  • annular combustion chamber Usually smaller IGTs are designed as so-called "Can Annular Combustors.”
  • the combustion chamber is bounded by the sidewalls and the entrance and exit planes of the hot gas
  • FIGs 1 and 2 Such a gas turbine is shown in Figures 1 and 2.
  • the in 1 and 2 has a turbine housing 1 1 in which a rotor 12 rotating about an axis 27 is accommodated, and on the right side a compressor 17 for compressing combustion and cooling air is formed on the rotor 12
  • a turbine 13 is arranged on the left-hand side and the compressor 17 compresses air which flows into a plenum 14.
  • annular combustion chamber 15 is arranged concentrically with the axis 27, which is closed on the inlet side by a front plate 19 cooled by front plate cooling air 20 and on the output side via a hot gas channel 25 with the input of the turbine 13 is in communication.
  • burners 16 are arranged in a ring, which are designed for example as a premix burner, as they emerge preferably from EP-A1 -321 809 or EP-AI-704 657, and inject a fuel-air mixture into the combustion chamber 15 .
  • the cited publications and the further developments derived therefrom form an integral part of this application.
  • the resulting during the combustion of the mixture hot air stream 26 passes through the hot gas channel 25 in the turbine 13 and is relaxed there under work.
  • the combustion chamber 15 with the hot gas duct 25 is surrounded at the outside by a distance from an outer and inner cooling jacket 21 and 31, which are fastened by means of fastening elements 24 to the combustion chamber 15, 25 and between each and the combustion chamber 15, 25 respectively an outer and form inner cooling channel 22 and 32 respectively.
  • the cooling channels 22, 32 flows in the opposite direction to the hot gas flow 26 cooling air on the walls of the combustion chamber 15, 25 along a combustion chamber hood 18 and from there into the burner 16 and front plate cooling air 20 directly into the combustion chamber 15th
  • the side walls of the combustion chamber 15, 25 are carried out either as shell elements or as solid shells (outer shell 23, inner shell 33).
  • solid shells the necessity of a parting plane (29 in FIG. 4 ff.) Arises due to the assembly, which makes it possible to remove an upper half of the shell 23, 33 (the upper part), for example the gas turbine rotor 12 to assemble or disassemble.
  • the parting plane 29 accordingly has two parting plane welding seams, which are located at the height of the machine axis 27 using the example of the gas turbine constructed by the applicant.
  • the side walls in the region of the parting planes 29 have a reduced strength and service life.
  • TBC Thermal Barrier Coating Thermal Barrier Coating
  • the thermally very heavily loaded outer and inner shells 23 and 33 act on the four parting planes (29 and others) with high compressive and tensile stresses.
  • the required service life of outer and inner shells 23 and 33 is typically two so-called service intervals (service intervals / service cycles). An operating interval describes the time between (re-) commissioning of the combustion chamber and reconditioning of the components. Both shells, the outer and inner shell 23, 33, often begin to break at the beginning and end of the parting plane welding seams during operation.
  • an additional mechanical positive connection is provided for receiving tensile and shear forces acting on the parting planes on the parting planes.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that as an additional mechanical positive connection in each case a extending over the parting plane connecting element is provided in the form of a bridge that the outer shell and inner shell at the entrance and / or exit of the combustion chamber have a flange that the connecting elements the outside of the flange are arranged, that the flange on the outside has a circumferential groove, and that the connecting elements are inserted into the groove.
  • the connecting elements can be releasably connected to the two halves of the outer shell or inner shell.
  • the connecting elements with the two halves of the outer shell or inner shell are then releasably connected by screws or bolts.
  • connecting elements can also be materially connected, in particular welded, to the two halves of the outer shell or inner shell.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that the groove and the connecting elements are designed such that the connecting elements are held by positive engagement in the groove.
  • the connecting elements have first means for improving the mechanical integrity, wherein throat-shaped incisions are preferably provided as means for improving the mechanical integrity, preferably at the ends.
  • Another embodiment is characterized in that the connecting elements have second means for improving the mountability, wherein as a means for improving the mountability is preferably provided on the top of a cam.
  • Another embodiment is characterized in that the connecting elements have third means for improving the cooling of the connecting elements.
  • the connecting elements fourth means for forming cooling channels between the connecting element and the flange, wherein as a means for forming cooling channels preferably on the bottom of a wavy base is provided.
  • An embodiment of the inventive method is characterized in that the connecting element is loosely inserted in the first step in the upper half and welded in the final position with the two halves.
  • Another embodiment is characterized in that the connecting element is inserted into the upper half in its final position in the first step and secured with screws or bolts, and that in the third step, the upper half positioned with simultaneous retraction of the connecting element on the lower half becomes.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a cooled annular combustion chamber of a
  • FIG. 2 shows in detail the annular combustion chamber from FIG. 1 with the cooling shirts fastened to the outside;
  • FIG. 4 shows a detail of the halves of the outer shell which abut on the dividing plane together with a bolted bridge arranged on the flange according to a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 5 viewed the detail of Figure 4 from another direction.
  • FIG. 6 shows a first partial step in the assembly of the bridge according to FIG. 4;
  • FIG. 7 shows different views of a bridge according to FIG. 4 in different subfigures (a), (b) and (c);
  • FIG. 8 shows a detail of the halves of the outer shell which abut one another at the dividing plane with a welded bridge arranged on the flange according to another preferred embodiment of the invention;
  • Fig. 9 viewed from the section of Figure 8 from another direction.
  • FIG. 10 in different sub-figures (a), (b) and (c) different views of a bridge according to FIG. 8, and
  • FIG. 1 1 in two sub-figures (a) and (b) different views of a provided with additional coolant bridge similar to FIG. 10th
  • An essential feature of the inventive idea is an additional, mechanical form fit of the parting plane welding seams between the half shells of the outer shell and / or inner shell of an annular combustion chamber (note: all the following explanations and illustrations relate to the outer shell, but also apply correspondingly to an inner shell ).
  • a bridge is used as an additional connecting element on both sides of the parting plane, preferably in a respective already existing flange.
  • this bridge may or may not be designed to continue to permit or permit cooling of the flange portion.
  • the structural design is generally subject to the following principles:
  • the bridges should come as close as possible to the "cold" shell outer wall, so that no further, unnecessarily high leverage forces are generated •
  • the bridges can be welded, clamped or bolted with positive locking. Cooling air can be used to cool the underside of the bridges in the immediate vicinity of the thermally stressed shell structure to cause increased transfer of stresses away from the parting line weld through the bridge.
  • the bridge is used on one side, in the upper part of the outer shell, in a flanged groove.
  • the two shells are stacked in the gas turbine (GT) and the bridge is pushed into position or beaten (a cam or a nose on the outer diameter of the bridge can serve as a starting point for a mandrel or hammer.)
  • GT gas turbine
  • the bridge is pushed into position or beaten (a cam or a nose on the outer diameter of the bridge can serve as a starting point for a mandrel or hammer.)
  • the bridge is welded at its top to the flange.
  • the geometric design of the flange and the bridge itself allows preferably the cooling air to flow through the flange under the bridge over - and thus to ensure the conditions for a convective cooling.
  • the bridge is then inserted on one side, in the upper part (in the upper half) of the outer shell, into the flanged groove and positioned with bolts at its destination.
  • the two half shells are placed one above the other in the gas turbine and the bridge is retracted into the lower half shell.
  • the bridge can also be secured in the lower half shell (by bolts and / or screws). For better accessibility when welding the parting line, the bridge can also be removed and reused at any time.
  • FIGS. 4 to 11 The two above-mentioned alternatives (welded or bolted bridge) are to be explained below using the exemplary embodiments of FIGS. 4 to 11.
  • the shells 23, 33 of the annular combustion chamber 15, 25 are preferably provided with flanges on the burner-side and the turbine-side end, which flanges are used for connecting be used between the combustion chamber and adjacent components.
  • Fig. 3 shows an example in longitudinal section of the turbine end of the outer shell 23 of the combustion chamber 15, 25 of FIG. 1 with the attached flange 28.
  • the flange 28 has on the outside of a groove 34, which the mechanical Relieving the parting plane welding seams provided bridges.
  • FIGS. 4 and 5 seen from different angles, the halves 23a, 23b of the outer shell 23 which collide with the dividing plane 29 are reproduced in a section with a bolted bridge 30 arranged on the flange 34 according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the bridge 30 itself is shown in various views in Figs. 7a to 7c.
  • the bridge 30 is in the form of an elongate planar strip of rectangular cross section having the slightly curved shape of a circular arc segment.
  • the length of the bridge 30 is selected so that on both sides of the parting plane 29 with sufficient distance two mounting holes 36 can be attached, which serve the screw / Verbolzung the bridge 30 with the two welded half-shells 23 a, 23 b.
  • a connecting element 40 for a discharge arrangement with a welded bridge, a connecting element 40 according to FIG. 8-10 or 11 is preferably used.
  • the bridge 40 is adapted in its cross-sectional contour (FIG. 10 b) to the cross-sectional contour of the flange groove 34 such that the bridge 40 can be inserted into the groove 34 in a form-fitting manner and engages with a foot strip 37 in an undercut in the groove 34.
  • a transversely projecting cam 39 is provided in the middle, at which when driving the bridge 40 into the groove 34 with a striking tool can be recognized.
  • a wave-shaped base 38 is formed (Fig.
  • Throat-shaped cuts 41, 42 are advantageously arranged at the ends of the bridge 40, which are partially incorporated on one side (FIG. 10c) or as a cross (FIG. 11).
  • the radii of curvature of the incisions may vary.
  • novel, positive-locking connecting elements which act as "structural bridges for the combustion chamber shell parting plane" ensure significantly improved force transmission at the ends of the parting plane.
  • the bridges (40) can have throat-shaped incisions (41, 42) at their ends for improved mechanical integrity-improved transfer of force flux, breaking of the force peaks;
  • the cuts in the bridge can be partially integrated on one side or as a cross;
  • the radii of the cuts shown in FIG. 10) can vary;
  • the wall thicknesses of the two shown bridges (30, 40) can vary;
  • the bridges can be supplemented with turbulence ribs on the cooling air side to increase the cooling efficiency
  • the bridges may have a cam (39) at the top for ease of mounting, in order to achieve a simplified hammerability

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Abstract

Es wird eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine vorgestellt, welche eine durch eine Aussenschale und eine Innenschale nach aussen begrenzte, ringförmige Brennkammer umfasst, wobei die Aussenschale und Innenschale jeweils in einer Trennebene (29) in eine obere Hälfte (23a) und eine untere Hälfte (23b) aufgeteilt sind, die in der Trennebene (29) miteinander verschweisst sind. Eine erhöhte mechanische Stabilität und Lebensdauer der Brennkammer wird dadurch erreicht, dass zum Aufnehmen von auf die Trennebenen (29) wirkenden Zug- und Scherkräften an den Trennebenen (29) ein zusätzlicher mechanischer Formschluss (30) vorgesehen ist.

Description

GASTURBINE MIT RINGFÖRMIGER BRENNKAMMER
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine thermische Maschine gemäss dem Oberbegriff des An- Spruchs 1 sowie ein Verfahren zum Montieren einer solchen thermischen Maschine.
Stand der Technik
Moderne Industrie-Gasturbinen (IGT) werden in der Regel mit Ringbrennkammern ausgelegt. Meist kleinere IGTs werden als so genannte „Can Annular Combustors" ausgeführt. Bei einer IGT mit Ringbrennkammer ist der Brennraum begrenzt durch die Seitenwände sowie die Eintritts- und Austrittsebene des Heissgases. Eine solche Gasturbine ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die in den Fig. 1 und 2 im Ausschnitt gezeigte Gasturbine 10 hat ein Turbinengehäuse 1 1 , in dem ein um eine Achse 27 drehender Rotor 12 untergebracht ist. Auf der rechten Seite ist an Rotor 12 ein Verdichter 17 zur Verdichtung von Verbrennungsund Kühlluft ausgebildet, auf der linken Seite ist eine Turbine 13 angeordnet. Der Verdichter 17 verdichtet Luft, die in ein Plenum 14 einströmt. Im Plenum ist konzentrisch zur Achse 27 eine ringförmige Brennkammer 15 angeordnet, die ein- gangsseitig durch eine mit Frontplattenkühlluft 20 gekühlte Frontplatte 19 abgeschlossen ist und ausgangsseitig über einen Heissgaskanal 25 mit dem Eingang der Turbine 13 in Verbindung steht. In der Frontplatte 19 sind in einem Ring Brenner 16 angeordnet, die beispielsweise als Vormischbrenner, wie sie vorzugsweise aus EP-A1 -321 809 oder EP- AI -704 657 hervorgehen, ausgelegt sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer 15 eindüsen. Die genannten Druckschriften und die daraus abge- leiteten Weiterentwicklungen bilden einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung. Der bei der Verbrennung des Gemisches entstehende Heissluftstrom 26 gelangt durch den Heissgaskanal 25 in die Turbine 13 und wird dort unter Arbeitsleistung entspannt. Die Brennkammer 15 mit dem Heissgaskanal 25 ist aussen mit Abstand von einem äusseren und inneren Kühlhemd 21 bzw. 31 umge- ben, die mittels Befestigungselementen 24 an der Brennkammer 15, 25 befestigt sind und zwischen sich und der Brennkammer 15, 25 jeweils einen äusseren und inneren Kühlkanal 22 bzw. 32 ausbilden. In den Kühlkanälen 22, 32 strömt in Gegenrichtung zum Heissgasstrom 26 Kühlluft an den Wänden der Brennkammer 15, 25 entlang einer Brennkammerhaube 18 ein und von dort in die Brenner 16 bzw. Frontplattenkühlluft 20 direkt in die Brennkammer 15.
Die Seitenwände der Brennkammer 15, 25 werden dabei entweder als Schalenelemente ausgeführt oder als Vollschalen (Aussenschale 23, Innenschale 33). Bei der Verwendung von Vollschalen ergibt sich montagebedingt die Notwendig- keit einer Trennebene (29 in Fig. 4 ff.), die es erlaubt, eine obere Hälfte der Schale 23, 33 (das Oberteil) abzunehmen, um zum Beispiel den Gasturbinen- Rotor 12 zu montieren bzw. zu demontieren. Die Trennebene 29 weist entsprechend zwei Trennebenenschweissnähte auf, die sich am Beispiel der von der Anmelderin gebauten Gasturbine auf der Höhe der Maschinenachse 27 befin- den.
Für das Schweissen der Trennebenen 29 an der Aussenschale 23 ist der Zugang sowohl von der Heissgasseite als auch von der Kühlluftseite her möglich. Für die Schweissung der Trennebenen an der Innenschale 33 ist der Zugang nur von der Heissgasseite her gewährleistet (Zugang über ein Mannloch im Turbinengehäuse 1 1 ). Die Auftrennung einer Schale in eine obere und untere Hälfte (Ober- und Unterteil) sowie das Verschweissen nach Montage des Rotors 12 ist aus dem Stand der Technik bekannt und gängige Praxis.
Aufgrund der gegenüber dem Grundmaterial reduzierten Materialeigenschaften der Schweissnaht sowie der fehlenden thermischen Schutzschicht (TBC Thermal Barrier Coating) auf und in unmittelbarere Nähe der Schweissnähte weisen die Seitenwände im Bereich der Trennebenen 29 eine verringerte Festigkeit und Lebensdauer auf. Die thermisch sehr stark belasteten Aussen- und Innenschalen 23 bzw. 33 wirken auf die vier Trennebenen (29 und weitere) mit hohen Druck- und Zugspannungen. Die geforderte Betriebsdauer von Aussen- und Innenschalen 23 bzw. 33 beträgt typischerweise zwei so genannte Service-Intervalle (service inter- valls/service cycles). Ein Betriebsintervall beschreibt die Zeit zwischen der (Wie- der-)lnbetriebnahme der Brennkammer und dem Rekonditionieren der Komponenten. Beide Schalen, die Aussen- und Innenschale 23, 33, beginnen im Betrieb oft am Anfang und Ende der Trennebenenschweissnähte einzureissen.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine thermische Maschine, insbesondere Gasturbine, zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile bekannter Maschinen vermeidet und insbesondere ein Einreissen der Brennkammerschalen an den die Schalenhälften verbindenden Schweissnähten verhindert, sowie ein Verfahren zu deren Montage anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 16 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass zum Aufnehmen von auf die Trennebenen wirkenden Zug- und Scherkräften an den Trennebenen ein zusätzlicher mechanischer Formschluss vorgesehen ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher mechanischer Formschluss jeweils ein sich über die Trennebene erstreckendes Verbindungselement in Form einer Brücke vorgesehen ist, dass die Aussenschale und Innenschale am Eingang und/oder Ausgang der Brennkammer einen Flansch aufweisen, dass die Verbindungselemente auf der Aussenseite des Flansches angeordnet sind, dass der Flansch auf der Aussenseite eine umlaufende Nut aufweist, und dass die Verbindungselemente in die Nut eingesetzt sind.
Durch den nachträglichen Einbau von (gekühlten!) verschraubten und/oder ge- schweissten, formschlüssigen Brücken in die Nuten der (beiden) Flansche an der Stelle der Trennebenenschweissnähte kann das im Stand der Technik vorhandene Festigkeits-Defizit kompensiert werden. Die Strukturbrücken nehmen dabei die am Anfang und Ende auftretenden Zug- und Scherkräfte auf.
Die Verbindungselemente können dabei mit den beiden Hälften der Aussenschale bzw. Innenschale lösbar verbunden sein. Insbesondere sind dann die Verbindungselemente mit den beiden Hälften der Aussenschale bzw. Innenschale durch Schrauben oder Bolzen lösbar verbunden.
Die Verbindungselemente können aber auch mit den beiden Hälften der Aussenschale bzw. Innenschale stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweisst, sein.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Nut und die Verbindungselemente derart ausgebildet sind, dass die Verbindungselemente durch Formschluss in der Nut gehalten werden.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung weisen die Verbindungselemente erste Mittel zur Verbesserung der mechanischen Integrität auf, wobei als Mittel zur Verbes- serung der mechanischen Integrität vorzugsweise an den Enden kehlförmige Einschnitte vorgesehen sind. Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente zweite Mittel zur Verbesserung der Montierbarkeit aufweisen, wobei als Mittel zur Verbesserung der Montierbarkeit vorzugsweise auf der Oberseite ein Nocken vorgesehen ist.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindungselemente dritte Mittel zur Verbesserung der Kühlung der Verbindungselemente aufweisen.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungselemente vierte Mittel zur Ausbildung von Kühlkanälen zwischen Verbindungselement und Flansch auf, wobei als Mittel zur Ausbildung von Kühlkanälen vorzugsweise auf der Unterseite eine wellenförmige Grundfläche vorgesehen ist.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement im ersten Schritt lose in die obere Hälfte eingesetzt und in der endgültigen Position mit den beiden Hälften verschweisst wird.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement im ersten Schritt in die obere Hälfte an seiner endgültigen Position eingesetzt und mit Schrauben oder Bolzen gesichert wird, und dass im dritten Schritt die obere Hälfte unter gleichzeitigem Einfahren des Verbindungselements auf der un- teren Hälfte positioniert wird.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Ver- ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine gekühlte Ringbrennkammer einer
Gasturbine nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 im einzelnen die Ringbrennkammer aus Fig. 1 mit den aussen be- festigten Kühlhemden;
Fig. 3 im Längsschnitt das turbinenseitige Ende der Aussenschale der
Brennkammer aus Fig. 1 mit dem angesetzten Flansch;
Fig. 4 im Ausschnitt die an der Trennebene zusammen stossenden Hälften der Aussenschale mit einer am Flansch angeordneten verschraubten Brücke gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 den Ausschnitt aus Fig. 4 von einer anderen Richtung betrachtet;
Fig. 6 einen ersten Teilschritt bei der Montage der Brücke gemäss Fig. 4;
Fig. 7 in verschiedenen Teilfiguren (a), (b) und (c) verschiedene Ansich- ten einer Brücke gemäss Fig. 4;
Fig. 8 im Ausschnitt die an der Trennebene zusammen stossenden Hälften der Aussenschale mit einer am Flansch angeordneten ver- schweissten Brücke gemäss einem anderen bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung; Fig. 9 den Ausschnitt aus Fig. 8 aus einer anderen Richtung betrachtet;
Fig. 10 in verschiedenen Teilfiguren (a), (b) und (c) verschiedene Ansichten einer Brücke gemäss Fig. 8, und
Fig. 1 1 in zwei Teilfiguren (a) und (b) unterschiedliche Ansichten einer mit zusätzlichen Kühlmitteln versehenen Brücke ähnlich Fig. 10.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein wesentliches Merkmal der Erfindungsidee ist ein zusätzlicher, mechanischer Formschluss der Trennebenenschweissnähte zwischen den Halbschalen der Aus- senschale und/oder Innenschale einer ringförmigen Brennkammer (Bemerkung: Alle nachfolgenden Erläuterungen und Darstellungen beziehen sich auf die Aus- senschale, gelten aber entsprechend auch für eine Innenschale). Dabei wird beidseitig der Trennebene, vorzugsweise in einem jeweils bereits vorhanden Flansch, eine Brücke als zusätzliches Verbindungselement eingesetzt. Diese Brücke kann, muss jedoch nicht, so ausgeführt werden, dass sie weiterhin eine Kühlung der Flanschpartie erlaubt bzw. ermöglicht.
Die konstruktive Ausführung unterliegt generell den folgenden Prinzipien:
• Die Brücken sind nahezu formschlüssig ausgelegt. Das hat zur Folge, dass diese genau in die jeweilige Flanschgeometrie passen und im Betrieb, auf- grund der thermischen Verformung der Schalen und des Flansches, formschlüssig verklemmen.
• Die Brücken sollen möglichst nahe der „kalten" Schalenaussenwand zu liegen kommen, damit keine weiteren, unnötig hohen Hebelwirkungskräfte entstehen. • Die Brücken können geschweisst, formschlüssig eingeklemmt oder verschraubt werden. • Kühlluft kann eingesetzt werden, um die Unterseite der Brücken in unmittelbarer Nachbarschaft der thermisch belasteten Schalenstruktur zu kühlen, um durch die Brücke eine verstärkte Übertragung von Spannungen von der Trennebenenschweissnaht weg zu bewirken.
In einer praktischen Ausführung der Erfindungsidee wird die Brücke einseitig, im Oberteil der Aussenschale, in eine Flanschnut eingesetzt. Die beiden Schalen werden in der Gasturbine (GT) übereinander gestellt und die Brücke in ihre Position geschoben bzw. geschlagen (ein Nocken oder eine Nase am Aussendurch- messer der Brücke kann dabei als Ansetzpunkt für einen Dorn oder Hammer dienen.) Sobald die Brücke über der Trennebene in Position liegt, wird sie an ihrer Oberseite mit dem Flansch verschweisst. Die geometrische Ausführung des Flansches sowie der Brücke selber erlaubt es dabei vorzugsweise der Kühlluft, durch den Flansch unter der Brücke vorbei zu strömen - und so die Voraussetzungen für eine Konvektivkühlung zu gewährleisten.
Anstelle der stoffschlüssigen Schweissverbindung zwischen Brücke und Flansch ist aber auch eine lösbare Verbindung denkbar: Die Brücke wird dann einseitig, im Oberteil (in der oberen Hälfte) der Aussenschale, in die Flanschnut eingesetzt und mit Bolzen an ihrem Bestimmungsort positioniert. Die beiden Halbschalen werden in der Gasturbine übereinander gestellt und die Brücke in die untere Halbschale eingefahren. Sobald die beiden Halbschalen exakt übereinander liegen, kann die Brücke auch in der unteren Halbschale gesichert werden (durch Bolzen und/oder Schrauben). Für eine bessere Zugänglichkeit beim Schweissen der Trennebene kann die Brücke auch jederzeit wieder entfernt und neu eingesetzt werden.
Die beiden o.g. Alternativen (geschweisste bzw. geschraubte Brücke) sollen nachfolgend an den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 bis 1 1 erläutert werden. Bevorzugt werden die Schalen 23, 33 der Ringbrennkammer 15, 25 am brenner- seitigen und am turbinenseitigen Ende mit Flanschen versehen, die zur Verbin- dung zwischen Brennkammer und benachbarten Bauteilen eingesetzt werden. In Fig. 3 zeigt als Beispiel im Längsschnitt das turbinenseitige Ende der Aussen- schale 23 der Brennkammer 15, 25 aus Fig. 1 mit dem angesetzten Flansch 28. Der Flansch 28 weist auf der Aussenseite eine Nut 34 auf, welche die zur mecha- nischen Entlastung der Trennebenenschweissnähte vorgesehenen Brücken aufnimmt.
In Fig. 4 und 5 sind - aus verschiedenen Blickwinkeln gesehen - in einem Ausschnitt die an der Trennebene 29 zusammenstossenden Hälften 23a, 23b der Aussenschale 23 mit einer am Flansch 34 angeordneten verschraubten Brücke 30 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Brücke 30 selbst ist in verschiedenen Ansichten in Fig. 7a bis 7c dargestellt. Die Brücke 30 hat die Form einen länglichen ebenen Streifens mit rechteckigem Querschnitt, der die leicht gebogene Form eines Kreisbogensegments aufweist. Die Länge der Brücke 30 ist so gewählt, dass auf beiden Seiten der Trennebene 29 mit ausreichendem Abstand jeweils zwei Befestigungslöcher 36 angebracht werden können, die der Verschraubung/Verbolzung der Brücke 30 mit den beiden verschweissten Halbschalen 23a, 23b dienen. Wird die Brücke 30 verschraubt, werden gemäss Fig. 4 bzw. 5 entsprechende Schrauben 35 einge- setzt. Beim Zusammenbau wird die Brücke - wie oben bereits erwähnt - zunächst gemäss Fig. 6 mit der oberen Hälfte 23a der Aussenschale verschraubt, bevor die Halbschalen 23a, 23b dann zusammengeführt werden. Entsprechendes gilt auch für die Innenschale 33.
Für eine Entlastungsanordnung mit geschweisster Brücke wird vorzugsweise ein Verbindungselement 40 gemäss Fig. 8-10 oder 1 1 eingesetzt. Die Brücke 40 ist in ihrer Querschnittskontur (Fig. 10b) der Querschnittskontur der Flanschnut 34 so angepasst, dass die Brücke 40 formschlüssig in die Nut 34 eingeschoben werden kann und dabei mit einer Fussleiste 37 in einer Hinterschneidung in der Nut 34 eingreift. Auf der Oberseite der Brücke 40 ist in der Mitte ein quer stehender Nocken 39 vorgesehen, an dem beim Einschlagen der Brücke 40 in die Nut 34 mit einem Schlagwerkzeug angesetzt werden kann. Auf der Unterseite der Brücke 40 ist eine wellenförmige Grundfläche 38 ausgebildet (Fig. 1 Ob), durch die zwischen Brücke 40 und Nutboden ein in Umfangsrichtung des Flansches 28 verlaufender Kühlkanal entsteht. An den Enden der Brücke 40 sind mit Vorteil kehlförmige Ein- schnitte 41 , 42 angeordnet, die partiell einseitig (Fig. 10c) oder auch als Kreuz (Fig. 1 1 ) eingearbeitet sind. Die Krümmungsradien der Einschnitte können dabei variieren.
Insgesamt stellen die neuartigen, formschlüssigen Verbindungselemente, die als „Strukturbrücken für die Brennkammerschalen-Trennebene" wirken, signifikant verbesserte Kraftübertragungen an den Enden der Trennebene sicher.
Im Rahmen der Erfindung sind dabei verschiedene Abweichungen und Varianten einer Grund-Ausführung möglich: • Die Brücken (40) können für eine verbesserte mechanische Integrität - verbesserte Kraftflussübertragung, Brechen der Kraftspitzen - an ihren Enden kehlförmige Einschnitte (41 , 42) aufweisen;
• die Einschnitte in der Brücke können partiell einseitig oder auch als Kreuz eingearbeitet werden; • die Radien der gezeigten Einschnitte Fig. 10) können variieren;
• die Wandstärken der beiden gezeigten Brücken (30, 40) können variieren;
• die Brücken können auf der Kühlluftseite zur Steigerung der Kühleffektivität mit Turbulenzrippen ergänzt werden;
• die Brücken könnten auf der Kühlluftseite zur Steigerung der Kühleffektivität mit Prallkühlluft gekühlt werden;
• die Brücken können aus Gründen der besseren Montierbarkeit an der Oberseite einen Nocken (39) aufweisen, um eine vereinfachte Verschiebbarkeit durch Hammerschlag zu erreichen; und
• in der Werkstatt kann für das Verschweissen der Brücken mit dem Flansch jegliche Art von adäquaten Schweissverfahren angewendet werden. Bezugszeichenliste
10 Gasturbine
1 1 Turbinengehäuse
12 Rotor
13 Turbine
14 Plenum
15 Brennkammer
16 Brenner (Doppelkegel- oder EV-Brenner)
17 Verdichter
18 Brennkammerhaube
19 Frontplatte
20 Frontplattenkühlluft
21 äusseres Kühlhemd
22 äusserer Kühlkanal
23 Aussenschale
23a obere Hälfte der Aussenschale
23b untere Hälfte der Aussenschale
24 Befestigungselement
25 Heissgaskanal
26 Heissgasstrom
27 Achse
28 Flansch
29 Trennebene
30,40 Verbindungselement (Brücke)
31 inneres Kühlhemd
32 innerer Kühlkanal
33 Innenschale
34 Nut
35 Schraube 36 Befestigungsloch
37 Fussleiste
38 Grundfläche (wellenförmig)
39 Nocken
41 ,42 Einschnitt (kehlförmig)

Claims

Patentansprüche
1. Thermische Maschine, insbesondere Gasturbine (10), welche eine durch eine Aussenschale (23) und eine Innenschale (33) nach aussen begrenzte, ringförmige Brennkammer (15, 25) umfasst, wobei die Aussenschale (23) und Innenschale (33) jeweils in einer Trennebene (29) in eine obere Hälfte (23a) und eine untere Hälfte (23b) aufgeteilt sind, die in der Trennebene (29) miteinander verschweisst sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen von auf die Trennebenen (29) wirkenden Zug- und Scherkräften an den Trennebenen (29) ein zusätzlicher mechanischer Formschluss (30, 40) vorgesehen ist.
2. Thermische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher mechanischer Formschluss jeweils ein sich über die Trennebene (29) erstreckendes Verbindungselement (30, 40) in Form einer Brücke vorgesehen ist.
3. Thermische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschale (23) und Innenschale (33) am Eingang und/oder Ausgang der Brennkammer (15, 25) einen Flansch (28) aufweisen, und dass die Verbindungselemente (30, 40) auf der Aussenseite eines dieser Aussenschale oder gar Innenschale Flansche (28) angeordnet sind.
4. Thermische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (28) auf der Aussenseite eine umlaufende Nut (34) aufweist, und dass die Verbindungselemente (30, 40) in die Nut (34) eingesetzt sind.
5. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verbindungselemente (30) mit den beiden Hälften (23a,
23b) der Aussenschale (23) bzw. Innenschale (33) lösbar verbunden sind.
6. Thermische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (30) mit den beiden Hälften (23a, 23b) der Aussen- schale (23) bzw. Innenschale (33) durch Schrauben (35) oder Bolzen lösbar verbunden sind.
7. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (40) mit den beiden Hälften (23a, 23b) der Aussenschale (23) bzw. Innenschale (33) stoffschlüssig verbun- den, insbesondere verschweisst, sind.
8. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (34) und die Verbindungselemente (40) derart ausgebildet sind, dass die Verbindungselemente (40) durch Formschluss (37) in der Nut (34) gehalten werden.
9. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (30) erste Mittel (41 , 42) zur Verbesserung der mechanischen Integrität aufweisen.
10. Thermische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (40) als Mittel (41 , 42) zur Verbesserung der mechanischen Integrität an den Enden kehlförmige Einschnitte (41 , 42) aufweisen.
1 1. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (40) zweite Mittel (39) zur Verbesserung der Montierbarkeit aufweisen.
12. Thermische Maschine nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (40) als Mittel zur Verbesserung der Montierbarkeit auf der Oberseite einen Nocken (39) aufweisen.
13. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (30, 40) dritte Mittel zur Verbesserung der Kühlung der Verbindungselemente (30, 40) aufweisen.
14. Thermische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (40) vierte Mittel (38) zur Ausbildung von Kühlkanälen zwischen Verbindungselement (40) und Flansch (28) aufweisen.
15. Thermische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (40) als Mittel zur Ausbildung von Kühlkanälen auf der Unterseite eine wellenförmige Grundfläche (38) aufweisen.
16. Verfahren zum Montieren einer thermischen Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt das Verbindungselement (30, 40) in die obere Hälfte (23a) der jeweiligen, in obere Hälfte (23A) und untere Hälfte (23b) aufgetrennten Schale (23, 33) eingesetzt wird, dass in einem zweiten Schritt die beiden Hälften (23a, 23b) übereinander gestellt werden, dass in einem dritten Schritt das Verbindungselement (30, 40) in die untere Hälfte (23b) der jeweiligen Schale (23, 33) eingefahren wird, und dass das Verbindungselement (30, 40) in der endgültigen Position fest mit den beiden Hälften (23a, 23b) verbunden wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (40) im ersten Schritt lose in die obere Hälfte (23a) eingesetzt und in der endgültigen Position mit den beiden Hälften (23a, 23b) ver- schweisst wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (30) im ersten Schritt in die obere Hälfte (23a) an seiner endgültigen Position eingesetzt und mit Schrauben (35) oder Bolzen gesichert wird, und dass im dritten Schritt die obere Hälfte (23a) unter gleichzeitigem Einfahren des Verbindungselements (30) auf der unteren Hälfte (23b) positioniert wird.
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