EP2442032A1 - Verschleißsegment in der Turbinenleitschaufelträgerverhakung einer Ringbrennkammeraußenschale - Google Patents

Verschleißsegment in der Turbinenleitschaufelträgerverhakung einer Ringbrennkammeraußenschale Download PDF

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EP2442032A1
EP2442032A1 EP10187238A EP10187238A EP2442032A1 EP 2442032 A1 EP2442032 A1 EP 2442032A1 EP 10187238 A EP10187238 A EP 10187238A EP 10187238 A EP10187238 A EP 10187238A EP 2442032 A1 EP2442032 A1 EP 2442032A1
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EP
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combustion chamber
ring
outer shell
turbine
groove
Prior art date
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Withdrawn
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EP10187238A
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English (en)
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Inventor
Thomas Brandenburg
Olga Deiss
Giuseppe Gaio
Sabine GRENDEL
Jens Kleinfeld
Andre Kluge
Thomas Alexis Schneider
Christian Scholz
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/60—Support structures; Attaching or mounting means
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00017—Assembling combustion chamber liners or subparts

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber outer shell, in particular a Turbinenleitschaufelaverhakung an annular combustion chamber outer shell.
  • a gas turbine has a rotor rotatably mounted about a rotation axis with a shaft.
  • a rotor rotatably mounted about a rotation axis with a shaft.
  • an intake housing a compressor, a combustion chamber (for example an annular combustion chamber) with a plurality of coaxially arranged burners, a turbine and an exhaust gas housing.
  • the combustor communicates with a hot gas duct of the turbine at the inlet of which a turbine vane support carrying the vanes is disposed.
  • the combustion chamber outer shell of the gas turbine is fixed in the axial direction on the turbine guide vane carrier.
  • the axial fixation of the combustion chamber outer shell is ensured by means of tongue and groove connection to the turbine guide vane carrier.
  • the spring consisting of ring segments, is screwed to the turbine guide vane carrier and engages from outside into a groove located in the combustion chamber outer shell. Through the fit between the tongue and groove, the axial position of the combustion chamber outer shell is secured to the turbine vane support.
  • the turbine-side end face of the combustion chamber outer shell has run-out deviations. Correlations have been found between measured deviations from plan and wear of the tongue and groove joint, so that the axial runout is considered to be one of the causes of wear.
  • the groove of the combustion chamber outer shell is over-turned and modified ring segments are mounted on the diffuser. This is possible only up to a certain residual thickness of the hook formed by the groove on the turbine guide blade carrier end facing the combustion chamber outer shell, as with considerable reduction of the hook wall thickness there is a risk that the component integrity is no longer guaranteed. As a result, complex repairs in service are necessary, from welding to replacement of the combustion chamber outer shell.
  • the object of the invention is to provide a combustion chamber outer shell for a gas turbine, which avoids the disadvantages described above.
  • the L-ring is used interchangeably. This makes it easier to replace a worn L-ring with a new L-ring.
  • the L-ring in the scope of several parts. At least two-piece design ensures easy assembly and disassembly.
  • groove and L-ring are designed as a snug fit, so that there can be no relative movement between the groove and L-ring.
  • the L-ring is fixed with at least one dowel pin in order to avoid a rotation of the L-ring relative to the groove.
  • a gas turbine includes a combustor outer shell according to the invention and a turbine vane support disposed on the face of the combustor outer wall, wherein ring segments secured to the turbine vane support engage the groove.
  • the introduction of a wear segment into the turbine vane hanger of the outer shell of the combustion chamber provides the following advantages: Wear on the outer shell of the combustion chamber is avoided or at least significantly reduced because wear on a wear segment, i. the L-ring is shifted.
  • the wear segment can be exchanged during the revision.
  • the replacement of the wear segment is much cheaper than an exchange of the combustion chamber outer shell. This concerns both the costs for assembly and disassembly and the component costs. Downtimes due to wear-induced external shell replacement are avoided.
  • FIG. 1 showing a highly schematic sectional view of a gas turbine, explaining the structure and function of a gas turbine.
  • the gas turbine 1 comprises a compressor section 2, a combustion section 3, which in the present embodiment comprises an annular combustion chamber 4 with burners 5, and a turbine section 6.
  • a rotor 7, also called a runner, extends through all sections and carries compressor blade rings 8 and 8 in the compressor section 2 In the turbine section 6 turbine blade rings 9. Between adjacent compressor blade rings 8 and between adjacent turbine blade rings 9 wreaths of compressor vanes 10 and wreaths of turbine vanes 11 are arranged, which extend radially from a housing 12 of the gas turbine 1 in the direction of the rotor 7.
  • the invention relates to the designated 26 area and is in the FIGS. 2 and 3 described.
  • FIG. 2 2 shows schematically and by way of example a part of a combustion chamber outer shell 15 according to the prior art facing the turbine section 6 with a section of a guide blade carrier 16.
  • the combustion chamber outer shell 15 is fixed axially on the turbine guide blade carrier 16.
  • the axial fixation is realized by a tongue and groove connection 17.
  • the spring, consisting of ring segments 18, is screwed to the turbine guide vane carrier 16 and engages from outside into the groove 19 located in the combustion chamber outer shell 15. About the fit between groove 19 and spring (ring segments 18), the axial position of the combustion chamber outer shell 15 is secured to the turbine vane support 16.
  • the combustion chamber outer shell 15 When worn, the combustion chamber outer shell 15 loses its axial fixation. As a first measure, the groove 19 of the combustion chamber outer shell 15 is over-turned and modified ring segments are mounted on the distributor 16. This is possible only up to a certain residual thickness of the hook 20.
  • FIG. 3 shows a combustion chamber outer shell 21 according to the invention, in which the turbine vane support 22 facing end side is extended, so that the groove 23 can be widened.
  • the L-ring 24 is inserted into the groove 23 so that a leg 25 is located in the direction of the end face of the combustion chamber outer shell 21.
  • the L-ring 24 is to perform at least two parts for better assembly and disassembly.
  • groove 23 and L-ring 24 are designed as a snug fit and the L-ring 24 is additionally with dowel pins fixed. It can, for example, a U-ring are inserted into the groove 23, which additionally protects the less loaded upstream side of the groove (23) against wear.
  • the turbine vane support 22 is shortened according to the extension of the combustion chamber outer shell 21 compared with an embodiment of the prior art 15 at the appropriate place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammeraußenschale (21) für eine Gasturbine (1), mit einer turbinenseitigen Stirnseite und einer an einer Außenseite der Brennkammeraußenschale (21) in einem Bereich der Stirnseite umlaufenden Nut, wodurch zwischen Nut (23) und turbinenseitiger Stirnseite ein Haken (20) zur axialen Fixierung der Brennkammeraußenschale (21) an einem Turbinenleitschaufelträger (22) gebildet wird, wobei ein L-Ring (24) so in der Nut (23) eingesetzt ist, dass ein Schenkel des L-Rings (24) in Richtung der Stirnseite liegt. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbine (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkammeraußenschale, insbesondere eine Turbinenleitschaufelträgerverhakung einer Ringbrennkammeraußenschale.
  • Eine Gasturbine weist einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle auf. Entlang dem Rotor folgen aufeinander ein Ansauggehäuse, ein Verdichter, eine Brennkammer (beispielsweise eine Ringbrennkammer) mit mehreren koaxial angeordneten Brennern, eine Turbine und ein Abgasgehäuse.
  • Die Brennkammer kommuniziert mit einem Heißgaskanal der Turbine, an dessen Einlass ein Turbinenleitschaufelträger, welcher die Leitschaufeln trägt, angeordnet ist. Die Brennkammeraußenschale der Gasturbine ist in axialer Richtung am Turbinenleitschaufelträger fixiert. Üblicherweise wird die axiale Fixierung der Brennkammeraußenschale mittels Nut-Feder-Verbindung zum Turbinenleitschaufelträger gewährleistet. Die Feder, bestehend aus Ringsegmenten, wird an den Turbinenleitschaufelträger geschraubt und greift von außen in eine in der Brennkammeraußenschale befindliche Nut ein. Über die Passung zwischen Nut und Feder wird die axiale Position der Brennkammeraußenschale zum Turbinen-Leitschaufelträger gesichert.
  • Die turbinenseitige Stirnseite der Brennkammeraußenschale weist Planlaufabweichungen auf. Zwischen gemessenen Planlaufabweichungen und einem auftretenden Verschleiß der Nut-Feder-Verbindung wurden Korrelationen festgestellt, so dass die Planlaufabweichung als eine der Ursachen des Verschleißes angesehen wird.
  • Verliert die Brennkammeraußenschale bei Verschleiß ihre axiale Fixierung, wird die Nut der Brennkammeraußenschale überdreht und modifizierte Ringsegmente an den Leitapparat montiert. Dies ist nur bis zu einer bestimmten Restdicke des durch die Nut gebildeten Hakens am dem Turbinenleitschaufelträger zugewandeten Ende der Brennkammeraußenschale möglich, da bei erheblicher Reduktion der Hakenwandstärke die Gefahr besteht, dass die Bauteilintegrität nicht mehr gewährleistet wird. Infolgedessen sind aufwändige Reparaturen im Service notwendig, von der Schweißsanierung bis hin zum Tausch der Brennkammeraußenschale.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammeraußenschale für eine Gasturbine anzugeben, welche die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einer Brennkammeraußenschale für eine Gasturbine, mit einer turbinenseitigen Stirnseite und einer an einer Außenseite der Brennkammeraußenschale in einem Bereich der Stirnseite umlaufenden Nut, wodurch zwischen Nut und turbinenseitiger Stirnseite ein Haken zur axialen Fixierung der Brennkammeraußenschale an einem Turbinenleitschaufelträger gebildet wird, ein L-Ring so in der Nut eingesetzt ist, dass ein Schenkel des L-Rings in Richtung der Stirnseite liegt, wird folgendes erreicht:
    • Durch den L-Ring findet der Verschleiß nicht mehr an der Brennkammeraußenschale statt, sondern an dem L-Ring, der bei Befund ausgetauscht werden kann. Hierzu wird im Vergleich zum Stand der Technik die Brennkammeraußenschale an der stromab liegenden Seite verlängert, um den durch die Nut gebildeten Haken der Brennkammeraußenschale zu verstärken. Der Turbinen-leitschaufelträger ist entsprechend um die Verlängerung der Brennkammeraußenschale zu reduzieren. Durch die Verbreiterung des Hakens an der Brennkammeraußenschale kann nun die Nut verbreitert werden, um dort einen L-Ring als Verschleißsegment einzusetzen.
  • Vorteilhafter Weise ist der L-Ring austauschbar eingesetzt. Dadurch kann ein verschlissener L-Ring leichter gegen einen neuen L-Ring ersetzt werden.
  • Vorteilhafter Weise ist der L-Ring im Umfang mehrteilig ausgeführt. Bei mindestens zweiteiliger Ausführung ist eine einfache Montage bzw. Demontage gewährleistet.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind Nut und L-Ring als Passsitz ausgelegt, so dass es zu keiner Relativbewegung zwischen Nut und L-Ring kommen kann.
  • In einer weitern vorteilhaften Ausführungsform ist der L-Ring mit mindestens einem Passstift fixiert, um eine Verdrehung des L-Rings gegenüber der Nut zu vermeiden.
  • Zweckmäßiger Weise umfasst eine Gasturbine eine Brennkammeraußenschale gemäß der Erfindung sowie einen an der Stirnseite der Brennkammeraußenwand angeordneten Turbinenleitschaufelträger, wobei am Turbinenleitschaufelträger befestigte Ringsegmente in die Nut eingreifen.
  • Durch die Einführung eines Verschleißsegments in die Turbinenleitschaufelträgerverhakung der Brennkammeraußenschale werden folgende Vorteile erzielt: Verschleiß an der Brennkammeraußenschale wird vermieden oder zumindest deutlich verringert, weil der Verschleiß auf ein Verschleißsegment, d.h. den L-Ring verlagert wird. Das Verschleißsegment kann bei der Revision getauscht werden. Der Tausch des Verschleißsegments ist wesentlich kostengünstiger als ein Tausch der Brennkammeraußenschale. Dies betrifft sowohl die Kosten für Montage und Demontage als auch die Bauteilkosten. Stillstandzeiten aufgrund von verschleißbedingtem Außenschalentausch werden vermieden.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
    • Figur 1
    eine Gasturbine in einer stark schematisierten Darstellung,
    Figur 2
    eine Brennkammeraußenschale nach dem Stand der Technik mit einem Leitschaufelträger und
    Figur 3
    eine Brennkammeraußenschale nach der Erfindung.
  • Nachfolgend wird anhand von Figur 1, die eine stark schematisierte Schnittansicht einer Gasturbine zeigt, der Aufbau und die Funktion einer Gasturbine erläutert. Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichterabschnitt 2, einen Verbrennungsabschnitt 3, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Ringbrennkammer 4 mit Brennern 5 umfasst, und einen Turbinenabschnitt 6. Ein Rotor 7, auch Läufer genannt, erstreckt sich durch alle Abschnitte und trägt im Verdichterabschnitt 2 Verdichterschaufelkränze 8 und im Turbinenabschnitt 6 Turbinenschaufelkränze 9. Zwischen benachbarten Verdichterschaufelkränzen 8 und zwischen benachbarten Turbinenschaufelkränzen 9 sind Kränze aus Verdichterleitschaufeln 10 bzw. Kränze aus Turbinenleitschaufeln 11 angeordnet, die sich von einem Gehäuse 12 der Gasturbine 1 aus radial in Richtung auf den Rotor 7 erstrecken.
  • Im Betrieb der Gasturbine 1 wird Luft durch einen Lufteinlass 13 in den Verdichterabschnitt 2 eingesaugt. Dort wird die Luft durch die rotierenden Verdichterlaufschaufeln 8 komprimiert und zu den Brennern 5 im Verbrennungsabschnitt 3 geleitet. In den Brennern 5 wird die Luft mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff gemischt und die Mischung in der Brennkammer 4 verbrannt. Die unter hohem Druck stehenden heißen Verbrennungsabgase werden dann als Arbeitsmedium dem Turbinenabschnitt 6 zugeführt. Auf ihrem Weg durch den Turbinenabschnitt 6 übertragen die Verbrennungsabgase einen Impuls auf die Turbinenlaufschaufeln 9, wobei sie entspannen und abkühlen. Schließlich verlassen die entspannten und abgekühlten Verbrennungsabgase den Turbinenabschnitt 6 durch einen Auspuff 14. Der übertragene Impuls führt zu einer Rotationsbewegung des Rotors 7, die den Verdichter 2 und einen Verbraucher, beispielsweise einen Generator zum Erzeugen elektrischen Stroms oder eine Arbeitsmaschine antreibt. Die Kränze von Turbinenleitschaufeln 11 dienen dabei als Düsen zum Leiten des Arbeitsmediums, um den Impulsübertrag auf die Turbinenlaufschaufeln 9 zu optimieren.
  • Die Erfindung betrifft den mit 26 bezeichneten Bereich und wird in den Figuren 2 und 3 beschrieben.
  • Die Figur 2 zeigt schematisch und beispielhaft einen dem Turbinenabschnitt 6 zugewandten Teil einer Brennkammeraußenschale 15 nach dem Stand der Technik mit einem Abschnitt eines Leitschaufelträgers 16. Die Brennkammeraußenschale 15 ist am Turbinenleitschaufelträger 16 axial fixiert. Die axiale Fixierung wird durch eine Nut-Feder-Verbindung 17 realisiert. Die Feder, bestehend aus Ringsegmenten 18, wird an den Turbinenleitschaufelträger 16 geschraubt und greift von außen in die in der Brennkammeraußenschale 15 befindliche Nut 19 ein. Über die Passung zwischen Nut 19 und Feder (Ringsegmente 18) wird die axiale Position der Brennkammeraußenschale 15 zum Turbinenleitschaufelträger 16 gesichert.
  • Bei Verschleiß verliert die Brennkammeraußenschale 15 ihre axiale Fixierung. Als erste Maßnahme wird die Nut 19 der Brennkammeraußenschale 15 überdreht und modifizierte Ringsegmente an den Leitapparat 16 montiert. Dies ist nur bis zu einer bestimmten Restdicke des Hakens 20 möglich.
  • Figur 3 zeigt eine Brennkammeraußenschale 21 nach der Erfindung, bei der die dem Turbinenleitschaufelträger 22 zugewandte Stirnseite verlängert ist, so dass die Nut 23 verbreitert werden kann. Dadurch ergibt sich ausreichend Platz für den Einsatz eines L-Rings 24 in die Nut 23. Der L-Ring 24 ist so in die Nut 23 eingesetzt, dass ein Schenkel 25 in Richtung der Stirnseite der Brennkammeraußenschale 21 liegt. Der L-Ring 24 ist zur besseren Montage und Demontage mindestens zweiteilig auszuführen. Zur Vermeidung von Relativbewegungen zwischen Nut 23 und L-Ring 24 sind Nut 23 und L-Ring 24 als Passsitz ausgelegt und der L-Ring 24 ist zusätzlich mit Passstiften fixiert. Es kann beispielsweise auch ein U-Ring in die Nut 23 eingesetzt werden, der zusätzlich die weniger belastete stromaufwärts liegende Seite der Nut (23) gegen Verschleiß schützt.
  • Der Turbinenleitschaufelträger 22 ist entsprechend der Verlängerung der Brennkammeraußenschale 21 verglichen mit einer Ausführung des Standes der Technik 15 an entsprechender Stelle gekürzt.

Claims (6)

  1. Brennkammeraußenschale (21) für eine Gasturbine (1), mit einer turbinenseitigen Stirnseite und einer an einer Außenseite der Brennkammeraußenschale (21) in einem Bereich der Stirnseite umlaufenden Nut, wodurch zwischen Nut (23) und turbinenseitiger Stirnseite ein Haken (20) zur axialen Fixierung der Brennkammeraußenschale (21) an einem Turbinenleitschaufelträger (22) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein L-Ring (24) so in der Nut (23) eingesetzt ist, dass ein Schenkel des L-Rings (24) in Richtung der Stirnseite liegt.
  2. Brennkammeraußenschale (21) nach Anspruch 1, wobei der L-Ring (24) austauschbar eingesetzt ist.
  3. Brennkammeraußenschale (21) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der L-Ring (24) im Umfang mehrteilig ausgeführt ist.
  4. Brennkammeraußenschale (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Nut (23) und L-Ring (24) als Passsitz ausgelegt sind.
  5. Brennkammeraußenschale (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der L-Ring (24) mit mindestens einem Passstift fixiert ist.
  6. Gasturbine (1) mit einer Brennkammeraußenschale (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem an der Stirnseite der Brennkammeraußenschale (21) angeordneten Turbinenleitschaufelträger (22), wobei am Turbinenleitschaufelträger (22) befestigte Ringsegmente (18) in die Nut (23) eingreifen.
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