EP3921577B1 - Rohrbrennkammersystem und gasturbinenanlage mit einem solchen rohrbrennkammersystem - Google Patents

Rohrbrennkammersystem und gasturbinenanlage mit einem solchen rohrbrennkammersystem Download PDF

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EP3921577B1
EP3921577B1 EP20711063.6A EP20711063A EP3921577B1 EP 3921577 B1 EP3921577 B1 EP 3921577B1 EP 20711063 A EP20711063 A EP 20711063A EP 3921577 B1 EP3921577 B1 EP 3921577B1
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EP
European Patent Office
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lining
combustion chamber
turbine
chamber system
hot gas
Prior art date
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EP20711063.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3921577A1 (de
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Matthias Gralki
Claus Krusch
Daniel Schmidt
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/023—Transition ducts between combustor cans and first stage of the turbine in gas-turbine engines; their cooling or sealings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • 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
    • F23R3/46—Combustion chambers comprising an annular arrangement of several essentially tubular flame tubes within a common annular casing or within individual casings

Definitions

  • the present invention relates to a combustor can system for a gas turbine plant having a plurality of annularly arranged transition ducts which are designed to be connected at their upstream ends to a combustor and to direct hot gas generated by the combustors to a turbine. Furthermore, the present invention relates to a gas turbine system with a plurality of burners arranged in a ring, a turbine and a tubular combustion chamber system of the type described above, which connects the burners to the turbine.
  • a prior art combustor can system is known from US Pat US 9,618,207 B1 known.
  • Tubular combustion chamber systems of the type mentioned above are used in gas turbine systems to conduct hot gas from the burners to the turbine inlet.
  • they include transition lines designed as pipelines, which are also referred to as "transitions" in professional circles.
  • the transition lines are thermally highly stressed during operation of the gas turbine system. Accordingly, they are made of high-temperature-resistant materials.
  • they are made of thin-walled nickel-based materials with internal cooling channels and an inner layer system for thermal insulation (TBC + MCrAlY). Sealing systems are provided at the turbine inlet interface to reduce leakage of compressed air into the combustion system and allow for relative movement between the combustor can system and the turbine and between the individual transition ducts.
  • the lateral seals are subject to severe abrasion wear.
  • the transition lines and their inner layer system also wear out due to the high thermal load, primarily in the outlet area as a result of layer aging and sealing groove wear.
  • the flow to the turbine is not uniform due to the non-continuous inflow cross-section at the interface between the transition lines and the turbine.
  • the uneven inflow caused by the shadowing by the side walls and seals of the outlet area of the transition lines causes high-frequency temperature and speed changes with negative effects on the service life of the turbine blades.
  • the service life of the transition lines is limited by the layer system and the seals to the turbine.
  • the internal cooling channels are manufactured by joining several metal sheets and is therefore associated with a great deal of effort. Additive manufacturing has so far been ruled out due to the size and volume limits of available 3D printers.
  • Additive manufacturing has so far been ruled out due to the size and volume limits of available 3D printers.
  • the reprocessing also includes the decoating of the complete layer system and the recoating. The costs of this complex preparation are therefore close to the new part costs.
  • the life cycle costs of new or existing gas turbine systems are primarily determined by the service life and maintenance intervals of the hot gas components.
  • significantly longer maintenance intervals are required for new gas turbine systems with simultaneous increased thermal stress.
  • constructive solutions are required that eliminate or at least significantly improve the weak points of current designs.
  • an object of the present invention is to create a tubular combustion chamber system of the type mentioned at the beginning with an improved design.
  • the present invention provides a combustor can system according to claim 1.
  • the combustor can system includes a hot gas manifold adapted for connection to the turbine and defining an annular duct open to the turbine into which the downstream ends of the transition ducts open.
  • a hot gas manifold adapted for connection to the turbine and defining an annular duct open to the turbine into which the downstream ends of the transition ducts open.
  • the transition ducts and the hot gas manifold are made of metal and lined internally with a refractory lining, particularly a ceramic lining. Thanks to such a lining, the thermal stress on the metallic components, i.e. the hot gas distributor and the transition lines, is significantly reduced. The associated lower expansion differences in the area of the seals to the turbine and the seals between the transition lines lead to less wear in this area and enable more solid joining concepts between the tubular combustion chamber system and the turbine. In addition, the refractory lining entails lower high-temperature requirements for the materials of the metallic components, which means that costs can be saved.
  • the transition lines can be designed without an inner layer system, which significantly reduces the effort for repair and reprocessing, since the transition lines do not have to be stripped and recoated.
  • the use of a refractory lining also reduces the need for cooling of the metallic components of the can combustor system. Compared to tubular combustion chamber systems without a ceramic lining, the cooling air requirement according to current Calculations can be reduced by up to 50%, which entails an increase in the performance of the gas turbine plant.
  • each transition pipe tapers conically in the downstream direction, the refractory lining of the transition pipe having at least one annular lining section with an outer diameter tapering conically in the downstream direction, which is held on the transition pipe with radial and axial pretension.
  • a prestress which can be implemented, for example, by positioning spring and/or damping elements between the refractory lining and the corresponding transition line, thermal expansion differences between the metal transition lines and their ceramic lining are compensated.
  • the ceramic lining is fixed with limited force under all operating conditions.
  • the at least one ring-shaped lining section can be formed by a single lining element, ie by a ring-shaped lining element with a conical outer surface.
  • the at least one ring-shaped lining section using a plurality of ring-segment-shaped lining elements which are braced against one another in the circumferential direction.
  • the refractory lining of the hot gas distributor advantageously has a large number of lining elements which are fastened under radial pretension to the surfaces of the hot gas distributor which are arranged radially on the inside and on the outside.
  • the lining elements of the hot gas distributor should be installed with as few gaps as possible between the individual lining elements in order to reduce the cooling air requirement, which is made possible by the radial prestressing.
  • the transition lines and the hot gas distributor are preferably made from a high-temperature-resistant metal material, in particular from a thin-walled, high-temperature-resistant material like a tin.
  • a high-temperature-resistant metal material in particular from a thin-walled, high-temperature-resistant material like a tin.
  • the outer peripheral side and/or the inner peripheral side of the hot gas distributor is/are advantageously provided with a fastening flange, which is designed for fastening to the turbine. In this way a very simple construction is achieved.
  • the present invention provides a gas turbine system with a plurality of burners arranged in a ring, a turbine and a tubular combustion chamber system according to the invention, which connects the burners to the turbine.
  • the figures show a combustor can system 1 according to an embodiment of the present invention, which is connected to a turbine 2 of a gas turbine plant 3 .
  • the can combustor system 1 comprises a plurality of annularly arranged transition lines 4, which are designed to be connected with their upstream ends to a burner 10 and to conduct hot gas generated by the burners 10 to the turbine 2, wherein in figure 1 exemplary only a single burner 10 is shown.
  • the tubular combustion chamber system 1 comprises a hot gas distributor 5 which is designed for connection to the turbine 2 and which defines an annular duct 6 which is open towards the turbine 2 and into which the downstream ends of the transition lines 4 open.
  • the transition lines 4 as well as the hot gas distributor 5 are made of metal, for example a high-temperature metal alloy.
  • the transition lines 4 each include a refractory lining 7, which is preferably made of a ceramic material.
  • the transition lines 4 each have a cross section that tapers conically in the downstream direction.
  • the refractory lining 7 of the transition lines 4 each comprises a plurality of ring-shaped lining sections with an outer diameter that tapers conically in the downstream direction, which in the present case are formed by ring-shaped lining elements 7a.
  • the lining elements 7a of a transition line 4 are pushed axially into the transition line 4, starting from the upstream end of the transition line 4, with spring and/or damping elements (not shown in detail) being positioned along the circumference between the lining elements 7a and the inner wall of the transition line 4 are guided in a form-fitting manner on the outer circumference of the lining elements 7a or on the inner wall of the transition line 4 . Due to the conical design of the transition line 4 and the lining elements 7a, the lining elements 7a are braced radially and axially in such a way that they are held on the transition line 4 with radial and axial pretension.
  • Tension is maintained here by an annular compression member 8 which is inserted into the transition pipe 4 at the upstream end, pressed against the face of the adjacent lining member 7a and then secured to the transition pipe 4 to provide the desired compression force.
  • the attachment can be done for example by means of screws.
  • the refractory Lining 7 of the hot gas distributor 5 is realized via a multiplicity of lining elements 7b, which are advantageously also fastened under radial pretension to the surfaces of the hot gas distributor 5 arranged radially on the inside and outside.
  • the outer peripheral side and the inner peripheral side of the hot gas distributor 5 are provided with fastening flanges 9 at the free end of the hot gas distributor 5 pointing towards the turbine 2, which are designed for fastening to the turbine 2 by means of screws.
  • the arrangement described above is advantageous in that, thanks to the additional hot gas distributor 5 of the tubular combustion chamber system 1 according to the invention, a very uniform hot gas flow to the turbine 2 is achieved, which significantly reduces high-frequency temperature and speed changes. This has a very positive effect on the service life of the turbine blades.
  • the refractory lining 7 of the transition lines 4 and the hot gas distributor 5 is significantly reduced.
  • the associated lower expansion differences in the area of the seals to the turbine 2 and the seals between the transition lines 4 lead to less wear in this area and enable more solid joining concepts between the tubular combustion chamber system 1 and the turbine 2.
  • the refractory lining 7 attracts lower high-temperature requirements the materials of the metallic components 4 and 5 after it, whereby costs can be saved.
  • the transition lines 4 can be designed without an inner layer system, which significantly reduces the effort for repair and reprocessing, since the transition lines 4 do not have to be stripped and recoated.
  • the use of a refractory lining 7 further reduces the cooling requirement of the metal components 4 and 5 of the can combustor system 1. Compared to can combustor systems without a ceramic lining, the cooling air requirement can be reduced by up to 50% according to current calculations, which results in an increase in the output of the gas turbine system 3.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rohrbrennkammersystem für eine Gasturbinenanlage mit mehreren ringförmig angeordneten Übergangsleitungen, die dazu ausgelegt sind, mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner angeschlossen zu werden und durch die Brenner erzeugtes Heißgas zu einer Turbine zu leiten. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, einer Turbine und einem Rohrbrennkammersystem der zuvor beschriebenen Art, das die Brenner mit der Turbine verbindet. Ein Rohrbrennkammersystem nach dem Stand der Technik ist aus der US 9,618,207 B1 bekannt.
  • Rohrbrennkammersysteme der eingangs genannten Art werden in Gasturbinenanlagen dazu eingesetzt, Heißgas von den Brennern zum Turbineneintritt zu leiten. Hierzu umfassen sie als Rohrleitungen ausgebildete Übergangsleitungen, die in Fachkreisen auch als "Transitions" bezeichnet werden. Die Übergangsleitungen sind während des Betriebs der Gasturbinenanlage thermisch hoch beansprucht. Entsprechend sind sie aus hochtemperaturbeständigen Materialen hergestellt. Üblicherweise sind sie aus dünnwandigen Nickelbasiswerkstoffen mit innenliegenden Kühlkanälen und einem inneren Schichtsystem zur Wärmedämmung (TBC + MCrAlY) gefertigt. Im Bereich der Schnittstelle zum Turbineneintritt sind Dichtungssysteme vorgesehen, um die Leckage von verdichteter Luft in das Verbrennungssystem zu reduzieren und Relativbewegungen zwischen dem Rohrbrennkammersystem und der Turbine sowie zwischen den einzelnen Übergangsleitungen zu erlauben. Aufgrund der Ausführung der Dichtungssysteme und der mechanischen Freiheitsgrade der Schnittstelle zwischen den Übergangsleitungen und der Turbine unterliegen zum einen die seitlichen Dichtungen einem starken Abrasionsverschleiß. Zum anderen verschleißen auch die Übergangsleitungen und deren inneres Schichtsystem aufgrund der hohen thermischen Belastung vornehmlich im Austrittsbereich infolge Schichtalterung und Dichtnutverschleiß. Hinzu kommt, dass die Anströmung der Turbine aufgrund des umfänglich nicht kontinuierlichen Einströmquerschnitts an der Schnittstelle zwischen den Übergangsleitungen und der Turbine systembedingt nicht gleichmäßig erfolgt. Die ungleichmäßige Anströmung infolge der Abschattung durch die seitlichen Wände und Dichtungen des Austrittsbereichs der Übergangsleitungen bewirkt hochfrequente Temperatur- und Geschwindigkeitsänderungen mit negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Turbinenschaufeln.
  • Die Lebensdauer der Übergangsleitungen wird durch das Schichtsystem und die Dichtungen zur Turbine begrenzt. Die Fertigung der innenliegenden Kühlkanäle erfolgt durch Fügen mehrerer Bleche und ist entsprechend mit sehr hohem Aufwand verbunden. Eine additive Fertigung scheidet bislang aufgrund der Größen- bzw. Volumengrenzen verfügbarer 3D-Drucker aus. Im Rahmen der Wiederaufbereitung ist es regelmäßig erforderlich, insbesondere den Austrittsbereich der Übergangsleitungen abzutrennen und zu erneuern. Die Wiederaufbereitung umfasst ferner das Entschichten des kompletten Schichtsystems und das Wiederbeschichten. Die Kosten dieser aufwändigen Aufbereitung liegen damit nahe an den Neuteilkosten.
  • Die Lebenszykluskosten neuer oder bestehender Gasturbinenanlagen werden vorrangig durch die Lebensdauern und Wartungsintervalle der Heißgaskomponenten bestimmt. Bezüglich des Verbrennungssystems werden für neue Gasturbinenanlagen erheblich längere Wartungsintervalle bei gleichzeitig erhöhter thermischer Beanspruchung gefordert. Im Ergebnis sind konstruktive Lösungen gefragt, welche die Schwachstellen aktueller Designs beseitigen oder zumindest deutlich verbessern.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Rohrbrennkammersystem der eingangs genannten Art mit verbessertem Design zu schaffen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Rohrbrennkammersystem nach Anspruch 1. Das Rohrbrennkammersystem weist einen zum Anschließen an die Turbine ausgelegten Heißgasverteiler auf, der einen zur Turbine offenen Ringkanal definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergansleitungen münden. Ein solcher zusätzlicher Heißgasverteiler zwischen den Übergangsleitungen und dem Turbineneintritt führt zu einer sehr gleichmäßigen Anströmung der Turbine, wodurch hochfrequente Temperatur- und Geschwindigkeitsänderungen deutlich reduziert werden. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Lebensdauer der Turbinenschaufeln aus.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Übergangsleitungen und der Heißgasverteiler aus Metall hergestellt und innen mit einer feuerfesten Auskleidung versehen, insbesondere mit einer keramischen Auskleidung. Dank einer solchen Auskleidung wird die thermische Beanspruchung der metallischen Komponenten, also des Heißgasverteilers und der Übergangsleitungen, signifikant reduziert. Die damit verbundenen geringeren Dehnungsunterschiede im Bereich der Dichtungen zur Turbine und der Dichtungen zwischen den Übergangsleitungen führen zu einem geringeren Verschleiß in diesem Bereich und ermöglichen solidere Fügekonzepte zwischen dem Rohrbrennkammersystem und der Turbine. Darüber hinaus zieht die feuerfeste Auskleidung geringere Hochtemperaturanforderungen an die Werkstoffe der metallischen Komponenten nach sich, wodurch Kosten eingespart werden können. Zudem können die Übergangsleitungen dank der Auskleidung ohne inneres Schichtsystem ausgeführt werden, wodurch der Aufwand für die Instandsetzung und die Wiederaufbereitung deutlich reduziert wird, da ein Entschichten und ein Wiederbeschichten der Übergangsleitungen entfällt. Durch den Einsatz einer feuerfesten Auskleidung verringert sich ferner der Kühlbedarf der metallischen Komponenten des Rohrbrennkammersystems. Im Vergleich zu Rohrbrennkammersystemen ohne keramische Auskleidung kann der Kühlluftbedarf nach derzeitigen Berechnungen um bis zu 50% gesenkt werden, was eine Erhöhung der Leistung der Gasturbinenanlage nach sich zieht.
  • Dabei verjüngt sich der Querschnitt jeder Übergangsleitung in Stromabwärtsrichtung konisch, wobei die feuerfeste Auskleidung der Übergangsleitung zumindest einen ringförmigen Auskleidungsabschnitt mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Außendurchmesser aufweist, der mit radialer und axialer Vorspannung an der Übergangsleitung gehalten ist. Dank einer solchen Vorspannung, die beispielsweise durch die Positionierung von Feder- und/oder Dämpfungselementen zwischen der feuerfesten Auskleidung und der entsprechenden Übergangsleitung realisiert werden kann, werden Wärmedehnungsunterschiede zwischen den metallischen Übergangsleitungen und deren keramischer Auskleidung kompensiert. Insbesondere wird die keramische Auskleidung unter allen Betriebsbedingungen kraftbegrenzt fixiert.
  • Der zumindest eine ringförmige Auskleidungsabschnitt kann gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung durch ein einziges Auskleidungselement gebildet sein, also durch ein ringförmiges Auskleidungselement mit konischer Außenfläche.
  • Gemäß einer zweiten Variante ist es auch möglich, den zumindest einen ringförmigen Auskleidungsabschnitt durch mehrere ringsegmentförmige Auskleidungselemente auszubilden, die in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt sind.
  • Die feuerfeste Auskleidung des Heißgasverteilers weist vorteilhaft eine Vielzahl von Auskleidungselementen auf, die unter radialer Vorspannung an den radial innen und außen angeordneten Flächen des Heißgasverteilers befestigt sind. Der Einbau der Auskleidungselemente des Heißgasverteilers sollte möglichst mit geringen Spalten zwischen den einzelnen Auskleidungselementen erfolgen, um den Kühlluftbedarf zu reduzieren, was durch die radiale Vorspannung ermöglicht wird.
  • Die Übergangsleitungen und der Heißgasverteiler sind bevorzugt aus einem hochwarmfesten Metall-Werkstoff hergestellt, insbesondere aus einem dünnwandigen hochwarmfesten Werkstoff nach Art eines Bleches. Die Vermeidung von Nickel-Basis-Werkstoffen stellt einen wesentlichen Vorteil des beschriebenen Systems dar.
  • Vorteilhaft ist/sind die Außenumfangsseite und/oder die Innenumfangsseite des Heißgasverteilers mit einem Befestigungsflansch versehen, der zur Befestigung an der Turbine ausgelegt ist. Auf diese Weise wird ein sehr einfacher Aufbau erzielt.
  • Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, einer Turbine und einem erfindungsgemäßen Rohrbrennkammersystem, das die Brenner mit der Turbine verbindet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Rohrbrennkammersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
    • Figur 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Teilansicht eines Rohrbrennkammersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das an eine Turbine einer Gasturbinenanlage angeschlossen ist; und
    • Figur 2 eine perspektivische Ansicht der in Figur 1 dargestellten Anordnung betrachtet in Richtung des Pfeils II in Figur 1.
  • Die Figuren zeigen ein Rohrbrennkammersystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das an eine Turbine 2 einer Gasturbinenanlage 3 angeschlossen ist. Das Rohrbrennkammersystem 1 umfasst mehrere ringförmig angeordnete Übergangsleitungen 4, die dazu ausgelegt sind, mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner 10 angeschlossen zu werden und durch die Brenner 10 erzeugtes Heißgas zu der Turbine 2 zu leiten, wobei in Figur 1 beispielhaft nur ein einzelner Brenner 10 dargestellt ist. Ferner umfasst das Rohrbrennkammersystem 1 einen zum Anschließen an die Turbine 2 ausgelegten Heißgasverteiler 5, der einen zur Turbine 2 offenen Ringkanal 6 definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergangsleitungen 4 münden. Die Übergangsleitungen 4 ebenso wie der Heißgasverteiler 5 sind aus Metall hergestellt, beispielsweise aus einer hochwarmfesten Metall-Legierung. Sie umfassen jeweils eine feuerfeste Auskleidung 7, die bevorzugt aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Die Übergangsleitungen 4 weisen jeweils einen Querschnitt auf, der sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngt. Die feuerfeste Auskleidung 7 der Übergangsleitungen 4 umfasst jeweils mehrere ringförmige Auskleidungsabschnitte mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Außendurchmesser, die vorliegend durch ringförmige Auskleidungselemente 7a gebildet werden. Alternativ ist es grundsätzlich aber auch möglich, die ringförmige Auskleidungsabschnitte jeweils durch mehrere ringsegmentförmige Auskleidungselemente zu bilden. Die Auskleidungselemente 7a einer Übergangsleitung 4 sind ausgehend vom stromaufwärts angeordneten Ende der Übergangsleitung 4 axial in die Übergangsleitung 4 eingeschoben, wobei zwischen den Auskleidungselementen 7a und der Innenwandung der Übergangsleitung 4 nicht näher dargestellte Feder- und/oder Dämpfungselemente entlang des Umfangs positioniert werden, die an am Außenumfang der Auskleidungselemente 7a oder an der Innenwandung der Übergangsleitung 4 formschlüssig geführt sind. Aufgrund der konischen Ausbildung der Übergangsleitung 4 sowie der Auskleidungselemente 7a erfolgt ein radiales sowie axiales Verspannen der Auskleidungselemente 7a derart, dass diese mit radialer und axialer Vorspannung an der Übergangsleitung 4 gehalten werden. Die Spannung wird vorliegend durch ein ringförmiges Druckelement 8 aufrechterhalten, das am stromaufwärtigen Ende in die Übergangsleitung 4 eingeschoben, gegen die Stirnfläche des benachbart angeordneten Auskleidungselementes 7a gedrückt und dann unter Erzeugung der gewünschte Andrückkraft an der Übergangsleitung 4 befestigt wird. Die Befestigung kann beispielsweise mittels Schrauben erfolgen. Die feuerfeste Auskleidung 7 des Heißgasverteilers 5 wird über eine Vielzahl von Auskleidungselementen 7b realisiert, die vorteilhaft ebenfalls unter radialer Vorspannung an den radial innen und außen angeordneten Flächen des Heißgasverteilers 5 befestigt sind. Zur Fixierung des Rohrbrennkammersystems 1 an der Turbine 2 sind die Außenumfangsseite und die Innenumfangsseite des Heißgasverteilers 5 am zur Turbine 2 weisenden freien Ende des Heißgasverteilers 5 mit Befestigungsflanschen 9 versehen, die zur Befestigung an der Turbine 2 mittels Schrauben ausgelegt sind.
  • Die zuvor beschriebene Anordnung ist dahingehend von Vorteil, dass Dank des zusätzlichen Heißgasverteilers 5 des erfindungsgemäßen Rohrbrennkammersystems 1 eine sehr gleichmäßige Heißgasanströmung der Turbine 2 erzielt wird, wodurch hochfrequente Temperatur- und Geschwindigkeitsänderungen deutlich reduziert werden. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Lebensdauer der Turbinenschaufeln aus.
  • Weitere Vorteile gehen mit der feuerfesten Auskleidung 7 der Übergangsleitungen 4 und des Heißgasverteilers 5 einher. Dank dieser Auskleidung wird die thermische Beanspruchung der metallischen Komponenten, also der Übergangsleitungen 4 und des Heißgasverteilers 5 signifikant reduziert. Die damit verbundenen geringeren Dehnungsunterschiede im Bereich der Dichtungen zur Turbine 2 und der Dichtungen zwischen den Übergangsleitungen 4 führen zu einem geringeren Verschleiß in diesem Bereich und ermöglichen solidere Fügekonzepte zwischen dem Rohrbrennkammersystem 1 und der Turbine 2. Darüber hinaus zieht die feuerfeste Auskleidung 7 geringere Hochtemperaturanforderungen an die Werkstoffe der metallischen Komponenten 4 und 5 nach sich, wodurch Kosten eingespart werden können. Zudem können die Übergangsleitungen 4 dank der Auskleidung 7 ohne inneres Schichtsystem ausgeführt werden, wodurch der Aufwand für die Instandsetzung und die Wiederaufbereitung deutlich reduziert wird, da ein Entschichten und ein Wiederbeschichten der Übergangsleitungen 4 entfällt. Durch den Einsatz einer feuerfesten Auskleidung 7 verringert sich ferner der Kühlbedarf der metallischen Komponenten 4 und 5 des Rohrbrennkammersystems 1. Im Vergleich zu Rohrbrennkammersystemen ohne keramische Auskleidung kann der Kühlluftbedarf nach derzeitigen Berechnungen um bis zu 50% gesenkt werden, was eine Erhöhung der Leistung der Gasturbinenanlage 3 nach sich zieht.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

  1. Rohrbrennkammersystem (1)
    für eine Gasturbinenanlage (3) mit mehreren ringförmig angeordneten Übergangsleitungen (4),
    die dazu ausgelegt sind,
    mit ihren stromaufwärts angeordneten Enden jeweils an einen Brenner (10) angeschlossen zu werden und durch die Brenner (10) erzeugtes Heißgas zu einer Turbine (2) zu leiten, wobei das Rohrbrennkammersystem (1) einen zum Anschließen an die Turbine (2) ausgelegten Heißgasverteiler (5) aufweist, der einen zur Turbine (2) offenen Ringkanal (6) definiert, in den die stromabwärts angeordneten Enden der Übergangsleitungen (4) münden,
    wobei sich der Querschnitt jeder Übergangsleitung (4) in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngt,
    wobei die Übergangsleitungen (4) und der Heißgasverteiler (5) aus Metall hergestellt und innen mit einer feuerfesten Auskleidung (7) versehen sind, insbesondere mit einer keramischen Auskleidung,
    wobei
    die feuerfeste Auskleidung (7) der Übergangsleitung zumindest einen ringförmigen Auskleidungsabschnitt mit sich in Stromabwärtsrichtung konisch verjüngendem Außendurchmesser aufweist, und
    wobei die Übergangsleitungen (4) und der Heißgasverteiler (5) aus Metall hergestellt und innen mit einer feuerfesten Auskleidung (7) versehen sind,
    insbesondere mit einer keramischen Auskleidung,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Auskleidungsabschnitt mit radialer und axialer Vorspannung an der Übergangsleitung (4) gehalten ist.
  2. Rohrbrennkammersystem (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zumindest eine ringförmige Auskleidungsabschnitt durch ein einzelnes Auskleidungselement (7a) gebildet ist.
  3. Rohrbrennkammersystem (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zumindest eine ringförmige Auskleidungsabschnitt durch mehrere ringsegmentförmige Auskleidungselemente gebildet ist, die in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt sind.
  4. Rohrbrennklammersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die feuerfeste Auskleidung (7) des Heißgasverteilers (5) eine Vielzahl von Auskleidungselementen (7b) aufweist, die unter radialer Vorspannung an den radial innen und außen angeordneten Flächen des Heißgasverteilers (5) befestigt sind.
  5. Rohrbrennkammersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Übergangsleitungen (4) und der Heißgasverteiler (5) aus einem hochwarmfesten Metall-Werkstoff hergestellt sind, insbesondere aus einem dünnwandigen hochwarmfesten Metall-Werkstoff nach Art eines Bleches.
  6. Rohrbrennkammersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Außenumfangsseite und/oder die Innenumfangsseite des Heißgasverteilers (5) mit einem Befestigungsflansch (9) versehen ist/sind, der zur Befestigung an der Turbine (2) ausgelegt ist.
  7. Gasturbinenanlage (3) mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern (10), einer Turbine (2) und einem Rohrbrennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Brenner (10) mit der Turbine (2) verbindet.
EP20711063.6A 2019-04-01 2020-03-03 Rohrbrennkammersystem und gasturbinenanlage mit einem solchen rohrbrennkammersystem Active EP3921577B1 (de)

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DE102019204544.8A DE102019204544A1 (de) 2019-04-01 2019-04-01 Rohrbrennkammersystem und Gasturbinenanlage mit einem solchen Rohrbrennkammersystem
PCT/EP2020/055501 WO2020200609A1 (de) 2019-04-01 2020-03-03 Rohrbrennkammersystem und gasturbinenanlage mit einem solchen rohrbrennkammersystem

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EP3921577A1 EP3921577A1 (de) 2021-12-15
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