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)