WO2013060663A2 - Gasturbine - Google Patents

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WO2013060663A2
WO2013060663A2 PCT/EP2012/070930 EP2012070930W WO2013060663A2 WO 2013060663 A2 WO2013060663 A2 WO 2013060663A2 EP 2012070930 W EP2012070930 W EP 2012070930W WO 2013060663 A2 WO2013060663 A2 WO 2013060663A2
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gas turbine
angle
shell
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Remigi Tschuor
Sinisa NARANCIC
Guenter FILKORN
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Alstom Technology Ltd
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Publication date
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Priority to EP12775033.9A priority patent/EP2852735B1/de
Priority to RU2014120759/06A priority patent/RU2597350C2/ru
Priority to KR1020147013476A priority patent/KR101613096B1/ko
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    • 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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
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    • 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
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    • F01D25/28—Supporting or mounting arrangements, e.g. for turbine casing
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/20—Mounting or supporting of plant; Accommodating heat expansion or creep
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • F23R3/002—Wall structures
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    • 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
    • F23R2900/00012—Details of sealing devices

Definitions

  • Gas turbines It relates to the transition region between an annular combustion chamber of a subsequent turbine.
  • the present invention is based on a gas turbine, which in the simplest case has a scheme, as shown in Fig. 1.
  • the gas turbine 10 of FIG. 1 comprises a compressor 12, a combustion chamber 13 and a turbine 15.
  • the compressor 12 sucks combustion air via an air inlet 11 and compresses it.
  • the compressed air is introduced into the combustion chamber 13 and used there for the combustion of a fuel 14.
  • the resulting hot gas is relaxed in the following turbine 15 under work and leaves turbine 15 as the exhaust gas 16.
  • IGT industrial gas turbines
  • annular or annular combustion chambers In mostly smaller IGTs, the combustion chambers are designed as so-called "Can Annular Combustors”.
  • combustion chamber side walls are either segmental
  • Shell elements assembled or executed as full shells When using solid shells arises due to the installation, the need for a parting plane, which allows to remove the upper part, for example, to assemble or disassemble the gas turbine rotor.
  • the parting line accordingly has two parting plane welds, e.g. at the height of the machine axis (3 o'clock and 9 o'clock position). The lower and upper
  • Half shells must u.a. be cooled convectively.
  • combustion chamber shells (“Combustor Transition Duct") have the following functions:
  • Parting plane i.d. Usually at 3 o'clock and 9 o'clock position).
  • Combustion chamber inner shells is covered). • You should not have to absorb any axial or radial forces.
  • FIG. 2 shows a section of an exemplary gas turbine with annular combustion chamber which comprises the combustion chamber.
  • the output of the compressor 12 with its guide and moving blades can be seen here on the right side, on the opposite side is the inlet area of the turbine 15 with its guide and moving blades. Between the compressor outlet and the
  • Turbine inlet region are located surrounding the rotor 17
  • the inlet portion of the shaft cover is configured as a compressor diffuser with a flow area increasing in the flow direction through which the compressed air flows into a plenum 18 surrounding the annular combustion chamber 13.
  • the combustion chamber 13 is composed of an inner combustion chamber shell 20a and an outer combustion chamber shell 20b.
  • inner or outer cooling shrouds 19a and 19b are arranged at a distance which, with the associated combustion chamber shell, respectively form an inner cooling air guide 21a and an outer cooling air guide 21b.
  • cooling air ducts 21 a, b air flows from the plenum 18 into the front of the combustion chamber 13 input area, in which the actual burner 22 (in this case, so-called double-cone burners) are arranged.
  • the introduced through the cooling air ducts 21 a, b air on the one hand enters the burner 22 and is mixed there with fuel.
  • air enters through the rear wall 23 of the combustion chamber 13 directly into the combustion chamber.
  • Inner and outer shell of the combustion chamber are thermally and mechanically stressed during operation.
  • the material strength properties of the shells are highly temperature dependent. In order to keep this material temperature below the maximum allowable material temperature level, the shell elements - as already described in connection with FIG. 2 and the cooling shirts 19a, b shown there - are cooled convectively.
  • the shells Due to the high metal temperature of the combustion chamber shells, the shells expand axially and radially (see expansion direction 33 in Fig. 4). This expansion is easy to measure, in particular at the interface to the inlet of the turbine (inner and outer platform of the 1st row of guide blades; This expansion takes place continuously and over a certain period of time, during the
  • the invention is based on a gas turbine, which comprises a compressor, an annular combustion chamber and a turbine, wherein the combustion chamber for introducing the resulting in the combustion chamber hot gases in the
  • downstream turbine in a transition region with a combustion chamber shell connects the turbine inlet.
  • the combustion chamber inner shell distributed on the circumference mounted support elements. Due to the thermal expansion occurring during operation, these support elements abut against a conical contour on the shaft cover and are supported thereon.
  • One aspect of the invention is a conical contour which encloses an angle with the machine axis, which allows the combustion chamber inner shell to slide with the supporting elements onto the conical contour.
  • the combustion chamber inner shell comprises at the outlet end on the side facing away from the hot gases distributed around the circumference supporting elements which have a bevel, which extend in the installed state parallel to a conical contour of the shaft cover.
  • the chamfer encloses an angle with the machine axis, which causes the supporting elements of the machine to slide open Combustion chamber inner shell to the conical contour of the shaft cover allows.
  • the shaft cover for a gas turbine has at the downstream end on the outside of a conical contour, which includes an angle when installed with the machine axis. This angle allows a
  • An embodiment of the gas turbine is characterized in that the
  • Supporting elements as radially projecting, oriented in the axial direction
  • Support plates or fins are formed, that the support plates or fins have a conical contour opposite and the conical contour at an angle corresponding bevel and that between the conical contour and the bevel is provided a non-zero installation tolerance.
  • Expansion direction expands, which includes a non-zero difference angle with the conical contour.
  • the difference angle is in the range between 2 ° and 15 °, preferably in the range between 5 ° and 10 °, in particular in the range between 7 ° and 8 °, and is the angle that the conical contour with the
  • Machine axis includes, between 20 ° and 30 °, in particular between 24 ° and 26 °.
  • the installation tolerance is in the range between 1 mm and 10 mm, preferably between 2 mm and 8 mm, in particular between 3 mm and 4 mm.
  • the shaft cover is made of cast iron and the support elements of a
  • Nickel-based alloy or a preferably austenitic ferritic steel are preferably austenitic ferritic steel.
  • Ring combustion chamber is composed of individual segments, and that per segment two support elements are provided.
  • Fig. 1 shows the highly simplified circuit diagram of a gas turbine
  • Fig. 2 in a section the longitudinal section through a gas turbine with
  • Combustion chamber and shaft cover or compressor diffuser due to thermal expansion during operation shows the configuration of the transition region according to FIG.
  • Fig. 5 shows the exit region of the combustion chamber of Fig. 4 in one
  • transition between the inner combustion chamber shell 20a with its cooling jacket 19a and the inner wall of the turbine inlet (26 in FIG. 4) is now designed such that it permits and absorbs a relative displacement caused by thermal expansion.
  • the distance between the two components is fluidly bridged by plate-shaped transition elements (30 in Fig. 4), which are pivotally mounted on the one hand on the inner combustion chamber 20a and on the other hand at its free end by a compression spring (28 in Fig. 4) acted upon An horrbolzen (27 in Fig. 4) are pressed against the outside of the inner wall of the turbine inlet 26 so that they transversely to the axis of
  • Pressure bolt 27 are displaced. In this way, a sealed transition between the combustion chamber and turbine inlet is realized for the hot gases, which allows a relative displacement of both components to one another and compensates.
  • means are provided in the transition region for allowing the combustion chamber to be supported on the shaft cover 25 when the thermal expansion of the combustion chamber associated with operation has been completed.
  • These means comprise a plurality of radially extending, axially oriented support plates (29 in Figs. 3, 4) disposed along the inner periphery of the inner combustion chamber shell 20a.
  • the support plates 29 at the same time have pivot bearings (32 in Fig. 3) for the
  • the support plates 29 each have a chamfer (31 b in Fig. 4), which includes ⁇ with the machine axis a predetermined angle (see Fig. 4). At a distance d (FIG. 4), this chamfer 31 b faces a conical contour (31 a in FIG. 4) of the shaft cover 25, which encloses the same angle ⁇ with the machine axis.
  • the FE-Tool has calculated a sliding angle of approx. 15 ° -18 °. Based on these results, a slip angle and thus a contact angle of less than 20 ° should have been chosen. Taking into account the mechanical claim that only one contact point per support plate is desired (no surface contact, only line contact desired) and the conical full round shell is not ultimately like a ram on a conical wedge and shrinks, a larger angle was deliberately chosen in In this case, an angle of 25 °.
  • An embodiment of the configuration of the transition according to the invention is shown in Figs. 4 and 5, respectively. Plays an important role in the
  • Bevel 31 b or sliding surface includes.
  • ⁇ should be in the range of 2 ° -15 °, preferably in the range of 5 ° -10 °, in particular in the range 7 ° -8 °.
  • the angle ⁇ of the chamfer 31 b with the machine axis is in this case between 20 ° and 30 °, preferably between 24 ° and 26 °.
  • the installation tolerance or the distance d are in the range 1 -10 mm, preferably in the range 2-8 mm, in particular in the range 3-4 mm.
  • the installation tolerance d is equal to the cold play plus manufacturing tolerance. A cold game is required because the parts are mounted blind, so to speak.
  • the shaft cover 25 is made of gray cast iron and the material for the fins is selected from a nickel-based alloy or a preferably austenitic ferritic steel.
  • burners e.g., double cone burners

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Abstract

Eine Gasturbine (10) umfasst einen Verdichter (12), eine ringförmige Brennkammer (13) und eine Turbine (15), wobei die Brennkammer (13) zur Einleitung der in der Brennkammer (13) entstehenden heissen Gase in die nachfolgende Turbine (15) in einem Übergangsbereich (A) mit einer Brennkammerschale (20a) an den Turbineneinlass (26) derart anschliesst, dass eine durch thermische Ausdehnung bedingte relative Bewegung zwischen Brennkammer (13) und Turbineneinlass (26) möglich ist, und wobei die Brennkammerschale (20a) mit am Umfang verteilt angebrachten Abstützelementen (29) durch die im Betrieb auftretende thermische Ausdehnung (33) an eine konische Kontur (31a) an der Wellenabdeckung (25) anstösst und sich daran abstützt. Eine Verbesserung hinsichtlich Belastung und Lebensdauer wird dadurch erreicht, dass die konische Kontur (31a) mit der Maschinenachse einen Winkel (α2) einschliesst, der ein Aufgleiten der Brennkammerschale (20a) mit den Abstützelementen (29) auf die konische Kontur (31a) ermöglicht.

Description

BESCHREIBUNG GASTURBINE
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von
Gasturbinen. Sie betrifft den Übergangsbereich zwischen einer ringförmigen Brennkammer einer nachfolgenden Turbine.
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Gasturbine, die im einfachsten Fall ein Schema aufweist, wie es in Fig. 1 wiedergegeben ist. Die Gasturbine 10 der Fig. 1 umfasst einen Verdichter 12, eine Brennkammer 13 und eine Turbine 15. Der Verdichter 12 saugt über einen Lufteinlass 1 1 Verbrennungsluft an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird in die Brennkammer 13 eingeführt und dort zur Verbrennung eines Brennstoffs 14 verwendet. Das entstehende Heissgas wird in der nachfolgenden Turbine 15 unter Arbeitsleistung entspannt und verlässt Turbine 15 als Abgas 16.
Moderne (stationäre) Industrie-Gasturbinen (IGT) werden in der Regel mit ringförmigen oder Ringbrennkammern ausgelegt. Bei meist kleineren IGTs werden die Brennkammern als sogenannte„Can Annular Combustors" ausgeführt.
Bei einer IGT mit ringförmiger oder Ringbrennkammer ist der Brennraum begrenzt durch die Seitenwände sowie der Eintritts- und Austrittsebene des Heissgases. Die Brennkammerseitenwände werden dabei entweder segmentweise aus
Schalenelementen zusammengesetzt oder als Vollschalen ausgeführt. Bei der Verwendung von Vollschalen ergibt sich montagebedingt die Notwendigkeit einer Trennebene, die es erlaubt das Oberteil abzunehmen, um zum Beispiel den Gasturbinen-Rotor zu montieren bzw. zu demontieren. Die Trennebene weist entsprechend zwei Trennebenenschweissnähte auf, die sich z.B. auf der Höhe der Maschinenachse befinden (3- und 9-Uhr-Position). Die unteren und oberen
Halbschalen müssen u.a. konvektiv gekühlt werden.
Funktion der Brennkammerschalen /
Die Brennkammerschalen („Combustor Transition Duct") haben die folgenden Funktionen:
• Sie dichten zwei Plena/Kammern ab.
• Sie müssen auch untereinander dichten (Montage mittels einer
Trennebene, i.d. Regel an 3- und 9-Uhr-Position).
· Sie werden, mit Ausnahme der Trennebene, rotationssymmetrisch
ausgeführt.
• Sie müssen bei der Montage der Brennkammerhalbschalen in der
Trennebene ineinander/aneinander geführt werden.
• Die Brennkammer-Innenschalen oder inneren Brennkammerschalen
müssen an der Trennebene„blind' ineinander geführt werden (kein Zugang für eine visuelle Kontrolle der Verbindungsebene, da diese von den
Brennkammer-Innenschalen abgedeckt ist). • Sie sollen keine axialen oder radialen Kräfte aufnehmen müssen.
• Sie können, müssen jedoch nicht, selbsttragend ausgeführt werden (keine Trägerstruktur).
• Sie müssen (grossen) axialen und radialen Bewegungsspielraum
aufweisen, insbesondere während transienter Betriebszustände.
• Sie müssen temperaturfest sein (Zeitstandfestigkeit/Dauerfestigkeit)
• Eigenschwingungen sollen nach Möglichkeit gedämpft werden (Abstützung der Schalen). Fig. 2 zeigt einen die Brennkammer umfassenden Ausschnitt einer beispielhaften Gasturbine mit Ringbrennkammer. Der Ausgang des Verdichters 12 mit seinem Leit- und Laufschaufeln ist hier auf der rechten Seite zu erkennen, auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich der Einlassbereich der Turbine 15 mit ihren Leit- und Laufschaufeln. Zwischen dem Verdichterausgang und dem
Turbineneinlassbereich befinden sich eine den Rotor 17 umgebende
Wellenabdeckung 25. Der Einlassbereich der Wellenabdeckung ist als Verdichter- Diffusor mit in Strömungsrichtung zunehmendem Strömungsquerschnitt gestaltet, durch den die verdichtete Luft in ein Plenum 18 strömt, welches die ringförmige Brennkammer 13 umgibt. Die Brennkammer 13 ist aufgebaut aus einer inneren Brennkammerschale 20a und einer äusseren Brennkammerschale 20b. Auf den jeweiligen Aussenseiten der Brennkammerschalen 20a,b sind mit Abstand innere bzw. äussere Kühlhemden 19a bzw. 19b angeordnet, die mit der zugehörigen Brennkammerschale jeweils eine innere Kühlluftführung 21 a und eine äussere Kühlluftführung 21 b bilden.
Durch diese Kühlluftführungen 21 a,b strömt Luft aus dem Plenum 18 in den vor der Brennkammer 13 liegenden Eingangsbereich, in welchem die eigentlichen Brenner 22 (im vorliegenden Fall so genannte Doppelkegelbrenner) angeordnet sind. Die durch die Kühlluftführungen 21 a,b herangeführte Luft tritt einerseits in die Brenner 22 ein und wird dort mit Brennstoff vermischt. Andererseits tritt Luft durch die Rückwand 23 der Brennkammer 13 direkt in die Brennkammer ein. Wichtig für einen störungsfreien Betrieb der Gasturbine ist der Fig. 2 mit einem punktierten Kreis und dem Bezugszeichen A markierte Übergangsbereich zwischen der Brennkammer 13 und der Turbine 15.
Innen- und Aussenschale der Brennkammer sind thermisch und mechanisch im Betrieb stark beansprucht. Die Material-Festigkeitseigenschaften der Schalen sind stark temperaturabhängig. Um diese Materialtemperatur unter dem maximal zulässigen Materialtemperaturniveau zu halten, werden die Schalenelemente - wie im Zusammenhang mit der Fig. 2 und den dort gezeigten Kühlhemden 19a,b bereits beschrieben - konvektiv gekühlt.
Formgebung und die thermische hohe Belastung nahe dem Turbineneintritt erfordern vor allem in diesem Bereich einen konstant hohen Wärmeübergang auch auf der Kühlluftseite. Beide Brennkammerschalen erreichen, bevor die Brennkammer gezündet wird, mindestens die Temperatur der Verdichterendluft. Sobald die Brenner gezündet werden, steigt die Metalltemperatur der beiden Brennkammerschalen weiter an.
Aufgrund der hohen Metalltemperatur der Brennkammerschalen dehnen sich die Schalen axial und radial aus (siehe Ausdehnungsrichtung 33 in Fig. 4). Diese Ausdehnung ist insbesondere an der Schnittstelle zum Eintritt der Turbine (Innen- und Aussenplattform der 1 . Leitschaufelreihe;) gut messbar. Diese Ausdehnung erfolgt kontinuierlich und über einen bestimmten Zeitraum, während des
Startprozesses und bei Laständerungen der Gasturbine. Der gleiche Prozess erfolgt rückläufig beim Abkühlen der Brennkammer (Schrumpfprozess).
In der Praxis hat sich nun herausgestellt, dass durch die gerade beschriebene Art und Konfiguration des Übergangs zwischen Brennkammer und Turbineneinlass unerwünschte Abnützungsspuren bzw. Abnützungen entstehen, die vermieden werden müssen. Durch den damit verbundenen Verschleiss während des Betriebs der Gasturbine wird die Funktionalität beeinträchtigt. Weiterhin wird auch die
Lebensdauer beeinträchtigt bzw. reduziert. Schliesslich ist auch ein Mehraufwand bei der Rekonditionierung der Maschine zu erwarten. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Es ist daher ein Aspekt der Erfindung, eine Gasturbine der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Nachteile der bisherigen Lösung vermieden und insbesondere die transienten Bewegungen der Brennkammerschalen besser aufgefangen und abgestützt werden. Die Erfindung geht von einer Gasturbine aus, welche einen Verdichter, eine ringförmige Brennkammer und eine Turbine umfasst, wobei die Brennkammer zur Einleitung der in der Brennkammer entstehenden heissen Gase in die
nachfolgende Turbine in einem Übergangsbereich mit einer Brennkammerschale den Turbineneinlass anschliesst. Um eine durch thermische Ausdehnung bedingte relative Bewegung zwischen Brennkammer und Turbineneinlass zu ermöglichen ist, weist die Brennkammer-Innenschale am Umfang verteilt angebrachte Abstützelemente auf. Durch die im Betrieb auftretende thermische Ausdehnung stossen diese Abstützelemente an eine konische Kontur an der Wellenabdeckung an und sich stützen sich daran ab.
Ein Aspekt der Erfindung ist eine konische Kontur, die mit der Maschinenachse einen Winkel einschliesst, der ein Aufgleiten der Brennkammer-Innenschale mit den Abstützelementen auf die konische Kontur ermöglicht. Neben der Gasturbine sind die Brennkammer-Innenschale und die
Wellenabdeckung für eine Gasturbine Gegenstand der Offenbarung.
Die Brennkammer-Innenschale umfast am Austrittsende auf der den Heissgasen abgewandten Seite am Umfang verteilt angebrachte Abstützelemente, die eine Anschrägung aufweisen, die im eingebauten Zustand parallel zu einer konische Kontur der Wellenabdeckung verlaufen. Die Anschrägung schliesst mit der Maschinenachse einen Winkel ein, der ein Aufgleiten der Abstützelementen der Brennkammer-Innenschale auf die konische Kontur der Wellenabdeckung ermöglicht.
Die Wellenabdeckung für eine Gasturbine weist am stromabwärtigen Ende auf der Aussenseite eine konische Kontur auf, die im eingebauten Zustand mit der Maschinenachse einen Winkel einschliesst. Dieser Winkel ermöglicht ein
Aufgleiten einer Brennkammer-Innenschale mit Abstützelementen auf die konische Kontur. Eine Ausgestaltung der Gasturbine zeichnet sich dadurch aus, dass die
Abstützelemente als radial abstehende, in axialer Richtung orientierte
Abstützplatten bzw. Finnen ausgebildet sind, dass die Abstützplatten bzw. Finnen eine der konischen Kontur gegenüberliegende und der konischen Kontur im Winkel entsprechende Abschrägung aufweisen und dass zwischen der konischen Kontur und der Abschrägung eine von Null verschiedene Einbautoleranz vorgesehen ist.
Eine andere Ausgestaltung der Gasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brennkammerschale bei ihrer thermischen Ausdehnung in eine
Ausdehnungsrichtung ausdehnt, die mit der konischen Kontur einen von Null verschiedenen Differenzwinkel einschliesst.
Insbesondere liegt der Differenzwinkel im Bereich zwischen 2° und 15°, vorzugsweise im Bereich zwischen 5° und 10°, insbesondere im Bereich zwischen 7° und 8° liegt, und beträgt der Winkel, den die konische Kontur mit der
Maschinenachse einschliesst, zwischen 20° und 30°, insbesondere zwischen 24° und 26°.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung liegt die Einbautoleranz im Bereich zwischen 1 mm und 10mm, vorzugsweise zwischen 2mm und 8mm, insbesondere zwischen 3mm und 4mm. Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenabdeckung aus Grauguss ist und die Abstützelemente aus einer
Nickelbasislegierung oder einem bevorzugt austenitisch ferritischer Stahl bestehen.
Eine noch andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Ringbrennkammer aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist, und dass pro Segment zwei Abstützelemente vorgesehen sind.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das stark vereinfachte Schaltschema einer Gasturbine;
Fig. 2 in einem Ausschnitt den Längsschnitt durch eine Gasturbine mit
Ringbrennkammer im Bereich der Brennkammer;
Fig. 3 in einer vereinfachten Darstellung die relative Bewegung zwischen
Brennkammer und Wellenabdeckung bzw. Verdichter-Diffusor aufgrund der thermischen Ausdehnung im Betrieb; Fig. 4 die Konfiguration des Ubergangsbereichs gemäss
Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 5 den Austrittsbereich der Brennkammer aus Fig. 4 in einer
perspektivischen Darstellung. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im eingangs beschriebenen Übergangsbereich A ist der Übergang zwischen der inneren Brennkammerschale 20a mit ihrem Kühlhemd 19a und der inneren Wand des Turbineneinlasses (26 in Fig. 4) nun so gestaltet, dass er eine durch thermische Ausdehnung bedingte relative Verschiebung zulässt und aufnimmt. Der Abstand zwischen beiden Komponenten wird strömungstechnisch durch plattenförmige Übergangselemente (30 in Fig. 4) überbrückt, die einerseits an der inneren Brennkammerschale 20a verschwenkbar gelagert sind und andererseits an ihrem freien Ende durch mit einer Druckfeder (28 in Fig. 4) beaufschlagte Andruckbolzen (27 in Fig. 4) so gegen die Aussenseite der inneren Wand des Turbineneinlasses 26 gedrückt werden, dass sie quer zur Achse des
Druckbolzens 27 verschiebbar sind. Auf diese Weise wird für die heissen Gase ein abgedichteter Übergang zwischen Brennkammer und Turbineneinlass verwirklicht, der eine relative Verschiebung beider Komponenten zueinander zulässt und ausgleicht.
Damit die Brennkammer während des Betriebs keine schädlichen Vibrationen ausführen kann, sind im Übergangsbereich Mittel vorgesehen, die eine Abstützung der Brennkammer an der Wellenabdeckung ermöglichen 25, wenn die mit dem Betrieb verbundene thermische Ausdehnung der Brennkammer ihren Abschluss gefunden hat. Diese Mittel umfassen eine Mehrzahl von radial abstehenden, in Achsenrichtung orientierten Abstützplatten (29 in Fig. 3, 4), die entlang dem inneren Umfang der inneren Brennkammerschale 20a angeordnet sind. Die Abstützplatten 29 weisen gleichzeitig Schwenklager (32 in Fig. 3) für die
verschwenkbaren Übergangselemente 30 auf.
Die Abstützplatten 29 haben jeweils eine Anschrägung (31 b in Fig. 4), die mit der Maschinenachse einen vorgegebenen Winkel α einschliesst (siehe Fig. 4). In einem Abstand d (Fig. 4) liegt dieser Anschrägung 31 b eine konische Kontur (31 a in Fig. 4) der Wellenabdeckung 25 gegenüber, die mit der Maschinenachse denselben Winkel α einschliesst. Wenn sich die Brennkammer beim Anfahren der Gasturbine thermisch ausdehnt, bewegt sich die innere Brennkammerschale 20a mit den daran angebrachten Abstützplatten 29 in der in Fig. 3 eingetragenen Ausdehnungsrichtung 33 auf die konische Kontur 31 a zu, bis schliesslich die beiden Flächen 31 a und 31 b gegeneinander gepresst werden.
Bei einer aktuellen Gasturbine wurden die relativen radialen und axialen
Bewegungen zwischen den Schnittstellenpartnern an der Schnittstelle zwischen Brennkammer und Turbineneintritt analysiert und es wurde dabei eine spezifische Gleitebene festgestellt. Diese spezifische Gleitebene wäre bei dieser Anwendung ca. 16°und wurde entsprechend im Design berücksichtigt (25°-Gleitebene).
Durch eine Simulation der transienten Bewegung im Brennkammerbereich mit Hilfe eines FE-Tools wurde ein spezifischer Gleitwinkel errechnet. Aufgrund der Wärmeausdehnungen entsteht eine zusätzliche Bewegung senkrecht zum
Gleitwinkel welche zur Festlegung des optimierten Spiels benutzt wird.
Für die verschiedenen Betriebszustände hat das FE-Tool einen Gleitwinkel von circa 15°-18° errechnet. Aufgrund dieser Ergebnisse hätte ein Gleitwinkel und somit auch ein Kontaktwinkel von weniger als 20° gewählt werden müssen. Unter Berücksichtigung des mechanischen Anspruches, dass nur eine Kontaktstelle pro Abstützplatte erwünscht ist (kein Flächenkontakt, nur Linienkontakt erwünscht) und die konische Vollrundschale nicht auch letztendlich wie eine Büchse auf einen konischen Keil auffährt und sich aufschrumpfen soll, wurde bewusst ein grösserer Winkel gewählt, in diesem Falle ein Winkel von 25°. Ein Ausführungsbeispiel der Konfiguration des Übergangs gemäss der Erfindung ist in Fig. 4 bzw. 5 wiedergegeben. Eine wichtige Rolle spielt bei der
Dimensionierung der Abstände und Winkel der Differenzwinkel Δα, den gemäss Fig. 3 die Ausdehnungsrichtung 33 bei thermischer Ausdehnung mit der
Anschrägung 31 b bzw. Gleitfläche einschliesst.
Δα sollte im Bereich von 2°-15°, bevorzugt im Bereich von 5°-10°, insbesondere im Bereich 7°-8°, liegen. Der Winkel α der Anschrägung 31 b mit der Maschinenachse liegt in diesem Fall zwischen 20° und 30° bevorzugt zwischen 24° und 26 °. Die Einbautoleranz bzw. der Abstand d liegen im Bereich 1 -10 mm, bevorzugt im Bereich 2-8 mm, insbesondere im Bereich 3-4 mm.
Die Einbautoleranz d ist dabei gleich dem Kaltspiel plus Fertigungstoleranz. Ein Kaltspiel ist erforderlich, weil die Teile sozusagen blind montiert werden.
Durch die Differenzwinkel Δα wandern die Bauteile beim Start der Gasturbine zusammen. Ein leichtes Andrücken ist erforderlich. Ein zu grosses Δα führt zum „Fressen" der Finnen. Ein zu kleiner Winkel Δα würde im Betrieb zu einem Spalt oder losem Aufliegen führen. Dies würde Vibrationen erlauben und ebenfalls zu Schäden führen.
Die angegebenen Grössen ergeben sich insbesondere für Gasturbinen der gezeigten Art, bei denen die Wellenabdeckung 25 aus Grauguss ist und das Material für die Finnen aus einer Nickelbasislegierung oder einem bevorzugt austenitisch ferritischer Stahl ausgewählt ist.
Für die segmentierte Ringbrennkammer sind dabei insbesondere pro Segment zwei Finnen bzw. Abstützplatten vorgesehen. Im Falle einer Überarbeitung einer bereits bestehenden Gasturbine (Retrofit) werden existierende Wellenabdeckungen auf den Winkel α nachgearbeitet und die alten Finnen werden durch neue Finnen mit dem Winkel α ersetzt. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Gasturbine
1 1 Lufteinlass
12 Verdichter
13 Brennkammer
14 Brennstoff
15 Turbine
16 Abgas
17 Rotor
18 Plenum
19a inneres Kühlhemd
19b äusseres Kühlhemd
20a innere Brennkammerschale
20b äussere Brennkammerschale
21 a innere Kühlluftführung
21 b äussere Kühlluftführung
22 Brenner (z.B. Doppelkegelbrenner)
23 Rückwand (Brennkammer)
24 Luft
25 Wellenabdeckung (Verdichter-Diffusor)
26 Turbineneinlass
27 Andruckbolzen
28 Druckfeder
29 Abstützplatte (Finne)
30 Übergangselement
31 a konische Kontur (Verdichter-Diffusor/Wellenabdeckung)
31 b Anschrägung (Abstützplatte)
32 Schwenklager
33 Ausdehnungsrichtung
A Übergangsbereich Brennkammer-Turbine
d Abstand (Einbautoleranz)
α Winkel (mit der Maschinenachse)
Δα Differenzwinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Gasturbine (10), umfassend einen Verdichter (12), eine ringförmige Brennkammer (13) und eine Turbine (15), wobei die Brennkammer (13) zur
Einleitung der in der Brennkammer (13) entstehenden heissen Gase in die nachfolgende Turbine (15) in einem Übergangsbereich (A) mit einer
Brennkammerschale (20a) an den Turbineneinlass (26) derart anschliesst, dass eine durch thermische Ausdehnung bedingte relative Bewegung zwischen
Brennkammer (13) und Turbineneinlass (26) möglich ist, und wobei die
Brennkammerschale (20a) mit am Umfang verteilt angebrachten
Abstützelementen (29) durch die im Betrieb auftretende thermische Ausdehnung (33) an eine konische Kontur (31 a) an der Wellenabdeckung(25) anstösst und sich daran abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Kontur (31 a) mit der Maschinenachse einen Winkel (a) einschliesst, der ein Aufgleiten der
Brennkammerschale (20a) mit den Abstützelementen (29) auf die konische Kontur (31 a) ermöglicht.
2. Gasturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Abstützelemente als radial abstehende, in axialer Richtung orientierte
Abstützplatten bzw. Finnen (29) ausgebildet sind, dass die Abstützplatten bzw. Finnen (29) eine der konischen Kontur (31 a) gegenüberliegende und der konischen Kontur (31 a) im Winkel entsprechende Anschrägung (31 b) aufweisen und dass zwischen der konischen Kontur (31 a) und der Anschrägung (31 b) eine von Null verschiedene Einbautoleranz (d) vorgesehen ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brennkammerschale (20a) bei ihrer thermischen Ausdehnung in eine
Ausdehnungsrichtung (33) ausdehnt, die mit der konischen Kontur (31 a) einen von Null verschiedenen Differenzwinkel (Δα) einschliesst.
4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Differenzwinkel (Δα) im Bereich zwischen 2° und 15°, vorzugsweise im Bereich zwischen 5° und 10°, insbesondere im Bereich zwischen 7° und 8° liegt, und dass der Winkel (a), den die konische Kontur (31 a) mit der Maschinenachse
einschliesst, zwischen 20° und 30°, insbesondere zwischen 24° und 26° beträgt.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbautoleranz (d) im Bereich zwischen 1 mm und 10mm, vorzugsweise zwischen 2mm und 8mm, insbesondere zwischen 3mm und 4mm, liegt.
6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenabdeckung (25) aus Grauguss ist und die Abstützelemente (29) aus einer Nickelbasislegierung oder einem 18/10-Cr-Ni-Stahl bestehen.
7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringbrennkammer (13) aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist, und dass pro Segment zwei Abstützelemente (29') vorgesehen sind.
8. Brennkammer-Innenschale (20a) für eine Gasturbine (10) die am
Austrittsende auf der den Heissgasen abgewandten Seite am Umfang verteilte Abstützelemente (29) umfast, die eine Anschrägung (31 b) aufweisen, die im eingebauten Zustand parallel zu einer konische Kontur (31 a) einer
Wellenabdeckung (25) verläuft und mit der Maschinenachse einen Winkel (a) einschliesst, der ein Aufgleiten der Abstützelementen (29) der Brennkammer- Innenschale (20a) auf die konische Kontur (31 a) der Wellenabdeckung (25) ermöglicht.
9. Wellenabdeckung (25) für eine Gasturbine (10), die am stromabwärtigen Ende auf der Aussenseite eine konische Kontur (31 a) aufweist, die im
eingebauten Zustand mit der Maschinenachse einen Winkel (a) einschliesst, der ein Aufgleiten einer Brennkammer-Innenschale (20a) mit Abstützelementen (29) auf die konische Kontur (31 a) ermöglicht.
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