DE2258719A1

DE2258719A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2258719A1
Application number: DE19722258719
Authority: DE
Inventors: Leroy D Mclaurin; Augustine J Scalzo
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-12-09
Filing date: 1972-11-30
Publication date: 1973-06-14
Also published as: JPS5112763B2; CA961654A; JPS4864310A; US3759038A; CH561358A5; GB1355728A

Description

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W. 591

Augsburgs den 30· November 1-972

Westinghouse Electric Corporation^, Westinghouse Building^ Gateway Center,, Pittsburgh^, Allegheny County₅ Pennsylvania^ 15222^ VoSt₀A₀

Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem eine Druckkammer bildenden Turbinengehäuse^ einer Turbinenstufe mit einem Leitschaufelkranz und einem Tu^binenrotor mit einem Laufschaufelkrang* ferner mit tiindestens einer innerhalb des Druckraums angeordneten Brennkammer, die heiße Treibgase erzeugt und mit ihrem stroraaufseitigen Ende am Gehäuse

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befestigt ist, und mit mindestens einem Verbindungsteil, dessen stromaufseitiges Ende mit dem stromabseitigen Ende der Brennkammer und dessen stromabseitiges Ende mit der Turbinenstufe verbunden ist und die Treibgase in die Turbinenstufe hineinleitet.

Gegenwärtige Gasturbinen mit großer Leistungsfähigkeit erfordern ständig größer werdende Betriebstemperaturbeständigkeit, um die Betriebskosten so klein wie möglich zu halten und mit dem verbrauchten Brennstoff die größtmögliche Nutzleistung zu erzielen. Bei derartigen Turbinen müssen sich die Halte- und Dichtungskonstruktionen der Brenneinrichtung höheren Temperaturen anpassen können, ohne ihnen zugeordnete Komponenten überzubeanspruchen. Bekannte Einrichtungen dieser Art gestatten entweder nicht die erforderlichen Wärmebewegungen ohne unerwünschte thermische Beanspruchungen oder sie verwenden Stützwandungen, welche die vorteilhaften Kühlwirkungen der aus dem Verdichter kommenden Luft zunichte machen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Brenneinrichtung einer Turbine der eingangs dargelegten allgemeinen Art so auszubilden, daß Wärmedehnungsbewegungen

Il

der Brennkammer und des Verbindungsteils bei möglichst kleinen Feder- und Reibungswiderständen möglich sind.

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Ira Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Gasturbine gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil mit seinem stromaufseitigen Ende teleskopartig mit dem stromabseitigen Ende der Brennkammer gekuppelt und zum Zwecke der Begrenzung axialer Bewegungen mit seinem stromabseitigen Ende mit dem Leitschaufelkranz verbunden ist, und daß das Verbindungsteil gleitend mittels einer am Gehäuse befestigten Haltekonstruktion gelagert ist, welche achsparallele Bewegungen des Verbindungsteils ermöglicht und achssenkrechte Bewegungen desselben verhindert.

Vorzugsweise wird das Verbindungsteil von einem Y-förmigen Joch getragen, dessen Fuß am Verdiehterdiffusorgehäuse befestigt ist und dessen auseinanderstrebende Arme das Verbindungsteil eingabein. Dieses Joch verhindert eine Bewegung des Verbindungsteils in einer achssenkrechten Ebene, ermöglicht jedoch eine achsparallele Bewegung desselben.

Eine bevorzugte Aus'führühgsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen

Teil einer Axialgasturbine mit

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einer Brenneinrichtung nach der Erfindung,

Pig. 2 . einen vergrößerten, in der

Ebene II-II in Fig. 1 verlaufenden Querschnitts, der drei Verbindungsteile mit den jeweils dazugehörigen Haltekonstruktionen zeigt,

Fig. 3 einen noch weiter vergrößerten

Querschnitt ähnlich Fig. 2, der jedoch nur ein Verbindungsteil zeigt,

Fig. 4 einen gemäß der in Fig. 3 einge

zeichneten Schnittlinie IV-IV verlaufenden Schnitt, der einen der Gabelköpfe einer Haitekonstruktion zeigt,

Fig. 5 einen vergrößerten Axialschnitt,

der das Mundstück bzw. das stromabseitige Ende eines Verbindungstelies und seine Befestigungskonstruktion zeigt,

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Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der

Mundstücke zweier benachbarter Verbindungsteile,

Fig. 7 einen Axial-Halbschnitt einer der

mansehettenartigen Federn nach der Erfindung^ und

Fig. 8 einen Ausschnitte der die

Dichtung wirkende zwischen der Brennkammer und dem Verbindungsteil eingebaute Feder zeigt«,

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt des mittleren Teils einer Gasturbine 10 mit einer Brenneinrichtung" nach der Erfindung. Bei der Gasturbine 10 handelt es sich um eine bekannte Axialturbine mit einem mehrstufigen Axialverdichter 12, einer Axialturbine 14 und einer.Brenneinrichtung l6_e

Die Turbine 14 weist mindestens eine Turbinenstufe mit einem Leitschaufelkranz, dessen Leitschaufeln 18 in, einem Schaufelkranzring 20 angeordnet sind, und einen Turbinen» rotor 22 mit einem Laufschaufe!kranz 21 auf.

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Der Verdichter 12 weist eine Vielzahl von Verdichterstufen auf, wobei jede Verdichterstufe aus einem auf einem Rotor 25 angeordneten Laufschaufelkranz 24 und einem in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Leitschaufelkranz besteht.

Der Verdichterrotor 25 steht über eine Welle 28 mit dem Turbinenrotor 22 in Triebverbindung.

Die Brenneinrichtung 16 besteht aus einer Vielzahl von Brennkammern 30 und diesen jeweils zugeordneten Verbindungsteilen 31, welch letztere als ringförmige Anordnung die Welle konzentrisch umgeben. Die Brennkammern 30 sind in einer Druckkammer 32 angeordnet, deren äußere Wandung durch das äußere Gehäuse mit einem mittleren rohrförmigen Gehäuseteil 33 und jeweils einem stromauf bzw. stromab desselben gelegenen Gehäuseteil 34 und 35 gebildet ist. Die innere Wandung der Druckkammer ist im allgemeinen durch die Verdichtergehäuseteile 36 und 37 sowie durch eine rohrförmige Verkleidung 39» 40, 41 gebildet, welche sich vom Verdichtergehäuse 36 zum Leitschaufelkranzring 20 hin erstreckt. Die Verkleidung 39* 40, 41 umgibt die Welle 28 und ist mit ihren stromaufseitigen Ende über den in Strömungsrichtung letzten Leitschaufelkranz am Verdichtergehäuse 36 und mit ihrem stromabseitigen Ende

über einen ringförmigen Flansch 42 am Leitschaufelkranzring befestigt.

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Das Verkleidungsteil J59 bildet zusammen mit dem Verdiehtergehäuseteil yj einen Diffusor, der einen in der mit dem Pfeil A angedeuteten Strömungsrichtung der aus dem Verdichter in die Druckkammer 32 strömenden Luft divergierenden Strömungskanal 45 aufweist.

Eine Vielzahl von Brennkammern 30 und jeweils denselben zugeordneten Verbindungsteilen Jl ist mit jeweils gleichen gegenseitigen Abständen ringförmig angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist; da die Brennkammern und die Verbindungsteile jedoch alle im wesentlichen gleich sind, wird nachstehend jeweils nur eines dieser Teile beschrieben.

Die am besten in Fig. 1 sichtbare Brennkammer 30 ist als stufenförmige Konstruktion ausgeführt, bei der eine Vielzahl zylindrischer Büchsen 44a bis 44f mit abgestuftem Durchmessern axial gestaffelt und jeweils teleskopartig miteinander verbunden sind und dadurch einen Brennraum 45 bilden, in welchen Brennstoff von einer geeigneten, nicht gezeichneten Brennstoffquelle durch eine geeignete Brennstoffeinspritzvorrichtung 46 eingespritzt und durch eine Zündvorrichtung 47 gezündet wird. "

Zur Unterhaltung der Brennstoffverbrennung wird verdichtete Primärluft aus der Druckkammer 32 durch eine Vielzahl von öffnungen 48 in den Büchsen 44a und 44b in den Brennraum

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eingeleitet, Zusätzlich wird Sekundärluft durch eine Vielzahl von öffnungen 49 in der in Strömungsrichtung letzten Büchse 44f zugeführt, um die heißen Verbrennungsgase auf eine Temperatur abzukühlen, welcher die heißen Teile der Turbine 14 sicher standhalten können.

Das stromabseitige Ende 51 der in Strömungsrichtung letzten Brennkammerbüchse 44f ragt teleskopartig in das stromaufseitige Enstück 52 des Verbindungsteils 31 hinein. Dieses Endstück 52 teilt sich in zwei halbzylindrische Teile 52a und 52b, die an diametral aneinander gegenüberliegenden Stellen jeweils an ihren Flanschen 53a und 53b mittels geeigneter Schrauben miteinander verschraubt sind.

Wie am besten aus den Fig. 1 und 8 ersichtlich ist, weist das BUchsenendstück 51 einen kleineren Durchmesser als das Verbindungsteilendstück auf und liegt lose in dem letzteren. Gemäß Fig. 8 ist eine ringförmige manschettenartige Feder 55 mit einem inneren, aus Segmenten bestehenden Federteil 56 und einem äußeren, ebenfalls aus Segmenten bestehenden Federteil mit ihrem einen Ende 58 am Büchsenendstück 5I befestigt, während das andere Federende federnd an der Innenwandung des Endstückes 52 des Verbindungsteiles anliegt. Die Segmente 57a des äußeren Federteils 57 sind jeweils in Umfangsrlchtung mit den Segmenten 56a des inneren Federteils versetzt angeordnet,

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so daß im Betrieb zwischen dem Verbindungsteil 31 und der Brennkammer 30 eine in Umfangsrlchtung verlaufende Dichtung gebildet ist.

Am Büchsenendstück 51 ist ein Anschlagring 59 mit einem am Umfang radial vorspringenden Flanschteil 60 radial gegenüber dem freien Ende der manschettenartigen Feder befestigt und weist bei normalem Betriebszustand zu dieser Feder einen radialen Abstand auf. Der Anschlagring 59 ist so dimensioniert, daß sich der innere Federteil 56 an den Flanschteil 60 anlegen kann und dadurch die Durchbiegung der Federteile 56 und 57 während des Zusammenbaus begrenzt und die manschettenartige Feder gegen übermäßige Federbeanspruchungen geschützt wird.

Die freien Enden βΐ der äußeren Federsegmente 57a sind, radial einwärts gebogen und stehen axial über den Flanschteil βθ des Anschlagringes 59 über, so daß, falls eines der Segmente 56a und 57a von der Feder abbricht, verhindert wird, daß das abgebrochene Segment in das Verbindungsteil 3I gelangt und vom Treibgasstrom mitgerissen wird. Genauer gesagt, falls ein äußeres Segment 57a abbricht, so kann sich das gebogene Ende 6l dieses Segmentes nicht in Strömungsrichtung bewegen, da es am Flanschteil 60 des Anschlagringes 59 anstößt. Falls ein inneres Segment 56a abbricht, so wird es durch die äußeren Segmente 57a zurückgehalten, an denen es anliegt. Infolgedessen

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können abgebrochene Segmente 56a und 57a die Turbinenschaufeln nicht beschädigen.

Die aus der Brennkammer 30 und dem Verbindungsteil j51 bestehende Anordnung wird in der Mitte durch eine Haltekonstruktion 63 unterstützt. Diese Haltekonstruktion weist ein Y-förmiges Joch 64 mit zwei, mit gegenseitigem Abstand angeordneten auseinanderstrebenden Armen 65 und einem in der Mitte zwischen diesen beiden Armen befestigten Fußteil 66 auf. Das Fußteil 66 erstreckt sich mit Bezug auf die Turbinenachse radial nach innen und weist zwei Befestigungsfüße 67 und 68 auf, die mit gegenseitigem axialem Abstand und bezüglich der Turbinenachse auf verschiedenen Radien angeordnet sind. Der Befestigungsfuß 67 ist am Verdichterauslaßgehäuseteil befestigt, während der Befestigungsfuß 68 durch den Diffusorkanal 43 hindurchragt und an den Verkleidungsteil 4l befestigt ist.

Gemäß Fig. 3 umgreifen die Arme 65 des Joches 64 etwa ein Viertel des Umfangs des Verbindungsteils und sind über zwei jeweils an den Armen 65 angebrachte Gabelköpfe 70 am Verbindungsteil befestigt. Die beiden Gabelköpfe sind einander im wesentlichen gleich und weisen jeweils ein U-förmiges, am Verbindungsteil 31 befestigtes Bügelteil 71 und ein ebenfalls U-förmiges, am entsprechenden Arm 65 rechtwinklig zum

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Bügelteil 71 befestigtes Schlitzteil 72 auf. Das Schlitzteil 72 umgreift mit seinem Schlitz 73 den mittleren Teil des Bügelteils 71 und gleitet auf demselben. Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, ermöglicht der Gabelkopf 70 achsparallel Verbindungsteilbewegungen. Wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht, verhindern oder beschränken zumindest die Gabelköpfe jede Bewegung des Verbindungsteils in einer zur Achse T des Verbindungsteils 31 senkrechten Ebene.

Das Verbindungsteil 31 geht in an sich bekannter Weise von einem kreisförmigen Querschnitt am stromaufseitigen Ende 52, wo es dem ebenfalls kreisförmigen Querschnitt der Brennkammer 30 angepaßt ist, in einen rechteckigen Querschnitt an seinem stromabseitigen Ende J6 über. Wie am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist, in welcher zwei benachbarte Verbindungsteilmundstücke dargestellt sind, bestehen diese Mundstücke ¹JS jeweils aus zwei in'Umfangsrichtung mit gegenseitigem Abstand angeordneten radialen Wandungen 77 und 78 sowie aus zwei mit radialem Abstand angeordneten inneren und äußeren gekrümmten Wandungen 79 und 80.

Die radialen Wandungen 77 sind jeweils mit drei parallelen Rippen 77a und die radialen Wandungen 78 jeweils mit zwei parallelen Rippen 78a versehen. Die benachbarten

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Mundstücke 76 sind eng nebeneinander angeordnet und die Rippen 77a und 78a an einander gegenüberstehenden Wandungen 77 und 78 weisen jeweils solche gegenseitige Abstände auf, daß sie eine achsparallele Verzahnung bilden.

Die inneren und äußeren gekrümmten Wandungen 79 und sind gemäß Fig. 5 und 6 jeweils mit genuteten Teilen 79a und 80a versehen, welche mit entsprechenden Planschringen und 83 zusammenwirken, welch letztere durch den Plansch der Verkleidung bzw. den Schaufelkranzring 20 gehalten werden.

Das Mundstück 76 des Verbindungsteils wird in eingebautem Zustand durch ein an der gekrümmten Wandung 80 beispielsweise durch Schweißen befestigtes Halteblech 85 gehalten, welches durch geeignete Schrauben 86 am Schaufelkranzring 20 angeschraubt ist.

Die Brenneinrichtung 16 besteht also aus den Brennkammern 30 und den denselben jeweils zugeordneten Verbindungsteilen 31* welche sich im Betrieb infolge der Wärmedehnung ausdehnen und sich relativ zueinander und relativ zu ihrer Verankerung bei kleinstmöglichen thermischen Beanspruchungen, Verwerfungen und Beschädigungen verschieben können.

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Genauer gesagt, gestatten die Gabelk.öpfe 70 eine freie Axialbewegung der Verbindungstelle 31 in Richtung auf das Gehäuseteil 34 und/oder auf den Schaufelkranzring 20 zu. Die Mundstücke 76 der Verbindungsteile 31 sind in der oben beschriebenen Weise an dem Schaufelkranz ring 20 befestigt, so daß Wärmedehnungen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung möglich sind, während Jedoch ein Auslecken des heißen Treibgases weitgehend verhindert wird.

Zusätzlich werden die Verbindungsteile J>\ und die Brennkemmern 30 an ihren jeweils freien Enden durch die Haltekonstruktionen 63 fest und zuverlässig unterstützt, und die Brannkammern und die ihnen jeweils angeordneten Verbindungsteile 31 sind jeweils durch die erfindungsgemäße. Jeweils aus der manschettenartigen Feder 55 und dem Ans tragring 59 bestehende Anordnung freibeweglich und trotadem dicht miteinander verbunden.

Claims

Patentansprüche

(l.JGasturbine mit einem eine Druckkammer bildenden Turbinengehäuce, einer Turbinenstufe mit einem Leitschaufelkranz und einem Turbinenrotor mit einem Laufschaufelkranz, ferner mit mindestens einer innerhalb der Druckkammer angeordneten Brennkammer, die heiße Treibgaee erzeugt und mit ihrem stromaufseitigen Ende am Gehäuse befestigt ist, und mit mindestens einem Verbindungsteil, dessen stromaufseitige« Ende mit dem stromabseitigen Ende der Brennkammer und dessen stromabseitiges Ende mit der Turbinenstufe verbunden ist und die Treibgase in die Turbinenstufe hineinleitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (31) mit seinem stromaufseitigen Ende teleskopartig mit dem stromabseitigen Ende der Brennkammer (30) gekuppelt und zum Zwecke der Begrenzung axialer Bewegungen mit seinem 3tromabseitigen Ende mit dem Leitschaufelkranz (20) verbunden i3t, und daß das Verbindungsteil gleitend mittels einer am Gehäuse befestigten Haltekonstruktion (63) gelagert ist, welche achsparallele Bewegungen des Verbindungsteils ermöglicht und achssenkrechte Bewegungen desselben verhindert.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch Gekennzeichnet,

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daß zwischen den teleskopartig miteinander verbundenen Enden des Verbindungsteils (31) und der Brennkammer (30) eine manschettenartige ringförmige Feder (55) angeordnet ist, welche einen aus Segmenten bestehenden Federteil (57) aufweist, dessen Segmente in Umfangsrichtung derart miteinander verbunden sind, daß sie im Betrieb eine Dichtung zwischen dem Verbindungsteil und der Brennkammer darstellt.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Feder (55) mit ihrem einen Ende an einem der beiden teleskopartig miteinander verbundenen Enden des Verbindungsteiles (31) und der Brennkammer (30) befestigt ist und mit ihrem anderen Ende in dem jeweils anderen der teleskopartig miteinander verbundenen Enden gleitet, und daß eines der beiden teleskopartig miteinander verbundenen Teile einen ringförmigen, radial vorspringenden und mit Abstand zur Feder angeordneten Anschlag (59, 60) aufweist, an welchen sich die Feder nach einer bestimmten Durchbiegung anlegt.
4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekonstruktxon (63) ein Joch (64) mit zwei mit gegenseitigem Abstand angeordneten Armen (65) aufweist, und daß das Verbindungsteil (31) in

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dem zwischen den beiden Armen gebildeten Zwischenraum gelegen ist.
5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekonstruktion (63) einen Gabelkopf (70) mit einem Bügelteil (71) und einem Schlitzteil (72) aufweist und daß eines dieser Gabelkopfteile am Verbindungsteil (31) befestigt ist und auf dem jeweils anderen Gabelkopfteil gleitet.
6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (31) jeweils ein gekrümmtes Mundstück (76) mit, mit umfangsmäßigen Abstand angeordneten radialen Wandungen (77, 78) aufweisen, die mindestens teilweise einen Auslaß für die Treibgase bilden, und daß diese radialen Wandungen derart angeordnete radiale Rippen (77a) aufweisen, daß die Mundstücke einander benachbarter Verbindungsteile miteinander verkeilt sind.
7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mundstücke (76) jeweils mit gegenseitigem radialem Abstand angeordnete gekrümmte Wandungen (79, 80) aufweisen, die mit den radialen Wandungen (77, 78) zusammenwirken

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und den Treibgasauslaß bilden, und daß die gekrümmten Wandungen zum Zwecke der Befestigung des Mundstückes am Leitschaufelkranz (20) mit Rillen versehene Teile (80a) aufweisen.

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