DE69523545T2

DE69523545T2 - Verstärkungrahmen für Gasturbinenbrennkammerendstück

Info

Publication number: DE69523545T2
Application number: DE69523545T
Authority: DE
Inventors: Rodger Orval Anderson; John Eugene Barnes; Charles Evan Steber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2015-12-01
Also published as: JPH08261017A; JP3727987B2; DE69523545D1; EP0718468A1; EP0718468B1; US5761898A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf strukturelle Gasturbinen-Haltesysteme mit hohen thermischen Gradienten kombiniert mit hohen mechanischen Belastungen, die potenziell unzulässig hohe Beanspruchungswerte erzeugen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Neukonstruktion von dem hinteren Ende des Übergangsstückes von einer Gasturbine.
Das Übergangsstück in einer Gasturbine ist ein rohrförmiges Teil mit einer Verbundform, das üblicherweise einen Brenner des Verbrennungssystems mit der ersten Stufe der Turbine verbindet. Bei üblichen Systemen ist die hintere Befestigung des Übergangsstückes, durch die das Verbindungsstück mit der Turbinenstufe verbunden ist, an dem Übergangsstückkörper stromaufwärts von dem hinteren Endrahmen angeschweißt und steht von diesem vor.
Ein gut bekanntes Problem mit dem Gasturbinen-Übergangsstück ist die Tendenz für die Öffnung des hinteren Endes, in Richtung auf den geschlossenen Zustand auszulenken aufgrund von Kriechen bei hohen Metalltemperaturen. Diese unerwünschte Auslenkung wird durch höheren Druck auf das Äußere als auf das Innere des rohrförmigen Übergangsstückes hervorgerufen. Es sei daran erinnert, dass das hintere Ende des Übergangsstückes auf einen ringförmigen Sektor übergehen muss, um heißes Verbrennungsgas von dem Brenner zur Turbine zu leiten. Diese Ringgeometrie ist von Natur aus schwach gegenüber externer Druckbelastung. Die Kriecherscheinung ist eine der Konstruktionseinschränkungen, die die minimale Anzahl von Brennern und maximale Gastemperatur für die Gasturbine bestimmen. Eine zusätzliche Konstruktionseinschränkung ist die Ermüdungsrissbildung durch thermische Beanspruchung des Übergangsstückes.
In US-A-5,414,999 ist ein integraler Verstärkungsrahmen an dem hinteren Ende von dem Übergangsstück gebildet. Dieser verdickte Rahmen enthält die Befestigungs-Hardware zum Befestigen des Übergangsstückes an der Turbinenstufe. Es wurde jedoch gefunden, dass die Maßnahme, einfach die Wand des hinteren Endrahmens dicker zu machen, thermische Beanspruchungen vergrößert und die betriebliche Lebensdauer des Teil nicht verlängert.
Es wird nun auf die Fig. 1-3 Bezug genommen, in denen ein übliches Übergangsstück 10 mit einem integralen hinteren Rahmen 12 dargestellt ist. Der integrale Rahmen weist eine bis drei oder mehr Rippen auf und enthält, wie gezeigt, zwei aufrecht stehende Umfangsrippen 14,16 (Fig. 3), die sich um die hintere Endöffnung von dem Übergangsstück herum erstrecken. Befestigungs-Hardware 18 ist stromaufwärts von dem Rahmen angeordnet, kann aber gemäß US-A-5,414,999 mit dem Rahmen integriert sein. Die Rippen 14,16 dienen drei Funktionen:
1. strukturelle Versteifung des hinteren Endes, das aufgrund der geometrischen Ringform schwach ist beim Widerstehen des Außendruckes auf das Übergangsstück,
2. Befestigung für Labyrinth-Dichtungen und
3. vergrößerte Kühloberfläche.
Aufgrund der Aufnahme der Rippen bestehen jedoch große thermische Gradienten in den Rippen, wodurch große thermische Beanspruchungen hervorgerufen werden. Weiterhin bewirkt jede Vergrößerung in der Biegefestigkeit der Rippen (d. h. Widerstandsmoment der Rippe), um der Druckbelastung besser zu widerstehen, eine Vergrößerung in der thermischen Beanspruchung. Demzufolge begrenzt die maximale zulässige thermische Beanspruchung das Widerstandsmoment der Rippe, das seinerseits die Umfangsspanne von dem Übergangsstück begrenzt (d. h. die Anzahl von Brennern für eine gegebene Metalltemperatur). Gegenwärtige Konstruktionen verwenden die tiefste Rippe, die nicht reißt aufgrund von thermischer Ermüdung, während die Rippenbreite durch Wärmeübertragungs- und Dichtungsbetrachtungen begrenzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Übergangsstück für eine Gasturbine geschaffen, wie es in Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche spezifiziert ist.
Die hier beschriebene Erfindung beinhaltet, in allgemeinen Worten, eine Befestigung eines Strukturrahmens am hinteren Ende von dem Gasturbinen-Übergangsstück. Dies hat den Vorteil, dass es in der Lage ist, die Druckbelastung aufzunehmen, die anderenfalls bewirken würde, dass die hintere Öffnung des Übergangsstückes aufgrund von Kriechdeformation in Schließrichtung ausgelenkt wird, während die unerwünschten hohen thermischen Beanspruchungen nicht erzeugt werden, die durch Rippenversteifungen oder vergrößerte Wanddicke bewirkt werden.
Genauer gesagt, schafft in einem Ausführungsbeispiel die Erfindung einen äußeren Rahmen zum Umgeben des hinteren Endes des Übergangsstückes mit Befestigungen an dem integralen Rahmen des Übergangsstückes an den radial inneren und äußeren Mittelspannenstellen, wodurch es dem Druck widersteht, der die Tendenz hat, die hintere Öffnung in Schließrichtung zu drücken. Dieser äussere Rahmen ist von dem heißen Verbrennungsgas isoliert und arbeitet somit bei einer viel tieferen Temperatur als das Übergangsstück selbst.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind zwei Haltestäbe entlang den radial äußeren bzw. radial inneren Seiten von einem integralen hinteren Endrahmen befestigt. In jedem Fall ist der Haltestab an dem hinteren Endrahmen an einer Mittelspannenstelle durch eine Klemme befestigt, während der Stab an entfernten Enden lediglich in Sätteln in einem vorgespannten Zustand gehalten ist, so dass eine nach außen gerichtete Kraft (weg vom Inneren des Übergangsstückes) auf die entsprechenden radial inneren und äußeren Wände ausgeübt wird, um dem nach innen gerichteten Gasdruck während des Betriebs entgegen zu wirken. Weiterhin ist durch einfaches Halten (im Gegensatz zum Klemmen) der Stäbe in Sätteln an ihren entsprechenden entfernten Enden das Übergangsstück frei, sich während des Betriebs thermisch auszudehnen.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Haltestab über der radial inneren Seite von dem hinteren Ende in der Art und Weise verwendet, wie es vorstehend gerade beschrieben worden ist, aber die radial äußere Seite von dem hinteren Ende ist mit axial verlaufenden Stiften versehen, die an der Mittelspannenstelle und an den entfernten Enden angeordnet sind. Diese Stifte sind so gestaltet, dass sie in einem Mittelloch bzw. zwei Endschlitzen aufgenommen werden, die in einem Düsenhalterungsring der Turbinenstufe ausgebildet sind. Genauer gesagt, wird der Mittelstift des Übergangsstückes in einem komplementären Loch in dem Halterungsring aufgenommen, während die äußeren Stifte in Längsschlitzen in dem Halterungsring aufgenommen werden, wodurch wiederum dem Übergangsstück gestattet wird, sich bei Verwendung thermisch auszudehnen.
In einem vierten Ausführungsbeispiel ist die radial innere Seite von dem hinteren Ende des Übergangsstückes verstärkt durch einen Haltestab (Material mit rechteckigem Querschnitt), der an der Mittelspanne an dem Rahmen des Übergangsstückes festgeklemmt ist und an seinen gegenüber liegenden Enden mit Vertiefungen versehen ist, um Sättel aufzunehmen, die von dem Übergangsstück vorstehen.
Somit bezieht sich die Erfindung gemäß ihren breiteren Aspekten auf ein allgemein rohrförmiges Übergangsstück für eine Verbindung zwischen einem Gasturbinenbrenner und einer Stufe von der Gasturbine, wobei das Übergangsstück ein stromaufwärtiges Ende zur Verbindung mit dem Gasturbinenbrenner und ein stromabwärtiges oder hinteres Ende zur Verbindung mit der Turbinenstufe hat, wobei das hintere Ende durch obere und untere Seiten gebildet ist und wobei das hintere Ende mit einer Umfangsrippe versehen ist, die sich um das Ende herum erstreckt, und dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der oberen und unteren Seiten einen Rahmen hat, der an der Umfangsrippe befestigt ist.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von einem üblichen Übergangsstück einer Gasturbine ist, das einen hinteren Endrahmen und Befestigungs-Hardware enthält, die stromaufwärts von dem hinteren Endrahmen angeordnet ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht von dem hinteren Endrahmenabschnitt des in Fig. 1 dargestellten Übergangsstückes ist;
Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine Vorderansicht von dem hinteren Endrahmen von einem Übergangsstück gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5 eine Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4 ist;
Fig. 6 ein Teilschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 4 ist;
Fig. 7 ein Teilschnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 4 ist;
Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht von einem Gasturbinen- Übergangsstück gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 9 eine Vorderansicht von dem hinteren Endrahmen von dem in Fig. 8 dargestellten Übergangsstück ist;
Fig. 10 eine perspektivische Teilansicht von dem hinteren Ende des Übergangsstückes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 11 eine Seitenansicht von einem Gasturbinen-Übergangsstück und einer zugeordneten Turbinenstufe gemäß dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist;
Fig. 12 ein Teilschnitt entlang der Linie 12-12 in Fig. 11 ist;
Fig. 13 eine Teilvorderansicht von einem Gasturbinen-Übergangsstück gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht von dem hinteren Endrahmen des in Fig. 13 dargestellten Übergangsstückes ist.
Es wird nun auf die Fig. 4 bis 7 Bezug genommen, in denen eine neue Konstruktion von dem hinteren Ende eines Übergangsstücke gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist.
Das im allgemeinen rohrförmige Übergangsstück 20 ist mit einem hinteren Endrahmen 22 versehen, der eine aufrecht stehende Umfangsrippe 24 neben dem stromabwärtigen Rand 26 von dem hinteren Endrahmen aufweist. Der hintere Endrahmen 22 und die aufrechte Rippe 24 führen vollständig um die hintere Endöffnung 28 herum. Ein äußerer Rahmen 30 umgibt ebenfalls die Öffnung 28 des hinteren Endrahmens und ist an der aufrechten Rippe 24 des Übergangsstückes befestigt, wie es nachfolgend beschrieben wird. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird die untere Seite von dem hinteren Ende des Übergangsstückes, wie es in den Figuren dargestellt ist, als die radial innere Seite betrachtet, während die obere Seite als die radial äußere Seite relativ zu einer horizontalen Längsachse des Turbinenrotors betrachtet wird, um die herum die Brenner und zugeordneten Übergangsstücke angeordnet sind.
Die Rippe 24 ist mit einem Befestigungsflansch 32 versehen, der sich in stromaufwärtigen und stromabwärtigen Richtungen von der Rippe 24 erstreckt, aber nur an einem Mittelspannenstelle von der radial äußeren Seite 24a der Rippe 24. Hier ist der Rahmen 30 an der Rippe 24 und dem Flansch 32 durch eine Klemme 34 und ein Paar zugeordneter Bolzen (nicht gezeigt) befestigt, die durch ein Paar fluchtend ausgerichteter Bolzenlöcher 36,38 hindurch führen (ein Paar ist in Fig. 5 gezeigt). Der Flansch 32 ist in passenden Vertiefungen 40,42 aufgenommen, die in dem Rahmen 30 bzw. der Klemme 34 ausgebildet sind.
Zur gleichen Zeit ist die radial innere Seite 24b der Rippe 24 mit einem nach vorne vorstehenden Haken 44 versehen, der in einer passenden Vertiefung 46 aufgenommen ist, die in dem Rahmen 30 in dem Mittelspannenbereich der inneren Seite 24b der Rippe 24 gebildet ist.
Die übrige Umfangsfläche von dem äußeren Rahmen 30 hat einen Querschnitt, wie er in Fig. 7 gezeigt ist, und gibt somit Raum für eine thermische Expansion. Übliche Labyrinth-Dichtungen 48 des Flächentyps können zwischen dem Übergangsstück und der Turbinendüse der ersten Stufe verwendet werden, aber es sind ebenso gut andere Dichtungsanordnungen denkbar. In jedem Fall ist eine gewisse Strömung von Luft ähnlich der Menge, die gegenwärtig durch die Dichtungen leckt, in dem Spalt zwischen der Rippe 24 des Übergangsstückes und dem äußeren Rahmen 30 erforderlich.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel vergrößert die Biegefestigkeit von dem hinteren Ende des Übergangsstückes, ohne notwendigerweise auch die thermischen Beanspruchungen zu vergrößern, die mit einer Rippenversteifung oder einer vergrößerten Wanddicke verbunden ist. Die Klemmanordnung nur an der Mittelspanne der radial äußeren Seite 24a zwängt alle Freiheitsgrade zwischen dem Übergangsstück 20 und dem äußeren Rahmen 30 ein. Die radial innere Verbindung entlang der Seite 24b sorgt für eine Einzwängung nur zwischen radialen Freiheitsgraden des Verbindungsstückes 20 und dem äußeren Rahmen 30. Zur gleichen Zeit ist der Rahmen 30 trotzdem gegenüber den heißen Verbrennungsgasen isoliert. Als eine Folge arbeitet der Rahmen 30 bei einer viel niedrigeren Temperatur als das Übergangsstück 20 und ist somit keiner Kriechverformung ausgesetzt. Darüber hinaus kann sich das heiße Verbindungsstück 20, weil es mit minimalen Einschränkungen an dem Übergangsstück 20 befestigt ist, thermisch innerhalb des Rahmens 30 ausdehnen, ohne hohe thermische Beanspruchungen hervorzurufen.
Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, wo ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. In diesem Fall ist das Übergangsstück 50 mit Sattelhalterungen 52 und 54 an gegenüber liegenden Enden von der radial äußeren Seite oder Kante 56 von dem integralen hinteren Endrahmen 58 und ähnlichen Halterungen 60 und 62 an gegenüber liegenden Enden von der radial inneren Seite oder Kante 64 versehen. Jede Sattelhalterung ist mit einer einen Stab aufnehmenden Vertiefung 66 versehen, die quer zu der Längsachse des Brenners verläuft.
Zusätzlich sind Klemmen 68 und 70 auf entsprechende Weise an den Seiten 56, 64 angeschweißt, wobei jede Klemme obere und untere Elemente 68a,b bzw. 70b,a hat, die "halbe" Vertiefungen aufweisen, die gestatten, dass Haltestäbe 72,74 dazwischen festgeklemmt werden, wie es nachfolgend näher beschrieben wird.
Der Haltestab oder -stange 72 ist vorgespannt und zwischen Elementen 68a und b festgeklemmt, so dass eine nach außen gerichtete Kraft auf den Mittelabschnitt von dem Übergangsstück ausgeübt wird, wie es durch den Pfeil A in Fig. 9 angegeben ist. Diese nach außen gerichtete Kraft wirkt während des Betriebs dem außenseitigen Gasdruck entgegen.
In ähnlicher Weise ist ein vorgespannter Haltestab 74 zwischen die Elemente 70a,b geklemmt, um für eine ähnliche Wirkung auf die radial innere Seite des Übergangsstückes zu sorgen, wodurch eine Kraft auf den Mittelabschnitt von der radial inneren Seite ausgeübt wird, wie es durch den Pfeil B angegeben ist. Da die Stäbe 72, 74 in den Sätteln 53, 54 bzw. 60, 62 gleiten können, ist das Übergangsstück 50 frei, sich während des Betriebs thermisch auszudehnen.
Fig. 10-12 stellen noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das in einigen Bezügen dem in den Fig. 7-9 gezeigten Ausführungsbeispiel ähnlich ist. Tatsächlich ist die radial innere Seite oder Kante 64' von dem Übergangsstück 50' mit einem Haltestab 74' und zugeordneten Sätteln 60', 62' und einer Klemme 70' versehen, die mit der in den Fig. 7-9 gezeigten Anordnung im Wesentlichen identisch sind. Jedoch ist die radial äußere Seite 56' von dem Übergangsstück 50' mit vorstehenden Ansatzstücken 76,78 und 80 versehen, die jeweils axial vorstehende Stifte 82,84 bzw. 86 haben. Diese Stifte können einen Sitz in Öffnungen haben, die in einem Düsenhalterungsring 88 ausgebildet sind, der an der ersten Turbinenstufe befestigt ist. Wie am Besten aus den Fig. 11 und 12 deutlich wird, ist der Halterungsring 88 mit einem runden Loch 90 zur Aufnahme des Stiftes 84 und Schlitzen 92 und 94 versehen, die Stifte 82 und 86 aufnehmen können. Die Schlitze 92 und 94 gestatten wie die Sättel 60', 62', dass sich das Übergangsstück 50' während des Betriebs thermisch ausdehnt.
Fig. 13 und 14 stellen ein letztes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, wobei ein äußerer Haltestab nur an der radial inneren Seite des hinteren Endes des Übergangsstückes angebracht ist. Genauer gesagt, hat das Übergangsstück 96 einen hinteren Endrahmen 98, der an zwei Endvorsprüngen 100 und 102 und einem mittleren Ansatzstück oder Befestigungsflansch 104 angeschweißt ist. Ein bogenförmiger Haltestab 106 (vorzugsweise mit einem rechteckigen Querschnitt) ist mit Vertiefungen 108 an seinen gegenüber liegenden Enden (nur eine ist gezeigt) versehen, die Vorsprünge 100 und 102 aufnehmen können. Zur gleichen Zeit wird der Befestigungsflansch 104 in einer mittleren Vertiefung 110 in dem Haltestab 106 aufgenommen, wodurch der Stab fest in seiner Lage verbolzt werden kann, und zwar in einer radialen Abstandsrelation zu der radial inneren Seite oder Kante 98b des Rahmens. Hier sind wiederum die gegenüber liegenden Enden des Stabes frei, um sich relativ zu den Vorsprüngen 100 und 102 zu verschieben, wodurch eine thermische Ausdehnung des Übergangsstückes 96 gestattet wird.

Claims

1. Im wesentlichen rohrförmiges Übergangsstück (20) zur Verbindung zwischen einem Brenner und einer Stufe von einer Gasturbine, wobei das Übergangsstück ein stromaufwärtiges Ende für eine Verbindung mit dem Brenner und ein stromabwärtiges Ende (22) zur Verbindung mit der Stufe der Gasturbine hat, wobei das stromabwärtige Ende des Übergangsstückes eine Öffnung (28) hat, die bezüglich der Mittellinie der Gasturbinen-Rotorachse durch radial innere und äussere Wände gebildet ist, die durch gegenüberliegende Seitenwände verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung (30), die an dem stromabwärtigen Ende an wenigstens einer der radial inneren und äusseren Wände festgeklemmt und/oder durch Bolzen daran befestigt ist.

2. Übergangsstück (20) nach Anspruch 1, wobei das stromabwärtige Ende mit einer Umfangsrippe (24) versehen ist und die Haltevorrichtung ein Rahmen (30) ist, der an der Umfangsrippe festgeklemmt und/oder durch Bolzen daran befestigt ist.

3. Übergangsstück (20) nach Anspruch 2, wobei der Rahmen (30) sich vollständig um die Umfangsrippe (24) des stromabwärtigen Endes herum erstreckt.

4. Übergangsstück (20) nach Anspruch 3, wobei der Rahmen (30) an der Umfangsrippe nur an einer Mittelspannenstelle der radial äusseren Wand fest angebracht ist, wodurch sich das Übergangsstück thermisch in bezug auf den Rahmen ausdehnen kann.

5. Übergangsstück (20) nach Anspruch 1, wobei die Haltevorrichtung (30) einen ersten Haltestab (74), der an dem stromabwärtigen Ende befestigt ist und sich entlang der radial inneren Wand erstreckt, und einen zweiten Haltestab (72) aufweist, der daran befestigt ist und sich entlang der radial äusseren Wand erstreckt.

6. Übergangsstück (20) nach Anspruch 5, wobei jeder der ersten und zweiten Haltestäbe (74, 72) an der entsprechenden radial inneren und äusseren Wand fest angeklemmt ist.

7. Übergangsstück (20) nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Haltestäbe (74, 72) vorgespannt sind, um nach aussen gerichtete Kräfte auf das Übergangsstück auszuüben.

8. Übergangsstück (20) nach Anspruch 5, wobei jeder Haltestab (74, 72) an seinen gegenüberliegenden Enden in Sätteln (60, 62, 52, 54) verschiebbar gehaltert ist, die an den entsprechenden radial inneren und äusseren Wänden befestigt sind, wodurch sich das Übergangsstück thermisch ausdehnen kann.

9. Übergangsstück (20) nach Anspruch 1, wobei die Haltevorrichtung (30) einen vorgespannten Haltestab (106) aufweist, der im wesentlichen an einem Mittelpunkt (70) der radial inneren Wand befestigt ist, und wobei der Haltestab ferner an seinen entfernten Enden (100, 102) verschiebbar gehaltert ist, damit sich das Übergangsstück thermisch ausdehnen kann.

10. Übergangsstück (20) nach Anspruch 9, wobei die radial äussere Wand durch einen Haltering (88) auf der Stufe der Gasturbine gehalten werden kann.

11. Übergangsstück (20) nach Anspruch 10, wobei die Haltevorrichtung in Kombination die radial äussere Wand enthält, die einen ersten axial gerichteten Stift (84) aufweist, der von einem komplementären Loch (90) in dem Haltering (88) an einem Mittelspannenort ergriffen werden kann, und wobei die radial äussere Wand enthält, die auch zweite und dritte axial gerichtete Stifte (82) an ihren entfernten Enden aufweist, die in Längsschlitzen (94, 92) in dem Haltering ergriffen werden können.