Brennkammerkopf mit Halterung für Dichtungen an Brennern in Gastrurbinen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf einer Gasturbine mit einer Grundplatte (113), welche mit einer zentrischen Ausnehmung versehen ist, in welcher zumindest ein Brenner angeordnet ist, wobei die Grundplatte (113) mit Wandungen der Brennkammer (108) verbunden ist, sowie mit einer den Brenner zum Rand der Ausnehmung abdichtenden Brennerdichtung (116), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdichtung (116) stromauf der Grundplatte (113) angeordnet ist und gegen einen an der Grundplatte (113) ausgebildeten, den Rand der zentrischen Ausnehmung (121) bildenden Kragen (118) zur Anlage bringbar ist und dass ein Halteelement (117) der Brennerdichtung (116) in Form eines Blechrings ausgebildet ist und stromauf der Brennerdichtung (116) angeordnet ist und mit zumindest einem Ansatz (114) der Grundplatte (113) spannungsfrei in Eingriff ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennkammerkopf einer Gasturbine, im Einzelnen bezieht sich die Erfindung dabei auf einen Brennkammerkopf gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

[0002] In der DE 44 27 222 A1 ist eine Dichtung um einen Brenner einer Gasturbine beschrieben, welcher stromab einer Grundplatte der Brennkammer angeordnet ist, durch ein Hitzeschild hindurch in die Brennkammer ragt und die Bewegungen zwischen dem Brenner, welcher im Brennkammergehäuse befestigt ist, und der Brennkammer selbst derart ausgleicht, dass keine inakzeptablen Leckagen entstehen. Im engeren Sinne gasdicht braucht diese Art der Dichtung nicht zu sein.

[0003] In der DE 100 48 864 A1 wird eine Dichtung um einen Brenner einer Gasturbine dargestellt, welcher stromauf einer Grundplatte der Brennkammer angeordnet ist, durch sie und ein Hitzeschild hindurch in die Brennkammer ragt und die gleiche Funktion erfüllt, wie oben beschrieben.

[0004] Sobald der Brenner eingesetzt ist, kann die Dichtung ihren vorgesehenen Platz nicht mehr verlassen, sondern nur noch entlang des Brenners in axialer Richtung verschoben werden. Die eigentliche Dichtkraft, welche zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Dichtfunktion zwingend erforderlich ist, wird bei Gasturbinenbrennkammern üblicherweise nicht durch ein Federelement, sondern durch die Druckdifferenz zwischen der Brennkammeraußenseite und der Brennkammerinnenseite bereitgestellt, welche auf die wirksame Fläche der Dichtung wirkt.

[0005] Bevor der Brenner allerdings eingesetzt ist und um sicherzustellen, dass sich die Dichtung beim Starten der Gasturbine nahe der Dichtfläche befindet und dann durch die entstehende Druckdifferenz auch wirklich an die Grundplatte der Brennkammer oder das Hitzeschild gedrückt wird, muss eine Vorrichtung vorgesehen werden, welche die Dichtung nahe der Dichtfläche positioniert, ohne sie anzudrücken. Bei der aus der DE 44 27 222 A1 bekannten Lösung wird die axiale Positionierung durch eine Abstandsscheibe eingestellt, welche sich zwischen der Grundplatte der Brennkammer und der Dichtung befindet. Die radiale Positionierung der Dichtung vor dem Einbau des Brenners wird durch die Form der Ausnehmung in der Grundplatte der Brennkammer sichergestellt. Bei der aus der DE 100 48 864 A1 bekannten Lösung wird die Positionierung der Dichtung in radialer und axialer Richtung durch halbmondförmige Klammern ermöglicht, welche durch die Bolzen des Hitzeschildes gehalten werden.

[0006] Einen anderen Lösungsansatz zeigen die US 5,419,115 A und die US 5,463,864 A. Hier wird die Führung und Dichtung des Brenners erst nach dem Hitzeschild von der stromab liegenden Seite des Brennkammerkopfes montiert und danach stromauf des Kopfes durch eine an diese Brenner-Führung gefügte ein- oder zweiteilige Halterung befestigt. Dies geschieht so, dass diese Vorrichtung aus Führung und Halterung noch geringe gleitende Bewegungen in radialer und lateraler Richtung durchführen kann, um wiederum das Einführen des Brenners zu ermöglichen und im Betrieb die Relativbewegungen zwischen Brennkammergehäuse, in welchem der Brenner befestigt ist, und der Brennkammer ausgeglichen werden können. In beiden Schriften werden unterschiedliche Ausformungen einer Verdrehsicherung für die Führung des Brenners und deren Dichtung dargestellt, welche zum Teil einstückig mit der Grundpatte der Brennkammer ausgeführt sind oder fest bzw. beweglich auf dieser befestigt werden. In der US 5,524,438 A wird in einer weiteren Variation diese Verdrehsicherung durch einen Blechring mit radialen Laschen dargestellt, welche in Ausnehmungen benachbarter ringförmiger Bauteile eingreifen. Diese radialen Laschen werden bei der Montage nicht als elastische Elemente verwendet.

[0007] Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ergeben sich folgende Nachteile:

[0008] Die in der DE 44 27 222 A1 verwendeten Abstandsscheiben werden an die Maße der Vertiefung angepasst, was die Montage verlangsamt. Die in der DE 100 48 864 A1 vorgeschlagenen Halterungen positionieren zwei Dichtungen, so dass beim Ansetzen der Muttern auf die Bolzen der Hitzeschilder drei Bauteile festgehalten werden müssen, was die Montage ebenfalls schwierig gestaltet. Der in der US 5,419,115 A und der US 5,463,864 A vorgesehene Fügeprozess im beengten Bauraum des Brennkammerkopfes stellt einen schwierig auszuführenden Prozessschritt mit einem schwierig zu prüfenden Ergebnis dar. Insgesamt erscheinen alle vorgeschlagenen Lösungen durch die vielen zu fertigenden und zu fügenden Bauteile kompliziert, teuer und schwer.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennkammerkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine einfache Ausgestaltung der Brennerdichtung aufweist und einfach und kostengünstig montierbar ist.

[0010] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0011] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Brennkammerkopf eine Grundplatte aufweist, welche mit einer zentrischen Ausnehmung versehen ist, in welcher zumindest ein Brenner angeordnet ist. Die Grundplatte ist an ihren radial inneren und äußeren Bereichen mit Wandungen der Brennkammer, insbesondere einer inneren und einer äußeren Wandung einer Ringbrennkammer (Brennkammergehäuse), verbunden. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine den Brenner zum Rand der Ausnehmung abdichtende Brennerdichtung vorgesehen. Die Brennerdichtung ist erfindungsgemäß stromauf der Grundplatte angeordnet und gegen einen an der Grundplatte ausgebildeten, den Rand der zentrischen Ausnehmung bildenden Kragen zur Anlage bringbar. Hierdurch erfolgt eine Abdichtung der Brennerdichtung gegenüber der Grundplatte. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Halteelement der Brennerdichtung in Form eines Rings ausgebildet ist und stromauf der Brennerdichtung angeordnet ist. Das ringförmige Halteelement ist mit zumindest einem Ansatz der Grundplatte in Eingriff. Dieser Ansatz kann beispielsweise in Form einer Aufdickung ausgebildet sein.

[0012] In günstiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das ringförmige Halteelement mit zumindest einer Verriegelungslasche versehen ist, welche mit dem Ansatz der Grundplatte (Aufdickung) in Eingriff ist. Die Lasche ist bevorzugterweise am Innenring des ringförmigen Halteelements angeordnet, erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Lasche am Außenring des ringförmigen Halteelements auszubilden.

[0013] Um die Lasche in Eingriff mit dem Ansatz zu bringen, weist dieser bevorzugterweise eine Ausnehmung auf, in welche die Lasche einbringbar ist, insbesondere durch Verformung der Lasche.

[0014] Um die Montage des Brenners zu erleichtern, ist es besonders günstig, wenn die Brennerdichtung an ihrer stromauf liegenden Seite trichterförmig ausgebildet ist.

[0015] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die Dichtung, wie in DE 100 48 864 A1 stromauf der Grundplatte der Brennkammer vorzusehen, wobei diese auf einem um die Ausnehmung zur Durchführung der Brennerdichtung umlaufenden Kragen der Grundplatte zur Anlage bringbar ist wobei eine Halterung der Brennerdichtung ein einfacher Blechring mit zum Beispiel drei nach außen stehenden Laschen ist, welche in Ausnehmungen in Aufdickungen der Grundplatte der Brennkammer eingreifen. Zugleich hat die Brennerdichtung am stromauf liegenden Ende einen Zuführtrichter, der die Montage des Brenners erleichtert und im Betrieb keine weitere Funktion mehr erfüllt.

[0016] Drei Ansätze der Aufdickungen der Grundplatte dienen während der mechanischen Bearbeitung des Brennkammerkopfes als permanente Referenz. Die Laschen an der ringförmigen Dichtungshalterung können am Innen- oder Außenrand der Dichtungshalterung angebracht sein.

[0017] Zur Montage wird das ringförmige Halteelement (Blechring) so über die Brennerdichtung gelegt, dass die Laschen neben den Ausnehmungen in den drei Ausnehmungen der Aufdickungen der Grundplatte zu liegen kommen. Dann werden die Laschen des ringförmigen Halteelements durch ein entsprechend geformtes Werkzeug in Richtung Grundplatte gedrückt und das ringförmige Halteelement um einen kleinen Winkelbetrag verdreht. Dadurch greifen die Laschen so in die Ausnehmungen der Aufdickung (des Ansatzes) der Grundplatte ein, dass sich das ringförmige Halteelement nicht mehr zurückdrehen kann, die Laschen aber in ihre ursprüngliche Form zurückspringen können ohne weiterhin unter Spannung zu stehen. Eine Verdrehsicherung für die Brennerdichtung selbst ist nach allgemeiner Betriebserfahrung nicht notwendig und wird daher durch die hier aufgeschlagene Montage auch nicht ermöglicht.

[0018] In der Herstellung der Brennkammer und auch später bei der Reparatur von beschädigten Brennkammern stehen dieselben Bezugspunkte in Form von Ansätzen von Aufdickungen für eine mechanische Bearbeitung der Brennkammer zur Verfügung. Zwischen Herstellung und Überholung der Brennkammer erfüllen diese Ansätze von Aufdickungen die Funktion einer Dichtungshalterung. Während der Montage wird die Brennerdichtung durch ein Werkzeug zentriert. Die Halterung der Brennerdichtung wird ebenfalls durch das Werkzeug zentriert und bewegt. Dadurch muss der Monteur nur ein Werkzeug anfassen und nicht drei Teile gleichzeitig. Hierdurch wird die Montage sicher und schnell ausgeführt und es sind keinerlei Fügeprozesse notwendig. Dies ermöglicht eine präzise, wiederholbare und leichte und kostengünstige Montage. Durch den spannungslosen Zustand der Halterung im eingerasteten Zustand kommt es in dieser auch zu keinen Ermüdungserscheinungen im Betrieb des Triebwerks. Während der gesamten Betriebsdauer der Brennerdichtung wird diese nahe am Brennkammerkopf gehalten. Die Dichtkraft wird durch die Druckdifferenz zwischen der die Brennkammer umströmenden Luft und der Luft in der Brennkammer und nicht durch die Halterung der Brennerdichtung erzeugt. Durch den integrierten Zuführtrichter wird kein zusätzliches Bauteil für diese Funktion benötigt, welches wiederum zuverlässig und betriebssicher befestigt werden müsste. Die Kosten für die Herstellung und Montage einer Verdrehsicherung werden eingespart, da diese Funktion nicht notwendig ist.

[0019] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2

eine schematische vergrößerte Detailansicht einer erfindungsgemäßen Brennkammer mit zugehörigen Bauelementen der Gasturbine,

Fig. 3

eine vergrößerte Detail-Schnittansicht in schematischer Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lösung,

Fig. 4

eine perspektivische Teilansicht der Grundplatte mit Kragen,

Fig. 5

eine vereinfachte Teil-Seitenansicht der Frontplatte mit Kragen und Ansatz,

Fig. 6

eine Darstellung analog Fig. 5 im montierten Zustand der Brennerdichtung und deren Halterung,

Fig. 7

eine Darstellung, analog den Fig. 5 und 6, eines weiteren Ausführungsbeispiels mit montierter Brennerdichtung und Halterung, und

Fig. 8

vereinfachte Darstellungen von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Halterung.

[0020] Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.

[0021] Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.

[0022] Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.

[0023] Die Fig. 2 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung den Bereich einer Brennkammer 108 einer Gasturbine. Diese umfasst ein inneres Brennkammergehäuse 109 sowie ein äußeres Brennkammergehäuse 110. Stromauf der Brennkammer 108 ist ein Brennkammerkopf 107 angeordnet, in welchem ein Brenner 106 mit Arm und Kopf angeordnet ist. Die Luftzuführung zu der Brennkammer 8 erfolgt über ein Frontgebläse 101 (Fan), welcher von einer Antriebswelle 102 angetrieben wird. Mit der Antriebswelle 102 ist auch ein Verdichter 103 verbunden. Das Bezugszeichen 104 zeigt einen Nebenstrom (Nebenstromkanal). Die anströmende Luft wird über ein Verdichteraustrittsleitrad 105 mit Diffuser geleitet. Die aus der Brennkammer 108 austretende Strömung wird durch ein Turbinenleitrad 111 sowie ein Turbinenlaufrad 112 durchgeführt.

[0024] Die Fig. 3 zeigt in schematischer Detailansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung. Erfindungsgemäß ist am stromauf liegenden Endbereich der Brennkammer 108 eine Grundplatte 113 angeordnet, welche mit einer Ausnehmung versehen ist, welche durch einen Kragen 118 begrenzt wird. Durch die Ausnehmung wird der Brenner 106 durchgeführt, so wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Grundplatte 113 ist mit einem Ansatz 114 (Aufdickung) versehen. Die Aufdickung 114 lagert in einer Ausnehmung 115 eine Brennerdichtung 116, welche ringförmig ausgebildet ist, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Brennerdichtung 116 wird über ein Halteelement 117 (Haltering) gehalten, so wie dies in den nachfolgenden Figuren beschrieben wird.

[0025] Die Fig. 4 zeigt einen Teil der kreisringförmig ausgebildeten Grundplatte 113, welche mit dem Kragen 118 versehen ist, der die Ausnehmung 121 zur Durchführung des Brenners 106 begrenzt. Um den Umfang des Kragens 118 verteilt sind drei Ansätze 114 (Aufdickungen der Grundplatte 113) vorgesehen.

[0026] Die Fig. 5 zeigt eine schematisierte Teil-Seitenschnittansicht der Grundplatte 113 mit dem Kragen 118 und einem Ansatz 114 mit einer Ausnehmung 115. Die Fig. 6 zeigt die in Fig. 5 dargestellte Anordnung im montierten Zustand der ringförmigen Brennerdichtung 116 sowie des Halteelements 117 (Haltering). Das Halteelement 117 zeigt eine Verriegelungslasche (Lasche) 120, so wie dies nachfolgend noch beschrieben werden wird. Die Fig. 6 zeigt dabei die Anordnung der Verriegelungslasche 120 am radial äußeren Bereich des Halterings 117, so wie dies in der rechten Bildhälfte der Fig. 8 dargestellt ist. Dort sind am Umfang verteilt drei Verriegelungslaschen (Laschen) 120 dargestellt.

[0027] Die Fig. 7 zeigt eine Variante, bei welcher die Verriegelungslasche 120 in die Ausnehmung 115 des Ansatzes 114 eingebracht ist. Es ist somit der fertig montierte Zustand dargestellt.

[0028] Die rechte Bildhälfte der Fig. 8 zeigt Varianten der Verriegelungslaschen, nämlich eine Verriegelungslasche 120a des Dichtungshalters (Haltering 117). Die Variante der Verriegelungslasche 120b ist außen an dem Haltering 117 angeordnet, während die Variante der Verriegelungslasche 120c innen am Haltering 117 angeordnet ist. Die Verriegelungslaschen 120b und 120c sind jeweils im gebogenen Zustand dargestellt.

Bezugszeichenliste:

[0029] 

1

Triebwerksachse

10

Gasturbinentriebwerk

11

Lufteinlass

12

im Gehäuse umlaufender Fan

13

Zwischendruckkompressor

14

Hochdruckkompressor

15

Brennkammern

16

Hochdruckturbine

17

Zwischendruckturbine

18

Niederdruckturbine

19

Abgasdüse

20

Leitschaufeln

21

Triebwerksgehäuse

22

Kompressorlaufschaufeln

23

Leitschaufeln

24

Turbinenschaufeln

26

Kompressortrommel oder -scheibe

27

Turbinenrotornabe

28

Abgaskonus

101

Frontgebläse (Fan)

102

Antriebswelle

103

Verdichter

104

Nebenstrom

105

Verdichteraustrittsleitrad mit Diffuser

106

Brenner mit Arm und Kopf

107

Brennkammerkopf

108

Brennkammer

109

Inneres Brennkammergehäuse

110

Äußeres Brennkammergehäuse

111

Turbinenleitrad

112

Turbinenlaufrad

113

Grundplatte der Brennkammer 108

114

Aufdickung der Grundplatte 113 / Ansatz

115

Ausnehmung der Aufdickung 114

116

Brennerdichtung

117

Halterung der Brennerdichtung / Halteelement / Haltering

118

Kragen der Grundplatte 113 zur Auflage der Brennerdichtung 116

119

Abdeckung der Grundplatte 113

120a

Verriegelungslasche des Dichtungshalters 117

120b

gebogene Variante der Verriegelungslasche, außen am Dichtungshalter 117

120c

gebogene Variante der Verriegelungslasche, innen am Dichtungshalter 117

121

Ausnehmung

Ansprüche

1. Brennkammerkopf einer Gasturbine mit einer Grundplatte (113), welche mit einer zentrischen Ausnehmung (121) versehen ist, in welcher zumindest ein Brenner (106) angeordnet ist, wobei die Grundplatte (113) mit Wandungen der Brennkammer (108) verbunden ist, sowie mit einer den Brenner (106) zum Rand der Ausnehmung (121) abdichtenden Brennerdichtung (116), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdichtung (116) stromauf der Grundplatte (113) angeordnet ist und gegen einen an der Grundplatte (113) ausgebildeten, den Rand der zentrischen Ausnehmung (121) bildenden Kragen (118) zur Anlage bringbar ist und dass ein Halteelement (117) der Brennerdichtung (116) in Form eines Blechrings ausgebildet ist und stromauf der Brennerdichtung (116) angeordnet ist und mit zumindest einem Ansatz (114) der Grundplatte (113) spannungsfrei in Eingriff ist.

2. Brennkammerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (117) mit zumindest einer Verriegelungslasche (120a, 120b, 120c) versehen ist, welche mit dem Ansatz (114) spannungsfrei in Eingriff ist.

3. Brennkammerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasche (120a, 120b, 120c) am Innenrand des ringförmigen Halteelements (117) angeordnet ist.

4. Brennkammerkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasche (120a, 120b, 120c) am Außenrand des ringförmigen Halteelements (117) angeordnet ist.

5. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (114) mit zumindest einer Ausnehmung (115) zum Eingriff der Verriegelungslasche (120a, 120b, 120c) versehen ist.

6. Brennkammerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdichtung (113) an ihrer stromauf liegenden Seite zur Einführung des Brenners (106) trichterförmig ausgebildet ist.

Zeichnung