DE19729433C1 - Stützvorrichtung für einen temperaturbeaufschlagten Kanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stützvorrichtung für einen von einem heißen Fluid durchströmbaren und somit temperaturbeauf­ schlagten Kanal, insbesondere für einen Rauchgaskanal einer Gasturbine.

Eine Gasturbine wird in vielen Bereichen zum Antrieb eines Generators oder einer Arbeitsmaschine eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rota­ tionsbewegung der Turbinenwelle genutzt. Das bei der Verbren­ nung des Brennstoffs entstehende Arbeitsmittel oder heiße Gas wird dazu in der Gasturbine entspannt und sodann als Abgas oder Rauchgas einem an die Gasturbine angeschlossenen Rauch­ gaskanal zugeführt.

Der Rauchgaskanal der Gasturbine umfaßt üblicherweise mehrere miteinander verbundene Komponenten. Je nach Auslegung und Einsatzart der Gasturbine sind als Komponenten ein Diffusor, ein Kompensator und/oder weitere Elemente, wie z. B. eine Ab­ gasweiche und ein Bypasskamin, vorgesehen.

Jede Komponente wird beim Betrieb der Gasturbine üblicherwei­ se durch das sie durchströmende Abgas oder Rauchgas aufge­ heizt, wobei sich das Rauchgas entlang der Rauchgasrichtung durch Wärmeaustausch mit der jeweiligen Komponente abkühlt. Angesichts der starken Temperaturbelastungen ist jede Kompo­ nente mit Isolationsmaterial versehen, das zwischen Abdeck­ blechen und der Außenwand des Rauchgaskanals gehalten ist.

Bei einem Rauchgaskanal mit rundem oder mit eckigem Quer­ schnitt sind üblicherweise an seiner Außenwand umlaufende Versteifungsringe oder Versteifungsrippen zu seiner Stützung vorgesehen. Beim Diffusor des Rauchgaskanals, der einen in Rauchgasrichtung zunehmenden Durchmesser aufweist, ist eine derartige Versteifung mit Versteifungsrippen allerdings nicht ausreichend. Zusätzlich ist daher normalerweise im Bereich großen Durchmessers des Diffusors ein Festpunktkreuz als wei­ teres Stützelement vorgesehen. Das Stützelement ist dabei in einem Halterahmen oder Stahlrahmen gehaltert.

Das Festpunktkreuz oder Stützelement ist üblicherweise als Rohrkonstruktion ausgeführt. Dazu sind an einem ersten Rohr­ stück zwei Rohrhalbstücke zur Bildung des Kreuzes mittig an­ geordnet. Das Festpunktkreuz ist derart innerhalb des Rauch­ gaskanals angeordnet, daß die Enden des ersten Rohrstücks und die beiden Enden der Rohrhalbstücke die Wand des Rauchgaska­ nals durchstoßen. Die vier aus dem Rauchgaskanal herausragen­ den Enden des Stützelements sind mit dem den Rauchgaskanal umgebenden Halterahmen mittels eines Schiebesitzes verbunden. Dabei ist das eine Ende des Schiebesitzes verschiebbar in dem jeweiligen Ende des Stützelementes gehaltert. Das andere Ende des Schiebesitzes ist an dem Halterahmen angeschweißt.

Bei einer derartigen, ein Festpunktkreuz und ein Halterahmen aufweisenden Stützvorrichtung kann allerdings die Übertragung von thermischen Spannungen oder von Vibrationen, z. B. durch instationäre thermische Belastungen vom Rauchgaskanal auf die Stützvorrichtung, insbesondere auf den Halterahmen, zu Be­ schädigungen am Rauchgaskanal führen. So kann es insbesondere bei großer Wärmeausdehnung des Rauchgaskanals zu Belastungen des Schiebesitzes zwischen dem Stützelement und dem Halterah­ men kommen. Dies führt zu einem Verschleiß des Schiebesitzes, so daß die Verbindung zwischen dem Stützelement und dem Hal­ terahmen instabil werden kann.

Im übrigen ist aus der DE-AS 11 19 056 ein Austrittskegel für ein Strahlrohr eines Gasturbinentriebwerks mit nach außen gerichteten, hohlen Streben, in die fest mit dem Strahlrohr verbundene, radial nach innen gerichtete Zapfen gleitend einfassen, bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stütz­ vorrichtung für einen temperaturbeaufschlagten Kanal, z. B. für einen Rauchgaskanal einer Gasturbine, anzugeben, die auch bei wechselnden Temperaturbelastungen eine besonders lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird für eine Stützvorrichtung der obengenann­ ten Art erfindungsgemäß gelöst mit einem Stützelement zur Versteifung des Kanals, wobei das Stützelement über ein Füh­ rungselement in einem Halterahmen gehaltert ist, und wobei das Führungselement in das Stützelement verschiebbar ein­ greift und lösbar mit dem Halterahmen verbunden ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß für eine besonders haltbare Stützvorrichtung anstelle einer Schweiß­ verbindung des Halterahmens mit dem Stützelement eine Verbin­ dung gewählt werden sollte, die einerseits ein Ausrichten der Stützvorrichtung ermöglicht und andererseits gegenüber Aus­ dehnungsbewegungen bedingt durch starke thermische Belastun­ gen des temperaturbeaufschlagten Kanals besonders unempfind­ lich ist. Dazu sollte die Verbindung zum Ausgleich von Aus­ dehnungsbewegungen geeignet und lösbar mit dem Halterahmen verbunden sein. Ein besonders einfaches Mittel für ein Auf­ fangen von Ausdehnungsbewegungen ist durch ineinander ein­ greifende Elemente gegeben, welche ein Spiel oder einen Frei­ raum aufweisen. Dabei sollten die ineinander eingreifenden Elemente zueinander verschiebbar zwischen dem Kanal und dem Halterahmen angeordnet sein.

Durch die lösbare Verbindung des Führungselements mit dem Halterahmen sowie durch die freie Beweglichkeit des Führungs­ elements in dem fixierten Stützelement ist eine besonders einfache Montage sowie Ausrichtung der Stützvorrichtung ge­ währleistet. Die einzelnen Komponenten für die Stützvorrich­ tung können demzufolge in einer Werkstatt vorgefertigt wer­ den. Somit sind Schweißarbeiten am Montageort reduziert.

Zweckmäßigerweise ist das Führungselement als in seiner axia­ len Richtung relativ zum Stützelement verschiebbares Rohr ausgebildet. Als Stützelement dient beispielsweise ein aus Rohrelementen oder Stützrohren aufgebautes Festpunktkreuz. Dabei ist eine der Anzahl der Enden des Festpunktkreuzes ent­ sprechende Anzahl von Führungselementen vorgesehen, die in die jeweiligen Enden einschiebbar sind. Mit anderen Worten: Das jeweilige Führungselement und das zugehörige Stützrohr sind als axial ineinander eingreifende Rohre ausgebildet. Bei der Rohrausführung des Führungselements und des Stützelemen­ tes ist eine besonders exakte und leicht führbare Ausrichtung der Stützvorrichtung gegeben. Der Durchmesser des Führungs­ elements ist dabei vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des jeweiligen Stützrohrs des Stützelements.

Zur Befestigung der Führungselemente am Halterahmen weist je­ des Führungselement einen diese formschlüssig umlaufenden Schweißflansch auf. Als Schweißflansch dient beispielsweise eine Tellerscheibe. Mittels einer Schweißnaht wird die Tel­ lerscheibe an dem jeweiligen Führungselement befestigt.

Vorteilhafterweise ist das Führungselement mittels mindestens eines U-förmigen Profilelements am Halterahmen befestigt. Dazu weisen das Profilelement sowie der Schweißflansch des Führungselements jeweils Öffnungen, z. B. Bohrungen, auf. Mit­ tels einer Anzahl von Befestigungselementen, z. B. Schrauben, die durch die Öffnungen geführt sind, sind der Schweißflansch des Führungselements sowie das Profilelement miteinander ver­ bunden. Das Profilelement ist zweckmäßigerweise mittels einer Schweißnaht fest am Halterahmen befestigt. Somit ist das Füh­ rungselement über das Profilelement lösbar mit dem Halterah­ men verbunden.

Für eine besonders einfache Montage und Ausrichtung des Füh­ rungselements ist das Profilelement beispielsweise U-förmig ausgebildet. Mit anderen Worten: Das Profilelement ist seit­ lich entsprechend dem Außendurchmesser des Führungselements ausgespart. Das Führungselement ist somit seitlich in das Profilelement einführbar. Bei der Montage wird das Führungs­ element in das Stützrohr des Stützelements eingeführt, bis der Schweißflansch an das Profilelement anliegt.

Um die Auflagefläche des Schweißflansches zu vergrößern, ist zwischen dem Profilelement und dem Schweißflansch vorzugs­ weise ein Blech vorgesehen. Das Blech weist ebenfalls Öffnun­ gen zur Aufnahme der Befestigungselemente auf, so daß die drei Elemente, d. h. das Blech, das Profilelement und der Schweißflansch, miteinander verbindbar sind.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch den U-förmigen Aufbau des Profilelements sowie der lösbaren Verbindung zwischen dem Profilelement und dem Führungselement eine besonders einfache Montage oder De­ montage der Stützvorrichtung gegeben ist. Zudem ist ein exak­ tes Ausrichten der Stützvorrichtung ermöglicht.

Durch die sogenannte ausrichtbare Rohr-in-Rohr-Führung jedes Führungselements in dem ihm zugeordneten Ende des Stützele­ ments sind Wärmeausdehnungen des Rauchgaskanals kompensier­ bar. Insbesondere durch das dabei gewonnene Spiel sind die aus Wärmeausdehnungen des Rauchgaskanals resultierenden Bela­ stungen der Stützvorrichtung besonders gering. Beschädigungen des Rauchgaskanals und/oder der Stützvorrichtung sind somit weitgehend vermieden, so daß die Stützvorrichtung eine beson­ ders lange Lebensdauer aufweist.

Darüber hinaus gewährleistet die Stützvorrichtung eine beson­ ders zuverlässige und sichere Versteifung des temperaturbe­ aufschlagten Kanals, insbesondere des Rauchgaskanals, der Gasturbine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch in einer Seitenansicht einen Rauch­ gaskanal einer Gasturbine mit einer Versteifungs­ rippe und einer Stützvorrichtung,

Fig. 2 schematisch den Rauchgaskanal gemäß Fig. 1 im Querschnitt,

Fig. 3 einen Ausschnitt I aus Fig. 1 mit einem in ein Stützelement eingreifenden Führungselement, und

Fig. 4 das Führungselement gemäß Fig. 3 mit einem Schweißflansch und einem Profilelement im Quer­ schnitt.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Rauchgaskanal 1 einer (nicht darge­ stellte) Gasturbine. Der Rauchgaskanal 1 umfaßt als Komponen­ ten oder Kanalstücke einen Metallkompensator 2 und einen Dif­ fusor 4. Der Diffusor 4 ist konisch ausgebildet, wobei sein Durchmesser in Rauchgasrichtung R des Abgases aus der Gastur­ bine zunimmt. Am Rauchgaskanal 1 ist zur Stützung eine Anzahl von Versteifungsrippen 6 angeordnet, die den Rauchgaskanal 1 radial umlaufen.

Zur zusätzlichen Versteifung des Rauchgaskanals 1 ist am rauchgasseitigen Ausgang des Diffusors 4 eine Stützvorrich­ tung 8 angeordnet. Die Stützvorrichtung 8 umfaßt ein Stütz­ element 10, dessen Enden in einem den Rauchgaskanal 1 umlau­ fenden Halterahmen 12 gehaltert sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Stützelement 10 innerhalb des Rauchgaskanals 1 angeordnet. Das Stützelement 10 ist als ein sogenanntes Festpunktkreuz ausgeführt. Dazu ist das Fest­ punktkreuz oder das Stützelement 10 als Rohrkonstruktion aus­ geführt. An einem ersten Rohr 14 sind zur Bildung des Kreuzes zwei Rohrhalbstücke 18 mittig angeordnet, z. B. angeschweißt. Das Stützelement 10 ist derart innerhalb des Rauchgaskanals 1 angeordnet, daß die Enden des ersten Rohres 14 und die beiden Enden der Rohrhalbstücke 18 die Wand des Rauchgaskanals 1 durchstoßen. Zur Stützung des Rauchgaskanals 1 sind die je­ weiligen Enden des Stützelements 10 mittels einer Schweißnaht 16 mit der Wand des Rauchgaskanals 1 verschweißt.

Darüber hinaus sind die vier aus dem Rauchgaskanal 1 heraus­ stehenden Enden des Stützelements 10 mit dem Halterahmen 12 verbunden. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist zur Verbindung des Stützelements 10 mit dem Halterahmen 12 an Jedem seiner Enden jeweils ein Führungselement 20 vorgesehen. Jedes Führungsele­ ment 20 greift dabei in das Stützelement 10 verschiebbar ein. Dazu ist die Verbindung des Stützelements 10 mit jedem Füh­ rungselement 20 jeweils als Rohr-in-Rohr-Führung 21 ausgebil­ det.

Das Führungselement 20 ist dabei als ein in seiner axialen Richtung relativ zum Stützelement 10 verschiebbares Rohr aus­ gebildet. Das jeweilige Führungselement 20 und das zugehörige Ende des Stützelementes 10 sind somit als axial ineinander eingreifende Rohre ausgebildet. Das Führungselement 20, z. B. ein Führungsrohr oder Rohrprofil, jeder Rohr-in-Rohr-Führung 21 weist einen kleineren Außendurchmesser D1 als der Innen­ durchmesser des Rohres 14 auf. Eine der Anzahl der Enden des Stützelements 10 entsprechende Anzahl von Führungselementen 20 ist dabei für die Stützvorrichtung 8 des Rauchgaskanals 1 vorgesehen.

Zur Halterung jedes Führungselements 20 sind jeweils zwei Profilelemente 22A und 22B vorgesehen, die mittels jeweils einer Schweißnaht 24 an dem Halterahmen 12 angeordnet sind.

Darüber hinaus weist jedes Führungselement 20 einen Schweiß­ flansch 28, z. B. eine Tellerscheibe, auf. Zur Vergrößerung der Auflagefläche des Schweißflansches 28 auf dem Profilele­ ment 22A ist zwischen den beiden ein Blech 30 angeordnet. Zur Führung des Führungselements 20 umfaßt dieses ferner einen Führungsring 32. Zwischen dem Führungsring 32 sowie dem dazu­ gehörigen Profilelement 22B ist analog zum Schweißflansch 28 ein Blech 30 zur Vergrößerung der Auflagefläche des Führungs­ ringes 32 angeordnet.

Der Schweißflansch 28, das entsprechende Blech 30 und das entsprechende Profilelement 22A sind mittels vier Befesti­ gungselementen 34, z. B. Schrauben, miteinander verbunden. Analog dazu sind der Führungsring 32, das dazugehörige Blech 30 und das dazugehörige Profilelement 22B ebenfalls mittels vier Befestigungselementen 34 miteinander verbunden. Somit ist das Führungselement 20 über die beiden Profilelemente 22A und 22B lösbar mit dem Halterahmen 12 verbunden.

Mittels eines durch die Rohr-in-Rohr-Führung 21 gegebenen Spaltes 36, dem sogenannten Spiel 38, können Ausdehnungsbewe­ gungen des Rauchgaskanals 1 und demzufolge auch Ausdehnungs­ bewegungen des mit dem Rauchgaskanal 1 fest verschweißten Rohres 14 des Stützelements 10 aufgefangen werden.

Fig. 4 zeigt das U-förmige Profilelement 22A mit den vier Befestigungselementen 34 zur lösbaren Befestigung des Schweißflansches 28 des Führungselements 20 an das Profilele­ ment 22A. Das Profilelement 22A ist mittels der Schweißnaht 24 an den Halterahmen 12 befestigt. Bei der Montage des Füh­ rungselements 20 wird durch die Öffnung des U-förmigen Pro­ filelements 22A in dieses geführt und mittels der Befesti­ gungselemente 34 an dieses befestigt, z. B. geschraubt.

Durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Stützvorrich­ tung 8 ist eine Bewegung der Wand des Rauchgaskanals 1 rela­ tiv zum Stützelement 10 infolge thermischer Ausdehnung mög­ lich, ohne daß Beschädigungen an der Stützvorrichtung 8 oder am Rauchgaskanal 1 auftreten. Zudem ist das Führungselement 20 seitlich stabil in dem Stützelement 10 geführt. Darüber hinaus ist durch die lösbare Verbindung des Profilelements 22A mit dem Schweißflansch 28 des Führungselements 20 ein schnelles Ausrichten und Fixieren der Stützvorrichtung 8 er­ möglicht.

Claims (6)

1. Stützvorrichtung (8) für einen temperaturbeaufschlagten Kanal (1) mit einem Stützelement (10) zur Versteifung des Ka­ nals (1), wobei das Stützelement (10) über ein Führungsele­ ment (20) in einem Halterahmen (12) gehaltert ist und wobei das Führungselement (20) in das Stützelement (10) verschieb­ bar eingreift und lösbar mit dem Halterahmen (12) verbunden ist.

2. Stützvorrichtung (8) nach Anspruch 1, wobei das Führungs­ element (20) als in seiner axialen Richtung relativ zum Stützelement (10) verschiebbares Rohr ausgebildet ist.

3. Stützvorrichtung (8) Anspruch 1 oder 2, wobei das Füh­ rungselement (20) einen diesen formschlüssig umlaufenden Schweißflansch (28) aufweist.

4. Stützvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wo­ bei das Führungselement (20) mittels eines u-förmigen Profil­ elements (22) an dem Halterahmen (12) befestigt ist.

5. Stützvorrichtung (8) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Schweißflansch (28) des Führungselements (20) sowie das Pro­ filelement (22A) mittels mindestens zweier Befestigungsele­ mente (34) miteinander verbunden sind.

6. Stützvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wo­ bei ein Blech (30) zwischen dem Profilelement (22A) und dem Schweißflansch (28) vorgesehen ist.