EP1731715A1

EP1731715A1 - Übergangsbereich zwischen einer Brennkammer und einer Turbineneinheit

Info

Publication number: EP1731715A1
Application number: EP05012554A
Authority: EP
Inventors: Mariano Cano Wolff; Andreas Heilos; Margarete Herz; Martin Lenze; Christian Lerner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-12-13

Abstract

Bei einer Gasturbine (1) mit einer von einer Umfassungswand (24) umgebenen Brennkammer (4) und mit einer in Strömungsrichtung des Arbeitsmedium (M) gesehen der Brennkammer (4) nachgeschalteten und von dieser durch einen Ausgleichsspalt (30) beabstandeten Turbineneinheit (6) soll der Übergangsbereich zwischen der Brennkammer (4) und der Turbineneinheit (6) für eine hohe betriebliche Sicherheit und lange Lebensdauer sowie für einen hohen Wirkungsgrad der Gasturbine (1) ausgelegt sein. Dazu ist erfindungsgemäß eine Anzahl von separaten Verschlussbauteilen (34) vorgesehen, die zur Minimierung des Kühlluftverbrauchs den Ausgleichsspalt (30) einerseits gasdicht abschließen und andererseits durch ihre flexible Ausgestaltung und/oder Anbringung thermische Ausgleichsbewegungen der den Ausgleichsspalt (30) begrenzenden Wandabschnitte zulassen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer von einer Umfassungswand umgebenen Brennkammer und mit einer in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen der Brennkammer nachgeschalteten Turbineneinheit, wobei die Turbineneinheit eine Anzahl von den Strömungsweg des Arbeitsmediums begrenzenden Wandelementen aufweist, und wobei das jeweilige Wandelement im Übergangsbereich zu dem ihm benachbarten Abschnitt der Umfassungswand mit dieser einen Ausgleichsspalt bildet.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zu dem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene und zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet.
Die Brennkammer der Gasturbine kann als so genannte Ringbrennkammer ausgeführt sein, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle herum angeordneten Brennern in einen gemeinsamen, von einer hochtemperaturbeständigen Umfassungswand umgebenen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet. Neben einer einzigen Brennkammer kann auch eine Mehrzahl von Brennkammern vorgesehen sein.
Unmittelbar an die Brennkammer schließt sich in der Regel eine erste Leitschaufelreihe einer Turbineneinheit an, die zusammen mit der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen unmittelbar nachfolgenden Laufschaufelreihe eine erste Turbinenstufe der Turbineneinheit bildet, welcher üblicherweise weitere Turbinenstufen nachgeschaltet sind.
Die Leitschaufeln sind jeweils über einen auch als Plattform bezeichneten Schaufelfuß am Innengehäuse der Turbineneinheit fixiert. Zwischen den in axialer Richtung der Gasturbine voneinander beabstandet angeordneten Plattformen der Leitschaufeln zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring am Innengehäuse der Turbineneinheit angeordnet. Ein derartiger Führungsring ist durch einen Radialspalt von den Schaufelspitzen der an gleicher axialer Position an der Turbinenwelle fixierten Laufschaufeln der zugehörigen Laufschaufelreihe beabstandet. Damit bilden die Plattformen der Leitschaufeln und die ihrerseits ggf. in Umfangsrichtung der Gasturbine segmentiert ausgeführten Führungsringe eine Anzahl von die äußere Begrenzung eines Strömungskanals für das Arbeitsmedium darstellenden Wandelementen der Turbineneinheit.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere der Umfassungswand der Brennkammer und/oder der Wandelemente der Turbineneinheit, vorgesehen. Die Kühlung kann beispielsweise durch eine Anzahl von in dem jeweiligen Wandabschnitt oder Wandelement integrierten Kühlmittelkanälen verwirklicht sein. Weiterhin kann eine An- oder Überströmung der vom Arbeitsmedium abgewandten Außenseite des jeweiligen Wandabschnitts oder Wandelements durch ein Kühlmittel vorgesehen sein. Zudem weist die der Strahlungswirkung der Brennerflammen direkt ausgesetzte Umfassungswand der Brennkammer neben einer die eigentliche Tragstruktur bildenden, üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellten Gehäusewand auch noch eine durch eine Anzahl von Hitzeschildelementen gebildete Innenauskleidung auf. Insbesondere können keramische und/oder mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht ausgestattete Hitzeschildelemente als thermische Barriere zum Einsatz kommen.
Aus konstruktiven Gründen sowie zur akustischen Entkopplung, d. h. zur Vermeidung oder zur Dämpfung resonanzbedingter Vibrationen, ist die Umfassungswand der Brennkammer üblicherweise an einem vom Innengehäuse der Turbineneinheit unabhängigen, d. h. nicht mit diesem in mechanischer Verbindung stehenden Trägergerüst fixiert oder eingehängt.
Zum Ausgleich der während des Betriebs der Gasturbine infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung auftretenden relativen Bewegungen der Bauteile zueinander ist im Übergangsbereich zwischen der Brennkammer und der Turbineneinheit - genauer: zwischen dem jeweiligen Wandelement der Turbineneinheit und dem ihm benachbarten Abschnitt der ggf. mit Hitzeschildelementen ausgekleideten Umfassungswand der Brennkammer - ein Ausgleichsspalt vorgesehen.
Dieser Ausgleichsspalt ist seiner Natur nach ein Axialspalt. Allerdings kann an der Übergangsstelle konstruktionsbedingt oder infolge unterschiedlich starker thermischer Ausdehnung in radialer Richtung auch ein radialer Versatz oder Oberflächensprung auftreten. Dieser radiale Versatz ist wie die Spaltbreite, also die Ausdehnung des Ausgleichsspalts in axialer Richtung, nicht konstant, sondern variiert zeitlich mit den verschiedenen Betriebszuständen und Temperaturverhältnissen in der Gasturbine. Minimale Spaltbreiten werden unter Umständen nicht während des Volllastbetriebes, sondern vielmehr während instationärer, thermisch nicht ausgeglichener Betriebsphasen, beispielsweise bei Lastwechseln, erreicht.
Damit können während des Volllastbetriebes, bei dem das die Gasturbine durchströmende Arbeitsmedium besonders hohe Temperaturen aufweist, vergleichsweise große Spaltabstände auftreten, wodurch es unter Umständen zu einem Eintritt vergleichsweise großer Mengen von Heißgas in den Ausgleichsspalt kommt. Bei einem fortgesetzten Heißgaseinzug tritt ein erhöhter Verschleiß der den Spalt begrenzenden Turbinenbauteile auf, der schließlich zu die Betriebssicherheit der Gasturbine gefährdenden Beschädigungen führen kann. Die Reparatur derartiger Schadstellen ist zudem kostspielig und mit längeren Ausfallzeiten der Gasturbine verbunden.
Üblicherweise wird dem Bauteilverschleiß durch einen vermehrten Einsatz von Kühlluft, welche in die Spaltregion eingeleitet wird, entgegengewirkt. Es ist jedoch allgemein anzustreben, den Kühlluftverbrauch zu minimieren, da die Kühlluft üblicherweise aus dem Verdichtermassenstrom der Gasturbine abgezweigt wird, wodurch sich deren Gesamtwirkungsgrad vermindert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben, bei der bei einem hohen erreichbaren Wirkungsgrad der Übergangsbereich zwischen der Brennkammer und der Turbineneinheit für eine hohe betriebliche Sicherheit und lange Lebensdauer ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Ausgleichsspalt durch eine Anzahl von separaten Verschlussbauteilen verschlossen ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine möglichst lange Lebensdauer der den Ausgleichsspalt bildenden oder an ihn angrenzenden Turbinenkomponenten der durch den Einzug von Heißgas bedingte oder geförderte Bauteilverschleiß im Bereich der Spaltwandung verzögert werden sollte. Um im Interesse eines möglichst hohen Wirkungsgrades der Gasturbine den Verbrauch an Kühlluft zu minimieren, können daher Mittel oder Konzepte vorgesehen sein, die die Menge des in den Ausgleichsspalt eintretenden Heißgases verringern. Dies lässt sich prinzipiell dadurch erreichen, dass die Breite des Ausgleichsspaltes in seinem Mündungsbereich möglichst gering gehalten ist. Beispielsweise könnten im Bereich der jeweiligen Spaltkante an die Wandelemente angeformte und wechselseitig ineinander eingreifende Nut- und Federelemente ein eine Drosselwirkung aufweisendes Eintrittslabyrinth ausbilden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Breite des verbleibenden Restspaltes nicht beliebig klein ausgelegt sein kann. Aufgrund der angestrebten thermo-mechanischen Entkopplung der Turbineneinheit von der Brennkammer ist nämlich selbst eine kurzzeitige, während bestimmter Betriebszustände auftretende, direkte Berührung der jeweiligen Gehäuseabschnitte ausgesprochen unerwünscht. Zudem könnte eine infolge eines in seiner Breite zu gering dimensionierten Ausgleichsspaltes erfolgende Berührung starke Materialspannungen in den vergleichsweise starren Gehäuseabschnitten oder Wandelementen hervorrufen und es könnte zu Reibverschleiß bzw. hämmerndem Verschleiß kommen.
Stattdessen sollte ein für einen möglichst gasdichten Verschluss des Ausgleichsspaltes vorgesehenes Verschlussbauteil im Hinblick auf die während des Betriebs der Gasturbine unter dem Einfluss unterschiedlicher Temperaturbedingungen variierende Spaltgeometrie zusätzliche Freiheitsgrade aufweisen, die eine flexible und bewegliche Anbringung oder Halterung an den angrenzenden Turbinenkomponenten ermöglichen. Zum Ausgleich wiederholt auftretender Längenschwankungen kann es auch wünschenswert sein, das Verschlussbauteil aus einem besonders gut elastisch verformbaren Werkstoff zu fertigen. Derartige Freiheitsgrade in der Materialwahl oder hinsichtlich der Halterung werden dadurch bereitgestellt, dass das jeweilige Verschlussbauteil als separate Komponente (und nicht etwa als integraler Bestandteil der den Ausgleichsspalt begrenzenden Wandelemente) ausgeführt ist und somit im Gegensatz zu den Gehäusekomponenten keine tragende Funktion erfüllen muss. Damit lässt sich bei geeigneter Ausführung des Verschlussbauteils, welche Gegenstand der Unteransprüche ist, eine gute Abdichtung des Ausgleichsspalts erreichen, während die durch das Verschlussbauteil hergestellte Kopplung von Brennkammer und Turbineneinheit bei entsprechender Auslegung nicht zu erhöhten Spannungen bzw. Verschleiß führt.
Vorteilhafterweise ist das jeweilige Verschlussbauteil beweglich gegenüber der Umfassungswand der Brennkammer und/oder den Wandelementen der Turbineneinheit befestigt, so dass bei dauerhafter Abdichtung des Ausgleichsspalts Relativbewegungen der Bauteile sowohl in radialer als auch in axialer Richtung der Gasturbine ausgeglichen werden können. Dabei ist die Befestigung oder Verbindung vorteilhafterweise lösbar ausgeführt, um das Verschlussbauteil bei Beschädigung leicht auswechseln zu können, oder um bei abmontiertem Verschlussbauteil eine einfache Zugriffsmöglichkeit in den Ausgleichsspalt zu gewähren.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das jeweilige Verschlussbauteil vorteilhafterweise ein auf der Oberfläche der die Brennkammer umgebenden Umfassungswand und auf einer Anzahl von Wandelementen der Turbineneinheit aufliegendes Abdeckelement. Dabei ist das jeweilige Abdeckelement in Umfangsrichtung der Gasturbine entsprechend der Kontur der beiden den Spalt zum Innenraum des Strömungskanals begrenzenden Kanten geformt bzw. gebogen. Es liegt also beidseitig jeweils auf seiner gesamten Länge möglichst flach auf an den Spalt angrenzenden Auflageflächen auf. Der seitliche Überstand des Abdeckelements (oder anders ausgedrückt: seine Ausdehnung in axialer Richtung) ist so groß bemessen, dass das Abdeckelement auch bei einer während des Betriebs der Gasturbine vorgesehenen oder zu erwartenden maximalen Spaltausdehnung nicht in den Ausgleichsspalt "hineinrutscht", sondern weiterhin sicher beidseitig aufliegt.
Bei einer ringförmigen Brennkammer mit insgesamt ringförmigem Spaltverlauf bildet auch die Gesamtheit der aneinander angrenzenden Abdeckelemente eine ringförmige Struktur.
Wenn sich die Breite des Ausgleichsspaltes während des Betriebs der Gasturbine verändert, wird das Verschlussbauteil über weiter unten zu beschreibende Befestigungsmittel gegenüber der Spaltmitte oder gegenüber einer der beiden Kanten im Wesentlichen auf seiner ursprünglichen Position gehalten, wobei das Abdeckelement während der vergleichsweise langsam ablaufenden Ausdehnungsvorgänge der Wandelemente auf den Auflageflächen rutscht, bzw. die Auflageflächen unter dem Abdeckelement um eine gewisse Strecke seitlich weggleiten. Falls sich infolge unterschiedlicher radialer Ausdehnung der durch den Ausgleichsspalt beabstandeten Wandabschnitte die Höhe des radialen Versatzes an der Übergangsstelle ändert, so werden derartige Änderungen durch ein Verkippen des jeweiligen Abdeckelementes ausgeglichen.
Das jeweilige Abdeckelement ist in radialer Ausdehnungsrichtung vergleichsweise flach gehalten, um der Strömung des Arbeitsmediums in den Randbereichen des Strömungskanals keinen nennenswerten Widerstand entgegenzusetzen. Die Auflageflächen für das Abdeckelement können auch (in radialer Richtung) leicht versenkt angeordnet sein, so dass die Oberfläche des Abdeckelements nicht über die seitlich angrenzenden Oberflächen der jeweiligen Wandabschnitte von Brennkammer und Turbine hervorsteht.
Zur Verwirklichung einer guten Abdichtung des Ausgleichsspalts gegenüber dem im Strömungskanal vorbeiströmenden Heißgas ist das jeweilige Verschlussbauteil vorzugsweise federbelastet. Dabei hält eine Anzahl von vorzugsweise jeweils als Zugfeder ausgeführten Federelementen das Verschlussbauteil in Position und sorgt durch eine im Wesentlichen in radialer Richtung auf das Abdeckelement einwirkende Kraft für ein sicheres und dichtes Anliegen desselben an den heißgasführenden Wandbauteilen. Durch die Anordnung der Zugfedern im Ausgleichsspalt sind diese wirkungsvoll vor Kontakt mit dem Heißgas geschützt.
Alternativ oder zusätzlich zu den Zugfedern kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Anzahl von im Ausgleichsspalt angeordneten elastischen Verriegelungselementen vorgesehen sein, über die das jeweilige Verschlussbauteil fixiert und vor Herausfallen aus dem Ausgleichsspalt gesichert ist. Vorteilhafterweise ist das Verriegelungselement mit einem an das Verschlussbauteil bzw. an das Abdeckelement angeformten Steg, der in den Ausgleichsspalt eingreift, verbunden oder steht mit ihm in Kontakt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist als Verriegelungselement ein im Ausgleichsspalt eingespanntes Metallfederband vorgesehen. Ein derartiges Metallfederband kann z. B. an der brennkammerseitigen Begrenzungswand des Ausgleichsspalts zwischen der eigentlichen Gehäusewand (dem so genannten Nabengehäuse) und darauf aufgebrachten Hitzeschildelementen eingeklemmt sein, während es an der turbinenseitigen Begrenzungswand des Ausgleichsspalts unter einem Vorsprung oder in einer Nut einer ein Wandelement der Turbineneinheit bildenden Leitschaufelplattform festgehalten und/oder federnd gelagert ist. Vorteilhafterweise ist das im Ausgleichsspalt eingespannte Metallfederband durch eine Ausnehmung eines an das jeweilige Verschlussbauteil angeformten Steges geführt, wodurch auf besonders einfache und günstige Weise eine sichere und flexibel an die thermischen Ausgleichsbewegungen der Turbinenkomponenten angepasste Verriegelung realisiert ist.
In einer bevorzugten Alternativausführung ist als Verschlussbauteil jeweils ein Blechstück mit einem im Wesentlichen S-förmig oder Z-förmig konturierten Querschnittsprofil vorgesehen, wobei eine zu einem der Schenkel des S oder Z korrespondierende Teilfläche des Blechstücks den eigentlichen Spaltverschluss bildet.
Brennkammerseitig ist das Blechstück vorzugsweise an einem seiner Randabschnitte in einen Klemmspalt zwischen der Gehäusewand und einer Anzahl von darauf aufgebrachten Hitzeschildelementen eingeklemmt. Turbinenseitig greift ein dem eingeklemmten Randabschnitt gegenüberliegender Randabschnitt des Blechstücks in eine Nut eines Wandelements der Turbineneinheit ein. Auf diese Weise ist zum einen eine einfache Befestigung des Blechstücks ermöglicht, zum anderen passt sich das Blechstück aufgrund seiner Formgebung ähnlich einem Faltenbalg besonders gut an Veränderungen der Spaltgeometrie an, und zwar sowohl bei relativen Verschiebungen in radialer Richtung als auch bei Veränderungen der Spaltbreite (d. h. in axialer Richtung).
Gemäß einer Weiterbildung sind in vorteilhafter Weise Mittel für eine Zufuhr von Kühlluft in den Ausgleichsspalt vorgesehen, wobei die Einleitung der Kühlluft in der Weise erfolgt, dass das jeweilige Verschlussbauteil durch Prallkühlung an seiner vom heißen Arbeitsmedium abgewandten (sprich: dem Ausgleichsspalt zugewandten) Seite gekühlt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist das jeweilige Verschlussbauteil eine Anzahl von Austrittskanälen für die in den Ausgleichsspalt eingeleitete Kühlluft auf. Bei entsprechender Ausrichtung der Austrittskanäle im Bereich ihrer jeweiligen Austrittsöffnung kann damit eine Filmkühlung an der zum Heißgas gewandten Oberfläche des Verschlussbauteils erreicht werden. Unter Umständen trägt auch die Konvektionskühlung innerhalb der Austrittskanäle zu einer Reduzierung der Bauteiltemperatur und damit zu einer verlängerten Lebensdauer des Verschlussbauteils bei. Die Querschnittsfläche der Austrittsöffnungen ist im Vergleich zur gesamten vom Verschlussbauteil überdeckten oder verschlossenen Fläche klein gehalten, so dass der Kühlluftbedarf aufgrund der sich einstellenden Drosselwirkung relativ gering ausfällt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch den bis auf gewollte Leckagen zur Bauteilkühlung mit einer Anzahl von Verschlussbauteilen verschlossenen Ausgleichsspalt im Übergangsbereich zwischen der Brennkammer und der Turbineneinheit einer Gasturbine erheblich Kühlluft eingespart und gleichzeitig die Lebensdauer der Spaltbauteile erhöht werden kann. Durch die Ausführung des Verschlussbauteils als separate Komponente und die damit verbundenen Freiheitsgrade bezüglich Materialwahl und Formgebung ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für eine sich flexibel an die variierende Spaltgeometrie anpassende Spaltabdeckung bzw. Spaltabdichtung, wobei das jeweilige Verschlussbauteil zu Wartungszwecken auch relativ leicht wieder abmontiert, repariert oder ersetzt werden kann.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2: eine Detaildarstellung des Übergangsbereiches zwischen der Brennkammer und der Turbineneinheit der Gasturbine nach FIG 1,
FIG 3: eine alternative Ausführung des Übergangsbereiches, und
FIG 4: eine weitere Altertivausführung des Übergangsbereiches.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbineneinheit 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Die Turbineneinheit 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbineneinheit 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbineneinheit 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbineneinheit 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 °C bis 1600 °C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, weist die Umfassungswand 24 der Brennkammer 4 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite, wie in FIG 2 ersichtlich, eine aus Hitzeschildelementen 26 gebildete Innenauskleidung auf. Jedes der auf der Gehäusewand 28 aus Stahl aufgebrachten Hitzeschildelemente 26 ist arbeitsmediumseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht ausgestattet oder aus einem hochtemperaturbeständigen Material wie beispielsweise Keramik gefertigt. Die Gehäusewand 28 und das jeweilige Hitzeschildelement 26 können einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum 29 einschließen.
Der Übergangsbereich zwischen der Brennkammer 4 und der Turbineneinheit 6 der Gasturbine 1 ist spezifisch für eine vergleichsweise lange Lebensdauer der angrenzenden Bauteile bei gleichzeitig gering gehaltenem Kühlluftbedarf ausgelegt. Zu diesem Zweck ist ein zum Ausgleich thermischer Ausdehnungsbewegungen vorgesehener Ausgleichsspalt 30 zwischen den Wandelementen 32 der Turbineneinheit 6 und der Umfassungswand 24 der Brennkammer 4 durch eine Anzahl von separaten Verschlussbauteilen 34 verschlossen und somit vor Einzug von heißem Arbeitsmedium M geschützt. Bei der in FIG 2 im Detail dargestellten Ausführungsvariante weist das jeweilige Verschlussbauteil 34 ein auf den Hitzeschildelementen 26 der Brennkammer 4 und auf den Wandelementen 32 der Turbineneinheit 6 aufliegendes Abdeckelement 36 auf. Die Wandelemente 32 der Turbineneinheit 6 sind durch die Plattformen 18 der zur ersten Leitschaufelreihe der Turbineneinheit 6 gehörigen Leitschaufeln 14 gebildet.
Das Verschlussbauteil 34 wird durch ein elastisches Verriegelungselement 38, das auf einen an das Abdeckelement 36 angeformten und in den Ausgleichsspalt 30 eingreifenden Steg 40 einwirkt, in Position gehalten und gegen die am jeweiligen Hitzeschildelement 26 und an der Leitschaufelplattform 18 vorgesehenen Auflageflächen 42 gepresst. Dadurch ist einerseits ein dichtes Auf- bzw. Anliegen des Abdeckelementes 36 gewährleistet, während sich die gesamte Anordnung andererseits flexibel an die betriebsbedingt veränderliche Geometrie des Ausgleichsspaltes 30 anpasst. Bei einer Veränderung der Spaltbreite kann das Abdeckelement 36 nämlich auf den Auflageflächen 42 verrutschen, wobei es aufgrund eines hinreichend groß dimensionierten seitlichen Überstandes und aufgrund der zentrierenden Wirkung des elastischen Verriegelungselementes 38 vor "Hineinfallen" in den Ausgleichsspalt 30 gesichert ist. Zudem kann das Verschlussbauteil 34 bei unterschiedlicher radialer Ausdehnung oder relativer Verschiebung der brennkammerseitigen und turbinenseitigen Wandabschnitte auch aus seiner ursprünglichen, in der FIG 2 dargestellten Lage verkippen.
Das Verschlussbauteil 34 oder zumindest ein das Abdeckelement 36 umfassende Teilstück davon ist aus einem vergleichsweise hochwertigen und temperaturbeständigen Werkstoff gefertigt, z. B. aus Keramik, einem hoch legierten Stahl oder einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung. Der Werkstoff ist ferner so ausgewählt, dass ein Verschmelzen oder Zusammensintern mit dem Untergrundmaterial auch bei dem auslegungsgemäß vorgesehenen hohen Umgebungstemperaturen vermieden wird, so dass die Flexibilität der Spaltabdichtung beim Betrieb der Gasturbine 1 möglichst lange erhalten bleibt. Da das elastische Verriegelungselement 38 durch seine Anordnung außerhalb des Ausgleichsspaltes 30 vor direktem Kontakt mit dem Heißgas geschützt ist, kann das Verriegelungselement 38 aus entsprechend weniger hochwertigem Material gefertigt sein. Im Ausführungsbeispiel umfasst das elastische Verriegelungselement 38 ein Metallfederband 44, das durch eine Ausnehmung im Steg 40 des Verschlussbauteils 34 geführt ist. An mindestens einen seiner beiden Enden ist das Metallfederband 44 in einem Klemmspalt 62 im Ausgleichsspalt 30 eingeklemmt.
Zur Erhöhung der Lebensdauer des Abdeckelements 36 und der die Wandung des Ausgleichsspaltes 30 bildenden Bauteile ist eine Kühlung dieses Bereiches mittels einströmender Kühlluft K vorgesehen, die beispielsweise durch einen in das Nabengehäuse 28 integrierten Kühlluftkanal 48 oder eine Düse zugeführt wird. Indem die Kühlluft K das Abdeckelement 36 von seiner dem heißen Arbeitsmedium M abgewandten Seite her anströmt, ist eine besonders effektive Prallkühlung realisiert. Ein Teilstrom der Kühlluft K tritt schließlich durch die in das Abdeckelement 36 des Verschlussbauteils 34 eingebrachten Austrittskanäle 50 aus dem Ausgleichsspalt 30 aus, wobei aufgrund der schrägen Anordnung der Austrittskanäle 50 im Verhältnis zur Oberfläche des Abdeckelements 36 eine Filmkühlung der Oberfläche erreicht wird. Anschließend vermischt sich die ausgetretene und bereits erwärmte Kühlluft K mit dem in der Turbineneinheit 6 strömenden Arbeitsmedium M.
Bei der in FIG 3 dargestellten Ausführungsvariante ist der Ausgleichsspalt 30 zwischen der Brennkammer 4 und der Turbineneinheit 6 durch ein Verschlussbauteil 34 in Form eines Blechstücks 52 mit einem im Wesentlichen S-förmig oder Z-förmig konturierten Querschnittsprofil verschlossen. Dabei bildet die zu einem der Schenkel des S oder des Z korrespondierende Teilfläche 54, die dem Heißgas führenden Strömungskanal zugewandt ist, die eigentliche Spaltabdichtung. Ein diese Teilfläche 54 begrenzender Randabschnitt 56 greift dabei in eine an einem der Wandelemente 32 der Turbineneinheit 6 eingebrachte Nut 58 ein. Der dem Randabschnitt 56 gegenüberliegende Randabschnitt 60 des Blechstücks 52 ist in einem Klemmspalt 62 zwischen dem Nabengehäuse 28 und den darauf befestigten Hitzeschildelementen 26 eingeklemmt. Das Blechstück 52 ist elastisch verformbar und passt sich aufgrund seiner Gestalt ähnlich dem Balg einer Ziehharmonika an die im Verlauf des Betriebs der Gasturbine 1 veränderliche Geometrie des Ausgleichsspalts 30 an. Ähnlich wie im vorigen Beispiel kann bei Bedarf durch eine geeignete Bohrung in der Brennkammernabe Kühlluft K zugeführt werden.
Das als weitere Variante in FIG 4 gezeigte Verschlussbauteil 34 umfasst schließlich ein brennkammerseitig in einem Lager 63 drehbar gelagertes und turbinenseitig auf einem Wandelement 32 aufliegendes Abdeckelement 36, das durch eine im Ausgleichsspalt 30 positionierte Zugfeder 64 niedergehalten und an die Heißgas führenden Komponenten der Gasturbine 1 angepresst wird. Auch diese Variante ist flexibel genug, um die in Folge thermischer Ausgleichsvorgänge auftretenden Relativbewegungen der Bauteile auszugleichen. Wie in den vorigen Beispielen wird eine starre Kopplung zwischen der Brennkammer 4 und der Turbineneinheit 6 der Gasturbine 1 vermieden.

Claims

Gasturbine (1) mit einer von einer Umfassungswand (24) umgebenen Brennkammer (4) und mit einer in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums (M) gesehen der Brennkammer (4) nachgeschalteten Turbineneinheit (6), wobei die Turbineneinheit (6) eine Anzahl von den Strömungsweg des Arbeitsmediums (M) begrenzenden Wandelementen (32) aufweist, und wobei das jeweilige Wandelement (32) im Übergangsbereich zu dem ihm benachbarten Abschnitt der Umfassungswand (24) mit dieser einen Ausgleichsspalt (30) bildet, der durch eine Anzahl von separaten Verschlussbauteilen (34) verschlossen ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1,
bei der das jeweilige Verschlussbauteil (34) beweglich gegenüber der Umfassungswand (24) der Brennkammer (4) und/oder den Wandelementen (32) der Turbineneinheit (6) befestigt ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das jeweilige Verschlussbauteil (34) lösbar mit der Umfassungswand (24) der Brennkammer (4) und/oder mit einer Anzahl von Wandelementen (32) der Turbineneinheit (6) verbunden ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der das jeweilige Verschlussbauteil (34) drehbar an der Umfassungswand (24) oder an einer Anzahl von Wandelementen (32) der Turbineneinheit (6) gelagert ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der das jeweilige Verschlussbauteil (34) ein auf der Oberfläche der die Brennkammer (4) umgebenden Umfassungswand (24) und auf einer Anzahl von Wandelementen (32) der Turbineneinheit (6) aufliegendes Abdeckelement (36) umfasst.
Gasturbine (1) nach Anspruch 5,
bei der das jeweilige Verschlussbauteil (34) federbelastet ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 6,
bei der das jeweilige Verschlussbauteil (34) mit einer im Ausgleichsspalt (30) angeordneten Zugfeder (64) verbunden ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei das jeweilige Verschlussbauteil (34) mit einem im Ausgleichsspalt (30) angeordneten elastischen Verriegelungselement (38) fixiert ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 8,
bei der das Verriegelungselement (38) mit einem an das Verschlussbauteil (34) angeformten Steg (40) verbunden ist oder in Kontakt steht.
Gasturbine (1) nach Anspruch 8 oder 9,
bei der als Verriegelungselement (38) ein im Ausgleichsspalt (30) eingespanntes Metallfederband (44) vorgesehen ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der als Verschlussbauteil (34) jeweils ein Blechstück (52) mit einem im Wesentlichen S-förmig oder Z-förmig konturierten Querschnittsprofil vorgesehen ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 11,
wobei die Umfassungswand (24) der Brennkammer (4) durch eine mit Hitzeschildelementen (26) ausgekleidete Gehäusewand (28) gebildet ist, und wobei das Blechstück (52) an einem seiner Randabschnitte (60) in einen Klemmspalt (62) zwischen der Gehäusewand (28) und einer Anzahl von Hitzeschildelementen (26) eingeklemmt ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 12,
bei der ein dem eingeklemmten Randabschnitt (60) gegenüberliegender Randabschnitt (56) des Blechstücks (52) in eine an einem der Wandelemente (32) der Turbineneinheit (6) vorgesehene Nut (58) eingreift.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
bei der Mittel für eine Zufuhr von Kühlluft in den Ausgleichsspalt (30) vorgesehen sind.
Gasturbine (1) nach Anspruch 14,
bei der das Verschlussbauteil (34) eine Anzahl von Austrittskanälen (50) für Kühlluft aufweist.