Beschreibung

Kombination von Burstendichtung mit Kolbenring für große Dichtspalte

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer und eine Vorrichtung zum Abdichten eines Spaltes zwischen zwei Bauelementen mit Hilfe einer Burstendichtung.

Burstendichtungen wurden entwickelt und zuerst angewendet als Dichtung zwischen einem Rotor und einem Stator in rotierenden Maschinen. Gegenüber den vielfach verwendeten Labyrinthdichtungen sind sie wesentlich dichter und weniger empfindlich, falls der Rotor anstreift. Eine Burstendichtung besteht im Wesentlichen aus einem Kranz dicht gepackter Metallborsten, die in einer Fassung gehalten werden.

Zunehmend werden Burstendichtungen auch statisch, also zur Abdichtung von Zwischenräumen zwischen ruhenden Bauteilen, verwendet. Die statische Burstendichtung ist aufgrund ihrer großen lokalen Flexibilität besonders gut geeignet in Situationen, wo die Dichtflache keine eindeutige geometrische Form aufweist, wie dies beispielsweise bei einer Gussoberflache oder ähnlichem gegeben ist. Auch die Variabilität des Dicht- Spaltes, sei es temporar oder lokal, wird durch eine Burstendichtung gut berücksichtigt.

Allerdings weisen Burstendichtungen den Nachteil auf, dass der maximal abdichtbare Dichtspalt mit wenigen Millimetern relativ klein ist. Angesichts dieses Nachteiles werden reine Burstendichtungen beispielsweise zur Abdichtung von übergängen zwischen Brennkammerbauteilen, insbesondere im Rahmen von Gasturbinenbrennkammern, bisher nicht angewendet. Hier werden bisher andere Dichtungskonzepte verwendet, zum Beispiel KoI- benringe oder Blechdichtungen (spring clip) . Eine Burstendichtung wurde allerdings eine geringere Leckage aufweisen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Bauteilanordnung zur Verfugung zu stellen, wel ^¬ che zwei Bauteilelemente mit unter Belassung eines Spalts ineinander geschobenen, zueinander statisch angeordneten Ab- schnitten und eine den Spalt abdichtende Burstendichtung um- fasst. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfin ^¬ dung, eine vorteilhafte Brennkammeranordnung zur Verfugung zu stellen. Es ist zudem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfugung zu stellen.

Die erste Aufgabe wird durch eine Bauteilanordnung nach Anspruch 1 gelost. Die zweite Aufgabe wird durch eine Brennkammeranordnung nach Anspruch 11 gelost. Die dritte Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach Anspruch 17 gelost. Die abhangigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung .

Die erfmdungsgemaße Bauteilanordnung umfasst zwei Bauteil ^¬ elemente mit unter Belassung eines Spalts ineinander gescho- benen, zueinander statisch angeordneten Abschnitten und eine den Spalt abdichtende Burstendichtung. Die Burstendichtung umfasst eine Bürste und einem Dichtungshalter. In der Bauteilanordnung weist eines der beiden Bauteilelemente eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes umlaufende, zum anderen Bauteilelement hin offene Nut auf. Der Dichtungshalter besitzt eine der Nut entsprechende Geometrie und weist derartige Abmessungen auf, dass er in Richtung auf das andere Bau ^¬ teilelement hin in der Nut verschiebbar ist.

Im Rahmen der Erfindung soll „statisch zueinander angeordnet" bedeuten, dass die Bauteilabschnitte nicht relativ zueinander rotieren. Trotz möglichen Bewegungen der erfindungsgemaßen Bauteilabschnitte in Folge von Vibrationen oder thermischen Ausdehnungen werden Bauteile, die sich auf diese Weise rela- tiv zueinander bewegen, im Rahmen der Erfindung als statisch zueinander angeordnet angesehen.

Der Dichtungshalter kann zum Beispiel ringförmig ausgestaltet sein. Er kann aber grundsätzlich die Form eines beliebigen, geschlossenen Rahmens haben, insbesondere die Form eines Rahmens mit einem rechteckigen Querschnitt.

Durch die radiale Verschiebbarkeit des Dichtungshalters und damit der Burstendichtung wird eine verbesserte Anpassung der Dichtung an mögliche Bewegungen der Bauteilelemente gegeneinander, wie sie beispielsweise durch thermische Ausdehnungen, Vibrationen oder mechanische Spannungen hervorgerufen werden können, erreicht.

Vorteilhafterweise kann das äußere Bauteilelement der beiden ineinander geschobenen Bauteilelemente die Nut aufweisen. Selbstverständlich kann aber auch das innere Bauteilelement der beiden ineinander geschobenen Bauteilelemente die Nut aufweisen .

Zudem kann der Dichtungshalter vorteilhafterweise einen Teil des abzudichtenden Spaltes überbrücken. Insbesondere kann der Dichtungshalter mehr als die Hälfte der Breite des abzudichtenden Spaltes überbrücken. Auf diese Weise überbrückt der Dichtungshalter den Großteil des Spaltes, wahrend die Bürste sich an die Kontur der Dichtflache anpasst. So können auch relativ große Spalte mit Hilfe einer Burstendichtung abgedichtet werden.

Einer der ineinander geschobenen Abschnitte der Bauteilelemente kann beispielsweise den Ausgang eines Flammrohres einer Brennkammeranordnung bilden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Ausgang des Flammrohrs in Bezug auf das andere Bauteilelement innen angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Spalt nicht in Stromungsrichtung des aus dem Flammrohr austretenden Heißgases durchströmt werden, sondern nur entgegen der Strömung, was die Leckage zu vermindern hilft und im Vergleich zu einem Spalt, der in Stromungsrichtung durchströmt werden kann, den Einsatz kleinerer Dichtungen zulasst. Zudem wird im Rahmen der vorgeschlagenen Anordnung die Ruckseite

des inneren Bauteilelements, also beispielsweise des Flamm ^¬ rohrs, nicht vom Heißgas benetzt, wodurch die Warmebelastung verringert wird. Darüber hinaus wird die zum Spulen des Spaltes benotigte Luftmenge minimiert.

Weiterhin kann einer der ineinander geschobenen Abschnitte der Bauteilelemente einen Abschnitt eines Ubergangselements (transition piece) bilden, welches zwischen einem Flammrohr (combustor basket) und einem Brennkammerausgang der Brennkam- meranordnung angeordnet ist. In diesem Fall ist es vorteil ^¬ haft, wenn der Abschnitt des Ubergangselements in Bezug auf das andere Bauteilelement außen angeordnet ist. Auch hier ist dann nur eine Durchstromung des Spaltes entgegen der allgemeinen Stromungsrichtung möglich.

Vorteilhafterweise können die ineinander geschobenen Anschnitte der Bauteilelemente zylinderförmig ausgestaltet sein. Die Nut kann in diesem Fall als Ringnut ausgestaltet sein. Weiterhin kann der Dichtungshalter beispielsweise als Kolbenring ausgestaltet sein.

Die erfmdungsgemaße Brennkammeranordnung umfasst ein Flammrohr mit einem Flammrohrausgang als ein erstes Bauelement und ein in Stromungsrichtung eines vom Flammrohr ausgehenden Heißgases dem Flammrohrausgang nachgeordnetes Ubergangsele- ment als ein zweites Bauelement mit einem an den Flammrohrausgang angepassten Eingang. Der Flammrohrausgang und der Eingang des Ubergangselements sind teilweise ineinander geschoben, wobei sich ein Spalt zwischen dem Flammrohrausgang und dem Eingang des Ubergangselements ausbildet. Der Spalt ist durch eine Burstendichtung, die eine Bürste und einen Dichtungshalter umfasst, abgedichtet. Auf diese Weise wird im Vergleich zu einer herkömmlich verwendeten Klemmfederdichtung (spring clip) eine geringere Leckage erreicht. Zudem benotigt eine Burstendichtung axial weniger Platz als eine Klemmfederdichtung, sodass die Lange des, beispielsweise luftgekühlten, Kragens am Flammrohrausgang reduziert werden kann. Dies reduziert zusätzlich den Bedarf an Kuhlluft.

Vorteilhafterweise kann der Flammrohrausgang oder das Uber- gangselement eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes umlaufende, zum jeweils anderen Bauelement hm offene Nut auf- weisen. Der Dichtungshalter kann dabei eine der Nut entsprechende Geometrie besitzen derartige Abmessungen aufweisen, dass er in Richtung auf das jeweils andere Bauelement hin in der Nut verschiebbar ist. Weiterhin können die ineinander geschobenen Anschnitte des Flammrohrausganges und des Uber- gangselementes zylinderförmig ausgestaltet sein und die Nut als Ringnut ausgestaltet sein. Der Dichtungshalter kann vorzugsweise als Kolbenring ausgestaltet sein. Weiterhin kann der Dichtungshalter einen Teil des abzudichtenden Spaltes überbrücken, vorzugsweise mehr als die Hälfte der Breite des abzudichtenden Spaltes.

Der Dichtungshalter kann grundsätzlich ringförmig ausgestaltet sein. Er kann aber auch die Form eines beliebigen, geschlossenen Rahmens haben, insbesondere die Form eines Rah- mens mit einem rechteckigen Querschnitt.

Durch die Verwendung einer Burstendichtung zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen dem Flammrohr (combustor basket) und dem Ubergangselement (transition inlet ring) wird der Massenstrom an Kuhlungs- und Leckageluft reduziert. Der gesparte Luftmassenstrom strömt auf diese Weise durch das Flammrohr, wodurch die Flammentemperatur und damit die NO _x -Emissionen sinken.

Die erfmdungsgemaße Gasturbine umfasst zumindest eine erfin- dungsgemaße Brennkammeranordnung, wie sie m den vorherigen Absatzen beschrieben wurde. Die erfmdungsgemaße Gasturbine hat dieselben Vorteile wie die erfmdungsgemaße Brennkammeranordnung. Insbesondere stellt die durch die Burstendichtung erzielte Senkung der NO _x -Emissionen einen wesentlichen Wett- bewerbsvorteil für die erfmdungsgemaße Gasturbine dar.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausfuhrungsbei-

Spieles mit Bezug auf die beigefugten Figuren naher beschrie ^¬ ben. Die Ausfuhrungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil einer herkömmlichen Brennkammeranordnung einer Gasturbine.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil der m der Figur 1 gezeigten Brennkammeranordnung.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfin- dungsgemaße Bauteilanordnung.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Teil einer erfmdungsgema- ßen Brennkammeranordnung mit einer Burstendichtung.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Teil einer herkömmlichen

Brennkammeranordnung mit einer Klemmfederdichtung.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Gasturbine.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine weitere Variante einer erfmdungsgemaßen Bauteilanordnung.

Im Folgenden wird zunächst anhand der Figuren 6, 1 und 2 eine konventionelle Möglichkeit zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen zwei Bauelementen einer Brennkammeranordnung in einer Gasturbine naher beschrieben.

Die Figur 6 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgela ^¬ gerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinen- laufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehause 109, ein Verdichter 101, eine Brennkammer- anordnung 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehause 190.

Die Brennkammeranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hinter-

einander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Stromungs ^¬ richtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebil- dete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innen- gehause eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.

Wahrend des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehause 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbmenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennkammeranordnungen 15 gefuhrt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsubertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.

Die Figur 1 zeigt schematisch einen Teil einer Brennkammeran- Ordnung 15 einer Gasturbine. Bei der in der Figur 1 gezeigten Brennkammeranordnung 15 kann es sich beispielsweise jeweils um eine sogenannte Can-Brennkammer handeln, von denen mehrere konzentrisch um den Rotor, entlang des Umfangs gleichmäßig verteilt sind. Jede Brennkammeranordnung 15 umfasst ein so genanntes Flammrohr 8 (combustor basket) und ein Ubergangs- element 11 (transition piece) . In dem Flammrohr 8 wird ein Gemisch aus Brennstoff und Luft verbrannt. Das dabei entstehende Heißgas wird von dem Flammrohr 8 über das Ubergangsele- ment 11 zu einer Turbine 105 geleitet, wo es als Arbeitsme- dium die in der Turbine 105 befindlichen Turbinenschaufeln 13 antreibt. Die Stromungsrichtung des Heißgases in der Brennkammeranordnung 15 ist durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet.

Die Mittelachse des Flammrohrs 8 und der ineinander geschobe ^¬ nen Abschnitte des Flammrohrs 8 und des Ubergangselementes 11 ist durch die Bezugsziffer 19 gekennzeichnet.

Das in der Figur 1 gezeigte Flammrohr 8 umfasst weiterhin einen Ausgang 9, an welchen das Ubergangselement 11 in der Weise angeschlossen ist, dass ein Abschnitt des Ausganges 9 des Flammrohrs 8 in einen Abschnitt des daran anschließenden Ubergangselementes 11 geschoben ist. Die ineinander geschobe- nen Abschnitte sind dabei zylinderförmig ausgestaltet. Zwi ^¬ schen den ineinander geschobenen Abschnitten des Flammrohrs 8 und des Ubergangselementes 11 bildet sich ein Spalt 1 aus. Dieser Spalt 1 wird bisher beispielsweise durch eine Klemmfederdichtung 18 abgedichtet.

Das Ubergangselement 11 weist eine in Stromungsrichtung abnehmenden Querschnittsflache auf, die sich zudem von einer Kreisfläche in eine Ringsegmentflache wandelt. Das Ende des Ubergangselementes 11 in Stromungsrichtung 14 bildet den Aus- gang 12 der Brennkammeranordnung 15, der dem ringförmigen Turbineneingang gegenüber liegt.

Die Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Verbin ^¬ dung zwischen dem Flammrohr 8 und dem Ubergangselement 11. Der den Ausgang 9 des Flammrohrs 8 aufweisende Abschnitt des Flammrohrs 8 ist in einen Abschnitt des Ubergangselementes 11 eingeschoben. Zwischen den ineinander geschobenen Abschnitten des Flammrohrs 8 und des Ubergangselementes 11 entsteht dabei ein Spalt 1. Dieser Spalt 1 wird in der Figur 2 mit Hilfe einer Klemmfederdichtung 18 abgedichtet.

Im Folgenden wird die erfmdungsgemaße Abdichtung des Spaltes zwischen zwei Bauteilelementen anhand der Figuren 3, 4 und 7 naher erläutert. Die Figuren 3, 4 und 7 zeigen schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemaße Bauteilanordnung, bei der es sich im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel um eine erfindungsgemaße Brennkammeranordnung 21 in einer Gasturbine handelt. Es sind zwei Bauteilelemente dargestellt, die mein-

ander geschoben sind. Dabei handelt es sich im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel um einen Abschnitt des Flammrohrs 8 und einen Abschnitt des Ubergangselementes 11. Zwischen den ineinander geschobenen zylinderförmigen Abschnitten des Flamm- rohrs 8 und des Ubergangselementes 11 befindet sich ein Spalt 1. Dieser Spalt 1 wird mit Hilfe einer Burstendichtung 4 ab ^¬ gedichtet .

Die Burstendichtung 4 umfasst einen Dichtungshalter 6 und eine Bürste 5. Die Bürste 5 ist dabei so in dem Dichtungshal ^¬ ter 6 angeordnet, dass sich die Borsten der Bürste 5 teilweise im Inneren des Dichtungshalters 6 befinden und teilweise aus dem Dichtungshalter 6 herausragen. Vorzugsweise ist der Dichtungshalter 6 als Kolbenring ausgestaltet. Dies ge- wahrleistet einen standigen direkten Kontakt der Bürste 5 mit dem Flammrohr 8.

Der Abschnitt des Ubergangselementes 11 in der Figur 3 weist eine im Bereich des abzudichtenden Spaltes 1 verlaufende Ringnut 7 mit einer Radialπchtung, bezogen auf die Mittelachse 20, auf. Der Dichtungshalter 6 ist in diese Ringnut 7 dergestalt eingesetzt, dass der Dichtungshalter 6 radial in Bezug auf eine Mittelachse 20 verschiebbar ist. Die Richtung der radialen Verschiebbarkeit ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet. Die Ringnut 7 und der Bürstenhalter 6 sind weiterhin so angeordnet, dass der Dichtungshalter 6 teilweise in den Spalt 1 hineinragt und auf diese Weise den Spalt 1 teilweise abdichtet. Der Teil des Spaltes 1, der nicht durch den Dichtungshalter 6 abgedichtet wird, wird durch die in Richtung des Flammrohrs 8 aus dem Dichtungshalter 6 herausragende Bürste 5 abgedichtet. Die Borsten der Bürste 5 stehen dabei in direktem Kontakt mit der Oberflache des Flammrohrs 8. Die Richtung einer axialen Ver- schiebbarkeit der beiden ineinander geschobenen Abschnitte des Flammrohrs 8 und des Ubergangselementes 11 gegeneinander an der Kontaktflache zwischen der Oberflache des Flammrohrs 8 und der Bürste 5 durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Die radiale Verschiebbarkeit des Dichtungs-

halters 6 in der Ringnut 7 ermöglicht einen Ausgleich von möglichen Bewegungen oder Verschiebungen des Ubergangselemen- tes 11 und des Flammrohrs 8 in Radialπchtung gegeneinander, beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder mechanische Spannungen.

Wahrend des Betriebes muss der Dichtungshalter 6 an einer Seitenwand 23 der Ringnut 7 anliegen, da ansonsten eine Leckage entstehen kann. Die aneinander liegenden Flachen mus- sen entsprechend sauber und plan bearbeitet sein. Typischerweise wird der Dichtungshalter 6 an eine Seitenwand 23 der Ringnut 7 infolge der Druckdifferenz über der Dichtung ange- presst. Grundsätzlich sollte der Dichtungshalter 6 in der Ringnut 7 nur wenig Bewegungsspielraum in axialer Richtung haben.

Alternative Ausfuhrungsvarianten, die ein Anliegen des Dichtungshalters 6 an einer Seitenwand 23 der Ringnut 7 gewähr ^¬ leisten, sind in der Figur 7 schematisch dargestellt. Im Unterschied zu Figur 3 ist in der Seitenwand 23 der Ringnut 7, an der der Dichtungshalter 6 anliegt, eine zusatzliche Dichtung 10 angeordnet. Diese Dichtung 10 soll eine mögliche Leckage zwischen dem Dichtungshalter 6 und der anliegenden Seitenwand 23 vermeiden. Weiterhin ist in der Figur 7 zwi- sehen der am Dichtungshalter 6 anliegenden Seitenwand 23 und der dieser gegenüberliegenden Seitenwand 24 ein Federelement in Form einer Feder 22 angeordnet. Die Feder 22 soll im Falle einer zu geringen Druckdifferenz über der Dichtung den Dichtungshalter 6 an die Seitenwand 23 anpressen und so eine mog- liehe Leckage vermeiden. Grundsatzlich kann die erfmdungsge- maße Bauteilanordnung mit der zusatzlichen Dichtung 10 und/oder mit der Feder 22 ausgestattet sein.

Eine weitere Ausfuhrungsvariante besteht darin, dass die be- schπebene Ringnut 7 nicht in dem Ubergangselement 11, son ^¬ dern in dem mit dem Ubergangselement 11 überlappenden Anteil des Flammrohrs 8 angeordnet ist. In diesem Fall ist der Dichtungshalter 6 entsprechend in der Ringnut 7 angeordnet und

die Borsten der Bürste 5 stehen in direktem Kontakt zur Oberflache des Ubergangselementes 11. Diese Ausfuhrungsvariante kann selbstverständlich mit den im Zusammenhang mit der Figur 7 beschriebenen Ausfuhrungsvarianten kombiniert werden.

Die Figur 5 zeigt zum Vergleich schematisch einen zu der Dar ^¬ stellung in der Figur 4 analogen Ausschnitt aus der Brennkammeranordnung 15, in welcher der Spalt 1 zwischen den ineinander geschobenen Abschnitten des Flammrohrs 8 und des Uber- gangselements 11 mit einer herkömmlichen Klemmfederdichtung 18 abgedichtet ist. Der in der Figur 5 schematisch gezeigte Teil der Brennkammeranordnung 15 wurde im Hinblick auf seine Elemente bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 naher beschrieben, sodass an dieser Stelle auf die dort ge- machten Ausfuhrungen verwiesen wird.

Ein Vergleich der Figur 5 mit der Figur 4 zeigt, dass bei der Verwendung einer Burstendichtung 4 der Ausgang 9 des Flammrohrs 8 und das Ubergangselement 11 einander zu einem erheb- lieh geringeren Anteil überlappen müssen als im Falle der

Verwendung einer Klemmfederdichtung 18. Dies bedeutet, dass im Falle der Verwendung einer Burstendichtung 4 die Lange des, beispielsweise luftgekühlten, Kragens am Ausgang 9 des Flammrohrs 8 erheblich reduziert werden kann. Dies reduziert zusätzlich den Bedarf an Kuhlluft.