CH703553B1

CH703553B1 - Axial-radialer Turbinendiffusor.

Info

Publication number: CH703553B1
Application number: CH01286/11A
Authority: CH
Inventors: Deepesh D Nanda; Robit Pruthi; Asif Iqbal Ansari
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2016-02-29
Also published as: CN102374030A; US20120034064A1; CH703553A2; DE102011052236A1; JP2012036891A; CN102374030B; JP6059424B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinendiffusor (188). Der Turbinendiffusor (188) umfasst einen axialen Diffusorabschnitt (202) einschliesslich eines divergierenden ersten Leitungsabschnitts (212) mit einem axialen Strömungspfad (214) entlang einer Mittellinie (208) des Gasturbinendiffusors (188). Der Gasturbinendiffusor (188) umfasst zudem einen axial-radialen Diffusorabschnitt (204), der an den axialen Diffusorabschnitt (202) gekoppelt ist, wobei der axial-radiale Diffusorabschnitt (204) einen divergierenden zweiten Leitungsabschnitt (230) mit einem gekrümmten Strömungspfad (232) entlang der Mittellinie (208) vom axialen Strömungspfad (214) zum radialen Strömungspfad (234) umfasst, und der axial-radiale Diffusorabschnitt (204) jegliche Umlenkschaufeln im zweiten Leitungsabschnitt (230) ausschliesst.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die hier veröffentlichte Erfindung bezieht sich auf Turbinendiffusoren für den Einsatz bei Gas- und Dampfturbinen.

[0002] Energieerzeugungsanlagen beinhalten häufig Turbinen, z.B. Gasturbinen. Die Gasturbine verbrennt einen Brennstoff, um heisse Verbrennungsgase zu erzeugen, die durch eine Turbine strömen, um eine Last und/oder einen Kompressor anzutreiben. Die Abgase treten mit hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen aus der Turbine aus und in einen Auslass- bzw. Turbinendiffusor ein. Der Turbinendiffusor kann ein axial-radialer Turbinendiffusor sein, der die Strömung von einer axialen Richtung in eine radiale Richtung überleitet. Axial-radiale Turbinendiffusoren umfassen interne Strukturelemente wie zum Beispiel Streben und Umlenkschaufeln. Die inneren Streben halten die Wände des Diffusors fest zusammen und übertragen Lasten von einem Rotor an ein Fundament. Die internen Umlenkschaufeln dienen dazu, die Strömung aus axialer in radiale Richtung umzulenken. Leider führt die Auslegung des Turbinendiffusors zu erheblichen Druckverlusten, insbesondere an den inneren Streben und Umlenkschaufeln.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Turbinendiffusor für eine Fluidstromanlage mit einer Turbine, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, anzugeben, der den aus der Turbine austretenden Fluidstrom von einer axialen Richtung in eine radiale Richtung ohne erhebliche Druckverluste umzulenken vermag.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0004] Diese Aufgabe wird durch einen Turbinendiffusor gemäss Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0005] Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen die entsprechenden Teile durch Ziffern in den Zeichnungen dargestellt werden, worin: <tb>Fig. 1<SEP>ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Gasturbinenanlage entlang der Längsachse ist; <tb>Fig. 2<SEP>ein Querschnitt einer Ausführungsform eines Turbinendiffusors der Gasturbine von Fig. 1 gemäss einer Ausführungsform ist; und <tb>Fig. 3<SEP>eine perspektivische Ansicht des Turbinendiffusors der Gasturbine von Fig. 1 ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0006] Es werden im Folgenden spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

[0007] Bei der Einführung von Elementen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen die Artikel «ein», «eine» «einer», «der/die/das» und das Wort «genannte (r/s)» darauf hinweisen, dass es eine oder mehrere der Elemente gibt. Die Begriffe «beinhalten» und «umfassen» sollen bedeuten, dass es zusätzliche Elemente ausser den genannten Elementen geben kann.

[0008] Die nachfolgend beschriebene Ausführungsform betrifft einen Turbinendiffusor, der so geformt ist, um einen gleichmässigen Strömungspfad für die Überleitung der Strömung von einer bezüglich der Turbinendrehachse axialen in eine radiale Richtung ohne Umlenkschaufeln zu erreichen und gleichzeitig die Druckrückgewinnung im Diffusor zu maximieren. Wie unten beschrieben, umfasst der Turbinendiffusor gemäss der vorliegenden Ausführungsform einen axialen Diffusorabschnitt, einen axial-radialen Diffusorabschnitt und einen radialen Diffusorabschnitt. Der axiale Diffusorabschnitt umfasst divergierende Wände mit einer oder mehreren Strebe(n), um Druckverluste um die Streben herum zu reduzieren und um schrittweise in den axial-radialen Diffusorabschnitt überzugehen. Der axial-radiale Diffusorabschnitt enthält einen schaufellosen Kanal mit einem grossen Krümmungsradius, um die Strömungsteilungen und Druckverluste zu reduzieren. Der axial-radiale Diffusorabschnitt lenkt den Abgasstrom ohne abrupte Änderungen zwischen axialer und radialer Richtung schrittweise ab, wodurch die Notwendigkeit für interne Umlenkschaufeln nicht mehr gegeben ist. Statt einer scharfen Kurve oder eines kleinen Krümmungsradius hat der axial-radiale Diffusorabschnitt einen grossen Krümmungsradius entlang radial nach innen und aussen gerichteten Wänden. Der Krümmungsradius kann mindestens circa 1 bis 100 Mal so gross wie die Querschnittsbreite des gekrümmten Kanals entlang des Krümmungsradius sein. Zum Beispiel kann der Krümmungsradius grösser als oder etwa genauso gross wie das eineinhalb-, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10-Fache der Querschnittsbreite des gekrümmten Kanals entlang des Krümmungsradius sein. Darüber hinaus beseitigt der beschriebene zur Verbesserung des Strömungsverhaltens vorgesehene Turbinendiffusor mechanische Probleme, wie Risse, die an Umlenkschaufeln auftreten können.

[0009] Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Gasturbine 118 entlang der Längsachse 158. Turbinendiffusoren ohne Umlenkschaufeln können in jeder Art von Fluidstromanlage eingesetzt werden, die Rotationsmaschinen wie Gas- und Dampfturbinen beinhaltet, und sind nicht auf eine bestimmte Maschine oder Anlage beschränkt. Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Turbinendiffusor innerhalb der Gasturbine 118 eingesetzt werden, um die Diffusorleistung zu maximieren, indem er einen gleichmässigen Strömungspfad für die Überleitung der Strömung durch den Diffusor von einer axialen in eine radiale Richtung bezüglich der Turbinendrehachse ermöglicht. Zum Beispiel kann der Turbinendiffusor in der Nähe der Einlassöffnung des Diffusors einen Öffnungswinkel aufweisen, um eine frühzeitige Strömungsdiffusion zu ermöglichen und Druckverluste um eine oder mehrere interne Strebe(n) zu reduzieren und den Strömungspfad von axialer in radiale Richtung weniger abrupt und mehr profiliert zu gestalten. Darüber hinaus kann der Diffusor bestimmte Teile enthalten, die sich schrittweise entlang des Strömungspfads ausdehnen, um die Überleitung der Strömung von einer axialen in eine radiale Strömungsrichtung zusätzlich zu verbessern, um also die Aerodynamik des Diffusors zu verbessern, während gleichzeitig ein möglicher Leistungsverlust (z.B. interne Umlenkschaufeln) beseitigt wird.

[0010] Die Gasturbine 118 umfasst eine oder mehrere Brennstoffdüsen 160, die sich in einem Brennerabschnitt 162 befinden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Gasturbine 118 innerhalb des Brennerabschnitts 162 mehrere ringförmig angeordnete Brennkammern 120 umfassen. Weiterhin kann jede Brennkammer 120 mehrere Brennstoffdüsen 160 umfassen, die an oder in der Nähe des Kopfendes jeder Brennkammer 120 ringförmig oder in anderer Art angebracht sind.

[0011] Die Luft tritt durch einen Lufteinlassabschnitt 163 ein und wird durch einen Verdichter 132 komprimiert. Die Druckluft aus dem Verdichter 132 wird dann in den Brennerabschnitt 162 geleitet, wo die komprimierte Luft mit dem Brennstoff vermischt wird. Die Mischung aus Druckluft und Brennstoff wird in der Regel innerhalb des Brennerabschnitts 162 verbrannt, um Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgase zu erzeugen, die verwendet werden, um das Drehmoment innerhalb des Turbinenabschnitts 130 zu generieren. Wie oben erwähnt, können mehrere Brennkammern 120 ringförmig innerhalb des Brennerabschnitts 162 angeordnet sein. Jede Brennkammer 120 umfasst ein Zwischenstück 172, welches die heissen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 120 in den Turbinenabschnitt 130 leitet. Insbesondere bestimmt jedes Zwischenstück 172 in der Regel einen Heissgasstrom von der Brennkammer 120 bis zur Düsenanordnung des Turbinenabschnitts 130, der innerhalb einer ersten Stufe 174 der Turbine 130 enthalten ist.

[0012] Wie dargestellt, umfasst der Turbinenabschnitt 130 drei getrennte Stufen 174, 176 und 178. Jede Stufe 174, 176 und 178 umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 180, die an ein Rotorrad 182 gekoppelt sind, welches wiederum an einer Welle 184 drehbar befestigt ist. Jede Stufe 174, 176 und 178 umfasst weiterhin eine Düsenanordnung 186, die unmittelbar vor jedem Schaufelsatz 180 angeordnet ist. Die Düsenanordnungen 186 leiten die heissen Verbrennungsgase zu den Schaufeln 180, wo die heissen Verbrennungsgase Triebkräfte auf die Schaufeln bewirken, die die Schaufeln 180 zum Drehen bringen, wodurch sich auch die Welle 184 dreht. Die heissen Verbrennungsgase strömen durch jede der Stufen 174, 176 und 178 und erzeugen innerhalb jeder der Stufen 174, 176 und 178 Triebkräfte auf die Schaufeln 180. Die heissen Verbrennungsgase verlassen dann die Gasturbine 130 durch einen Turbinendiffusor 188. Der Turbinendiffusor 188 funktioniert, indem die Geschwindigkeit des Fluidstroms durch den Turbinendiffusor 188 reduziert und der statische Druck gleichzeitig erhöht wird. Der Turbinendiffusor umfasst eine Strebe 190, die zwischen den Wänden des Turbinendiffusors 188 angeordnet ist. Die Strebe 190 hält die Wände fest zusammen. Die Anzahl der Streben 190 variiert und kann zwischen 1 und 10 oder mehr betragen. Der Turbinendiffusor 188 umfasst eine sich erweiternde Form, um den Fluidstrom ohne interne Umlenkschaufeln von einer axialen in eine radiale Richtung überzuleiten, während gleichzeitig Öffnungswinkel in der Nähe der Einlassöffnung 192 des Turbinendiffusors 188 vorgesehen sind, damit eine frühzeitige Strömungsdiffusion ermöglicht wird.

[0013] Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Seitenansicht des Turbinendiffusors 188 aus Fig. 1 , die die Winkel nahe der Einlassöffnung 192 und die sich erweiternde Form des Turbinendiffusors 188 näher darstellt. Der Turbinendiffusor umfasst einen axialen Diffusorabschnitt 202, einen axial-radialen Diffusorabschnitt 204 und einen radialen Diffusorabschnitt 206. Eine geometrische Mittellinie 208 des Turbinendiffusors, die in der Regel den Strömungspfad bestimmt, verläuft von der Einlassöffnung 192 des Turbinendiffusors 188 in Richtung einer Auslassöffnung 210. Dabei vergrössert sich die Querschnittsfläche des Turbinendiffusors 188 stromabwärts entlang des Strömungspfads von der Einlassöffnung 192 bis zur Auslassöffnung 210.

[0014] Der axiale Diffusorabschnitt 202 ist durch einen ersten Leitungsabschnitt 212 gebildet, der einen axialen Strömungspfad 214 entlang der Mittellinie 208 des Turbinendiffusors 188 umfasst. Der erste Leitungsabschnitt 212 umfasst eine erste Wand 216, die beabstandet zur zweiten Wand 218 angeordnet ist. Weiterhin sind die erste Wand 216 und die zweite Wand 218 einander entgegengesetzt um den axialen Strömungspfad 214 angeordnet. Die erste Wand 216 ist in radialer Richtung relativ zur Drehachse der Turbine 130, angegeben durch die gestrichelte Linie 220, näher angeordnet als die zweite Wand 218. Die erste Wand 216 erstreckt sich entlang des axialen Strömungspfads 214 in einem ersten Winkel 222 relativ zur Drehachse 220 der Turbine 130. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der erste Winkel 222 ein negativer Winkel sein, der sich zwischen ca. 0–8 Grad, bevorzugt zwischen 2–6 Grad, oder besonders bevorzugt zwischen 4–5 Grad bewegt. Zum Beispiel kann der erste Winkel 222 gleich ca. 2, 4, 6 oder 8 Grad oder jeder beliebige Winkel dazwischen sein. Die zweite Wand 218 erstreckt sich entlang des axialen Strömungspfads 214 in einem zweiten Winkel 226 relativ zur Drehachse 220. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der zweite Winkel 226 ein positiver Winkel sein, der sich zwischen ca. 16–20 Grad oder bevorzugt zwischen 17–19 Grad bewegt. Zum Beispiel kann der zweite Winkel 226 gleich ca. 16, 17, 18, 19 oder 20 Grad oder jeder beliebige Winkel dazwischen sein. Bei der dargestellten Ausführungsform liegen der erste Winkel 222 und der zweite Winkel 226 nicht bei 0 Grad. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der erste Winkel 222 weniger als oder etwa 8 Grad, und der zweite Winkel 226 ist grösser als oder etwa 16 Grad.

[0015] Aufgrund des ersten und zweiten Winkels 222 und 226 divergieren jeweils die erste Wand 216 und die zweite Wand 218 entlang des axialen Strömungspfads 214 voneinander. Als Folge der Divergenz der ersten Wand 216 und der zweiten Wand 218 umfasst der erste Leitungsabschnitt 212, wie Fig. 2 zeigt, eine erste Querschnittsfläche 228 (d.h. senkrecht zur Mittellinie 208), die sich entlang des axialen Strömungspfads 214 zwischen der ersten Wand 216 und der zweiten Wand 218 vergrössert. Die Ausdehnung der Querschnittsfläche 228 über den Strömungspfad kann eine frühzeitige Strömungsdiffusion hervorrufen, die Druckverluste um die Strebe 190 herum reduziert. Ferner erfolgt durch diese Ausdehnung eine gleichmässige Strömungspfadüberleitung von der axialen in die radiale Richtung, wie im Folgenden beschrieben wird.

[0016] Der axiale Diffusorabschnitt 202 ist an den axial-radialen Diffusorabschnitt 204 gekoppelt. Der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 leitet die Strömung vom axialen Diffusorabschnitt 202 zum radialen Diffusorabschnitt 206. Der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 ist durch einen zweiten Leitungsabschnitt 230 gebildet, der einen gekrümmten Strömungspfad 232 entlang der Mittellinie 208 vom axialen Strömungspfad 214 zum radialen Strömungspfad 234 umfasst. Der zweite Leitungsabschnitt 230 umfasst eine erste gekrümmte Wand 236, die beabstandet zu einer zweiten gekrümmten Wand 238 angeordnet ist. Weiterhin sind die erste gekrümmte Wand 236 und die zweite gekrümmte Wand 238 einander gegenüber um den gekrümmten Strömungspfad 232 angeordnet. Die erste gekrümmte Wand 236 ist zur Drehachse 220 der Turbine 130 zugewandt montiert, während die zweite gekrümmte Wand 238 mehr distal relativ zur Drehachse 220 angeordnet ist. Die erste Wand 216 und die zweite Wand 218 des ersten Leitungsabschnitts 212 mit dem ersten bzw. zweiten Winkel 222 und 226 erstrecken sich jeweils in Richtung der ersten und zweiten gekrümmten Wand 236 und 238 des zweiten Leitungsabschnitts 230. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die erste Wand 216 und die zweite Wand 218 des ersten Leitungsabschnitts 212 mit dem ersten bzw. zweiten Winkel 222 und 226 jeweils direkt bis zur ersten und zweiten gekrümmten Wand 236 und 238 erstrecken. Die Ausdehnung bis auf die gekrümmten Wände 236 und 238 macht die Strömungspfadüberleitung vom axialen Diffusorabschnitt 202 zum axial-radialen Diffusorabschnitt 204 aerodynamischer, wodurch Druckverluste reduziert werden, die in der Regel mit scharfen Überleitungen in Richtung des Strömungspfads verbunden sind.

[0017] Die erste gekrümmte Wand 236 verläuft entlang des gekrümmten Strömungspfads 232 mit einem ersten Krümmungsradius 240, während die zweite gekrümmte Wand 238 entlang des gekrümmten Strömungspfads 232 mit einem zweiten Krümmungsradius 242 verläuft. Das Mittel dieser Radien 240 und 242 entspricht dem Krümmungsradius 243 der Mittellinie 208 entlang des gekrümmten Strömungspfads 232. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Krümmungsradien 240, 242 und 243 entlang der Längserstreckung der ersten gekrümmten Wand 236 und der zweiten gekrümmten Wand 238 variieren. Dementsprechend können sich die Mittelpunkte 241 der Radien 240, 242, und 243 verschieben, um die Radien 240, 242 und 243 zu erhöhen oder zu verringern. An bestimmten Punkten entlang der Längserstreckung des zweiten Leitungsabschnitts 230 kann sich der erste Krümmungsradius 240 vom zweiten Krümmungsradius 242 unterscheiden, während der erste Krümmungsradius 240 und der zweite Krümmungsradius 242 an anderen Stellen gleich sein können. Alternativ können sich der erste Krümmungsradius 240 und der zweite Krümmungsradius 242 entlang der gesamten Längserstreckung der ersten gekrümmten Wand 236 und der zweiten gekrümmten Wand 238 unterscheiden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen dem ersten Krümmungsradius 240 und dem zweiten Krümmungsradius 242 zwischen 0 und ca. 50 Prozent, bevorzugt zwischen 10 und 40 Prozent oder besonders bevorzugt zwischen 20 und 30 Prozent liegen. Zum Beispiel kann der Unterschied ca. 15, 20, 25, 30 oder 35 Prozent oder jede beliebige Prozentzahl dazwischen betragen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der erste Krümmungsradius 240 grösser als der zweite Krümmungsradius 242 sein. Bei alternativen Ausführungsformen kann der zweite Krümmungsradius 242 grösser als der erste Krümmungsradius 240 sein. Bei anderen Ausführungsformen können der erste Krümmungsradius 240 und der zweite Krümmungsradius 242 gleich sein.

[0018] Bei bestimmten Ausführungsformen kann der erste Krümmungsradius 240 etwa im Bereich zwischen 30 und 390 Zentimetern, 80 bis 340 Zentimetern, 130 bis 390 Zentimetern, 180 bis 300 Zentimetern oder 220 bis 260 Zentimetern liegen. Zum Beispiel kann der erste Krümmungsradius 240 ca. 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 Zentimeter oder jeden Abstand dazwischen betragen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der erste Krümmungsradius 240 mindestens grösser als oder ca. 100 Zentimeter sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der zweite Krümmungsradius 242 etwa im Bereich zwischen 30 und 510 Zentimetern, 80 bis 460 Zentimetern, 130 bis 410 Zentimetern, 180 bis 360 Zentimetern oder 230 bis 310 Zentimetern liegen. Zum Beispiel kann der zweite Krümmungsradius 242 ca. 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 Zentimeter oder jeden Abstand dazwischen betragen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der erste Krümmungsradius 240 mindestens grösser als oder ca. 100 Zentimeter sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Radius 243 des gekrümmten Strömungspfads 232 etwa im Bereich zwischen 30 und 450 Zentimetern, 80 bis 400 Zentimetern, 130 bis 350 Zentimetern, 180 bis 300 Zentimetern oder 220 bis 260 Zentimetern liegen. Zum Beispiel kann der Radius 243 ca. 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 Zentimeter oder jeden Abstand dazwischen betragen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Radius 243 mindestens grösser als oder ca. 30 Zentimeter sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Radius 243 mindestens grösser als oder ca. 100 Zentimeter sein.

[0019] Die Krümmung der Wände 236 und 238 ermöglicht eine gleichmässigere, aerodynamischere Strömungspfadüberleitung, wodurch die Notwendigkeit für eine interne Umlenkschaufel im zweiten Leitungsabschnitt 230 beseitigt wird. Somit ist der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 ohne jegliche internen Umlenkschaufeln ausgebildet. Bevorzugt divergieren die erste und zweite gekrümmte Wand 236 und 238 jeweils entlang des gekrümmten Strömungspfads 232, um eine grössere Diffusion während der Überleitung von der axialen in die radiale Richtung zu ermöglichen. In dieser bevorzugten Ausführungsform hat der gekrümmte zweite Leitungsabschnitt eine zweite Querschnittsfläche 244 (d.h. senkrecht zur Mittellinie 208), die sich entlang des gekrümmten Strömungspfads 232 zwischen der ersten Wand 236 und der zweiten Wand 238 vergrössert. Mit anderen Worten hat die Querschnittsfläche 244 eine Querschnittsbreite 246 entlang des mittleren Krümmungsradius, die sich entlang des gekrümmten Strömungspfads 232 vergrössert. Die Ausdehnung der Querschnittsbreite 246 innerhalb des axialen-radialen Diffusorabschnitts 204 erhöht die Diffusion der Strömung und leitet die Strömung gleichzeitig von einer axialen in eine radiale Richtung um.

[0020] Bei bestimmten Ausführungsformen können die Radien 240, 242 und 243 mindestens ca. 1–100, 1–50, 1–25 oder 1–10 Mal so gross wie die Querschnittsbreite 246 des gekrümmten Strömungspfads 232 entlang des mittleren Krümmungsradius sein. Zum Beispiel können die Radien 240, 242 und 243 grösser als oder etwa genauso gross wie das eineinhalb-, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10-Fache der Querschnittsbreite 246 sein.

[0021] Vom axial-radialen Diffusorabschnitt 204 wird die Strömung zum radialen Diffusorabschnitt 206 geleitet. Der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 ist an den radialen Diffusorabschnitt 206 gekoppelt. Der radiale Diffusorabschnitt 206 ist durch einen dritten Leitungsabschnitt 248 gebildet, der einen radialen Strömungspfad 234 entlang der Mittellinie 208 des Diffusors 188 umfasst. Der dritte Leitungsabschnitt 248 umfasst eine erste quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufende Wand 250, die beabstandet zu einer zweiten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 252 steht. Weiterhin sind die erste quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufende Wand 250 und die zweite quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufende Wand 252 einander gegenüber um den radialen Strömungspfad 234 angeordnet, im vorliegenden Ausführungsbespiel divergierende erste und zweite gekrümmte Wand 236 und 238 des zweiten Leitungsabschnitts 230 erstrecken sich bis zur ersten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 250 und zweiten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 252. Die erste quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufende Wand 250 divergiert im vorliegenden Ausführungsbespiel von der zweiten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 252 entlang des radialen Strömungspfads 234. Folglich umfasst der dritte Leitungsabschnitt 248 eine dritte Querschnittsfläche 254 (d.h. senkrecht zur Mittellinie 208), die sich entlang des radialen Strömungspfads 234 zwischen der ersten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 250 und der zweiten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 252 erstreckt, um die Diffusion und die Diffusionsleistung zu erhöhen. Vom radialen Diffusorabschnitt 206 wird die Strömung zur Auslassöffnung 210 des Turbinendiffusors188 geleitet.

[0022] Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Turbinendiffusors 188, die die Umrisse und die Ausdehnung des Diffusors 188 darstellt. Der Turbinendiffusor 188 umfasst den axialen Diffusorabschnitt 202, den axial-radialen Diffusorabschnitt 204 und den radialen Diffusorabschnitt 206, wie oben beschrieben. Der axiale Diffusorabschnitt 202 umfasst die erste und zweite Wand 216 und 218. Der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 umfasst die erste und zweite gekrümmte Wand 236 und 238. Sowohl die erste und zweite Wand 216 und 218 sowie zumindest Teile der ersten und zweiten gekrümmten Wand 236 und 238 umfassen eine kreissegmentförmige Krümmung in Umfangsrichtung, wie durch Pfeil 262 angedeutet, bezogen auf die Turbinendrehachse 220. Die kreissegmentförmige Krümmung der Wände 216, 218, 236 und 238 ermöglicht eine ringförmige Anordnung des Turbinendiffusors 188 um den Turbinenaustritt 130. Bei einigen Ausführungsformen kann/können ein oder mehrere Turbinendiffusor(en) 188 rund um den Turbinenaustritt 130 verteilt werden. Wie in Fig. 3 abgebildet, umfasst der Turbinendiffusor 188 eine dritte Wand 264 und eine vierte Wand 266, die dem Strömungspfad 214, 232, 234, 268 folgen, der in der Regel durch die Mittellinie 208 bestimmt ist. Die dritte Wand 264 und die vierte Wand 266 sind gegenüber voneinander angeordnet und befinden sich zwischen der ersten Wand 216 und der zweiten Wand 218, der ersten gekrümmten Wand 236 und der zweiten gekrümmten Wand 238 und der ersten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 250 und der zweiten quer zur Turbinendrehachse 220 verlaufenden Wand 252 entlang der Längserstreckung des Diffusors 188. Die dritte Wand 264 und die vierte Wand 266 divergieren von der Einlassöffnung 192 in Strömungsrichtung 268 durch den Diffusor zur Auslassöffnung 210. Die Querschnittsfläche des Turbinendiffusors 188 (d.h. senkrecht zur Mittellinie 208) erstreckt sich stromabwärts von der Einlassöffnung 192 bis zur Auslassöffnung 210 des Diffusors 188 sowohl in der mit dem Pfeil 270 bezeichneten Abmessung des Turbinendiffusors als auch in der mit dem Pfeil 272 bezeichneten Abmessung 272 des Turbinendiffusors.

[0023] Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Krümmungsradius 243 der geometrischen Mittellinie mindestens ca. 30 Zentimeter und/oder 1–10 Mal der Querschnittsbreite 246 entlang des mittleren Krümmungsradius 243 sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der Krümmungsradius 243 mindestens ca. 2 Mal die Querschnittsbreite 246 entlang des mittleren Krümmungsradius 243 sein.

[0024] Insgesamt verbessert die aerodynamische Auslegung des Diffusors 188 die Diffusorleistung, während gleichzeitig ein möglicher Leistungsverlust und mechanische Probleme (d.h. Umlenkschaufeln) beseitigt werden.

[0025] Die Erfindung betrifft einen Turbinendiffusor 188. Der Turbinendiffusor 188 umfasst einen axialen Diffusorabschnitt 202 einschliesslich eines ersten divergierenden Leitungsabschnitts 212 mit einem axialen Strömungspfad 214 entlang einer Mittellinie 208 des Gasturbinendiffusors 188. Der Gasturbinendiffusor 188 umfasst zudem einen axial-radialen Diffusorabschnitt 204, der an den axialen Diffusorabschnitt 202 gekoppelt ist, wobei der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 einen zweiten divergierenden Leitungsabschnitt 230 mit einem gekrümmten Strömungspfad 232 entlang der Mittellinie 208 des axialen Strömungspfads 214 zum radialen Strömungspfad 234 umfasst, und der axial-radiale Diffusorabschnitt 204 jegliche Umlenkschaufeln im zweiten Leitungsabschnitt 230 ausschliesst.

Bezugszeichenliste

[0026] <tb>118<SEP>Gasturbine <tb>120<SEP>Brennkammer <tb>130<SEP>Turbine <tb>132<SEP>Kompressor <tb>158<SEP>Längsachse <tb>160<SEP>Brennstoffdüsen <tb>162<SEP>Brennkammerabschnitt <tb>163<SEP>Lufteinlassabschnitt <tb>172<SEP>Überleitungsstück <tb>174<SEP>Stufe <tb>176<SEP>Stufe <tb>178<SEP>Stufe <tb>180<SEP>Schaufeln <tb>182<SEP>Rotorrad <tb>184<SEP>Welle <tb>186<SEP>Düsenanordnungen <tb>188<SEP>Turbinendiffusor <tb>190<SEP>Strebe <tb>192<SEP>Einlass <tb>202<SEP>Axialer Diffusorabschnitt <tb>204<SEP>Axial-radialer Diffusorabschnitt <tb>206<SEP>Radialer Diffusorabschnitt <tb>208<SEP>Mittellinie <tb>210<SEP>Auslassöffnung <tb>212<SEP>Erster Leitungsabschnitt <tb>214<SEP>Axialer Strömungspfad <tb>216<SEP>Erste Wand <tb>218<SEP>Zweite Wand <tb>220<SEP>Längsachse <tb>222<SEP>Erster Winkel <tb>226<SEP>Zweiter Winkel <tb>228<SEP>Erste Querschnittsfläche <tb>230<SEP>Zweiter Leitungsabschnitt <tb>232<SEP>Gekrümmter Strömungspfad <tb>234<SEP>Radialer Strömungspfad <tb>236<SEP>Erste gekrümmte Wand <tb>238<SEP>Zweite gekrümmte Wand <tb>240<SEP>Erster Krümmungsradius <tb>241<SEP>Mittelpunkt <tb>242<SEP>Zweiter Krümmungsradius <tb>243<SEP>Durchschnittlicher Krümmungsradius <tb>244<SEP>Zweite Querschnittsfläche <tb>246<SEP>Querschnittsbreite <tb>248<SEP>Dritter Leitungsabschnitt <tb>250<SEP>Erste vertikale Wand <tb>252<SEP>Zweite vertikale Wand <tb>254<SEP>Dritte Querschnittsfläche <tb>262<SEP>Pfeil <tb>264<SEP>Dritte Wand <tb>266<SEP>Vierte Wand <tb>268<SEP>Nachgelagerte Richtung <tb>270<SEP>Vertikale Abmessung <tb>272<SEP>Horizontale Abmessung

Claims

1. Turbinendiffusor (188) für eine Fluidstromanlage mit einer Turbine (130), insbesondere für eine Gasturbinenanlage (118), zum Umlenken eines aus der Turbine austretenden Fluidstroms von einem bezüglich einer Turbinendrehachse (220) axialen Strömungspfad (214) in einen bezüglich der Turbinendrehachse (220) radialen Strömungspfad (234), wobei der Turbinendiffusor (188) umfasst: einen axialen Diffusorabschnitt (202), der durch einen ersten Leitungsabschnitt (212) gebildet ist, welcher den axialen Strömungspfad (214) entlang einer geometrischen Mittellinie (208) des Turbinendiffusors (188) umfasst, wobei der erste Leitungsabschnitt (212) eine erste Querschnittsfläche (228) senkrecht zur geometrischen Mittellinie (208) aufweist, die sich entlang des axialen Strömungspfads (214) vergrössert; und einen axial-radialen Diffusorabschnitt (204), der an den axialen Diffusorabschnitt (202) gekoppelt und durch einen zweiten Leitungsabschnitt (230) gebildet ist, welcher einen gekrümmten Strömungspfad (232) entlang der geometrischen Mittellinie (208) vom axialen Strömungspfad (214) zum radialen Strömungspfad (234) umfasst, wobei der zweite Leitungsabschnitt (230) eine zweite Querschnittsfläche (244) senkrecht zur geometrischen Mittellinie (208) aufweist, die sich entlang des gekrümmten Strömungspfads (232) vergrössert, wobei die geometrische Mittellinie (208) entlang des gekrümmten Strömungspfads (232) einen Krümmungsradius (243) von mindestens 30 Zentimeter aufweist und der axial-radiale Diffusorabschnitt (204) im zweiten Leitungsabschnitt (230) frei von jeglichen Umlenkschaufeln ist.

2. Turbinendiffusor nach Anspruch 1, wobei der Turbinendiffusor (188) einen radialen Diffusorabschnitt (206) aufweist, der an den axial-radialen Diffusorabschnitt (204) gekoppelt ist und durch einen dritten Leitungsabschnitt (248) gebildet ist, welcher den radialen Strömungspfad (234) entlang der geometrischen Mittellinie (208) umfasst, wobei der dritte Leitungsabschnitt (248) eine dritte Querschnittsfläche (254) senkrecht zur geometrischen Mittellinie (208) aufweist, die sich entlang des radialen Strömungspfads (234) vergrössert.

3. Turbinendiffusor nach Anspruch 1, wobei der Krümmungsradius (243) der geometrischen Mittellinie (208) entlang des gekrümmten Strömungspfads (232) mindestens 100 Zentimeter beträgt.

4. Turbinendiffusor nach Anspruch 1, wobei der zweite Leitungsabschnitt (230) eine erste gekrümmte Wand (236) und eine davon beabstandete zweite gekrümmte Wand (238) umfasst, wobei die erste gekrümmte Wand (236) entlang des gekrümmten Strömungspfads (232) mit einem ersten Krümmungsradius (240) und die zweite gekrümmte Wand (238) entlang des gekrümmten Strömungspfads (232) mit einem zweiten Krümmungsradius (242) verläuft.

5. Turbinendiffusor nach Anspruch 4, wobei bei Verwendung des Turbinendiffusors in einer Fluidstromanlage mit einer Turbine (130) die erste gekrümmte Wand (236) in bezüglich der Turbinendrehachse (220) radialer Richtung näher an der Turbinendrehachse (220) angeordnet ist als die zweite gekrümmte Wand (238).

6. Turbinendiffusor nach Anspruch 4, wobei der erste Krümmungsradius (240) der ersten gekrümmten Wand (236) und der zweite Krümmungsradius (242) der zweiten gekrümmten Wand (238) gleich sind.

7. Turbinendiffusor nach Anspruch 4, wobei sich der erste Krümmungsradius (240) der ersten gekrümmten Wand (236) und der zweite Krümmungsradius (242) der zweiten gekrümmten Wand (238) unterscheiden.

8. Turbinendiffusor nach Anspruch 4, wobei die erste gekrümmte Wand (236) und die zweite gekrümmte Wand (238) entlang des gekrümmten Strömungspfads (232) divergieren.

9. Turbinendiffusor nach Anspruch 1, wobei der erste Leitungsabschnitt (212) eine erste Wand (216) und eine dazu beabstandete zweite Wand (218) umfasst, wobei bei Verwendung des Turbinendiffusors in einer Fluidstromanlage mit einer Turbine (130) die erste Wand (216) in bezüglich der Turbinendrehachse (220) radialer Richtung näher an der Turbinendrehachse (220) angeordnet ist als die zweite Wand (218), und wobei die erste Wand (216) und die zweite Wand (218) entlang des axialen Strömungspfads (214) voneinander divergieren.

10. Turbinendiffusor nach Anspruch 9, wobei bei Verwendung des Turbinendiffusors in einer Fluidstromanlage mit einer Turbine (130) sich die erste Wand (216) entlang des axialen Strömungspfads (214) in einem ersten Winkel (222) relativ zur Turbinendrehachse (220) erstreckt, die zweite Wand (218) sich entlang des axialen Strömungspfads (214) in einem zweiten Winkel (226) relativ zur Turbinendrehachse (220) erstreckt und der erste (222) und der zweite Winkel (226) nicht 0 Grad betragen.