CH708206A2

CH708206A2 - Diffusorstrebenverkleidung.

Info

Publication number: CH708206A2
Application number: CH00764/14A
Authority: CH
Inventors: Carl Gerard Schott; Douglas Frank Beadie; Kenneth Damon Black; Khoa Dang Cao
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-12-15
Also published as: JP6450529B2; US20140352313A1; US9528440B2; DE102014107020A1; JP2014234824A

Abstract

Eine Diffusorstrebenverkleidung (100) enthält einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt, einen Druckseitenabschnitt (106), einen Saugseitenabschnitt (108), eine Innenoberfläche (112) und eine Aussenoberfläche (114). Der Druckseitenabschnitt (106) und der Saugseitenabschnitt (108) erstrecken sich zwischen dem oberen Abschnitt und unteren Abschnitt. Die Abgasdiffusorstrebenverkleidung (100) enthält ferner einen Strömungsverteiler (116), der wenigstens teilweise zwischen dem Druckseitenabschnitt (106) und dem Saugseitenabschnitt (108) definiert ist. Mehrere Öffnungen (124) sind entlang des Saugseitenabschnittes (108) angeordnet und stehen mit dem Strömungsverteiler (116) in Fluidverbindung.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Diffusorstrebe für einen Abgasdiffusor einer Gasturbine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Diffusorstrebenverkleidung, die wenigstens teilweise die Diffusorstrebe umgibt.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Gasturbinen werden in grossem Umfang in der Industrie und zur Stromerzeugung eingesetzt. Eine typische Gasturbine enthält einen Verdichterbereich, einen Brenner stromabwärts von dem Verdichterbereich und einen Turbinenbereich stromabwärts von dem Brenner. Ein Arbeitsfluid, wie z.B. Umgebungsluft, strömt in den Brennerbereich, wo sie verdichtet wird, bevor sie in den Brenner strömt. Das verdichtete Arbeitsfluid wird mit einem Brennstoff vermischt und in dem Brenner verbrannt, um Verbrennungsgase mit hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen aus dem Brenner und expandieren rasch durch den Turbinenbereich, um eine Welle anzutreiben und Arbeit zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden dann aus dem Turbinenbereich durch einen Abgasdiffusor ausgegeben, der stromabwärts von dem Turbinenbereich positioniert ist.

[0003] Der Abgasdiffusor enthält typischerweise eine Innenschale und eine Aussenschale, die radial von der Innenschale getrennt ist, um einen Abgasströmungskanal durch den Diffusor auszubilden. Eine oder mehrere im Wesentlichen flügelförmig geformte Diffusorstreben erstrecken sich zwischen der Innen- und der Aussenschale in dem Abgasströmungskanal, um eine tragende Unterstützung für die Aussenschale und/oder ein hinteres Lager, dass die Welle lagert, bereitzustellen. Das aerodynamische Betriebsverhalten des Abgasdiffusors ist eine wichtige Komponente der Gesamtausgangsleistung der Gasturbine und des Wärmeverbrauchs.

[0004] Da die Verbrennungsgase durch den Abgasströmungskanal und über die Diffusorstreben strömen, wird das gesamte aerodynamische Betriebsverhalten der Gasturbine beeinflusst. Demzufolge werden die Designs der Diffusorstreben typischerweise für einen Grundlast- oder Volldrehzahl/Volllast-Betrieb der Gasturbine optimiert, um den Gasturbinenwirkungsgrad während regulärer und Spitzenleistungsanforderungen zu verbessern. Die Gasturbine kann jedoch auch in einem Teillastbetriebszustand arbeiten, was zu einer vergrösserten Verwirbelung der die Turbine verlassenden und in den Abgasdiffusor eintretenden Verbrennungsgase führt. Die erhöhte Verwirbelung löst eine Strömungsablösung von einer Saugseite der Diffusorstreben aus, was das aerodynamische Betriebsverhalten der Gasturbine während des Teillastbetriebs beeinträchtigt und auch einen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine hat. Daher wäre auf diesem Gebiet ein verbessertes Diffusorstrebendesign nützlich, welches die Strömungsablösung über den Diffusorstreben reduziert, wenn die Gasturbine ausserhalb des Grundlast- und/oder Volldrehzahl/ Volllast-Betriebs arbeitet.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung dargelegt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden.

[0006] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Diffusorstrebenverkleidung. Die Diffusorstrebenverkleidung hat einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt, einen Druckseitenabschnitt, einen Saugseitenabschnitt, eine Innenoberfläche und eine Aussenoberflache. Der Druckseitenabschnitt und der Saugseitenabschnitt erstrecken sich zwischen dem oberen Abschnitt und unteren Abschnitt. Die Abgasdiffusorstrebenverkleidung enthält ferner einen wenigstens teilweise zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt definierten Strömungsverteiler und mehrere Öffnungen, die entlang des Saugseitenabschnittes angeordnet sind. Die mehreren Öffnungen stehen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung.

[0007] Die Diffusorstrebenverkleidung kann ferner eine obere Platte aufweisen, die sich entlang der Innenoberfläche zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt nahe dem oberen Abschnitt erstreckt, und eine untere Platte, die sich entlang der Innenoberfläche zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt nahe dem unteren Abschnitt erstreckt, wobei die obere Platte und die untere Platte wenigstens teilweise den Strömungsverteiler definieren.

[0008] Eine oder mehrere von den mehreren Öffnungen jeder vorstehend erwähnten Diffusorstrebenverkleidung können in einem Winkel in Bezug auf eine Strömungsrichtung eines Verbrennungsgases angestellt sein, das über den Saugseitenabschnitt strömt.

[0009] Die mehreren Öffnungen jeder vorstehend erwähnten Diffusorstrebenverkleidung können dafür eingerichtet sein, eine Grenzschicht eines verdichteten Arbeitsfluids über wenigstens einem Abschnitt des Saugseitenabschnittes zu erzeugen.

[0010] Die Diffusorstrebenverkleidung jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine Fluidleitung aufweisen, die für eine Fluidverbindung in den Strömungsverteiler sorgt.

[0011] Der Druckseitenabschnitt und der Saugseitenabschnitt jeder vorstehend erwähnten Diffusorstrebenverkleidung können sich unter Ausbildung einer Vorderkante überschneiden, die sich zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt erstreckt.

[0012] Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasdiffusor. Der Abgasdiffusor enthält eine Aussenschale, die radial von einer Innenschale getrennt ist und einen Abgasströmungskanal, der dazwischen definiert ist. Eine Diffusorstrebe erstreckt sich zwischen der Innenschale und der Aussenschale in dem Strömungskanal. Die Diffusorstrebe enthält eine Druckseite, eine Saugseite und eine Vorderkante. Der Abgasdiffusor enthält ferner eine Abgasdiffusorstrebenverkleidung, die sich um die Vorderkante der Diffusorstrebe herum erstreckt. Die Diffusorstrebenverkleidung enthält einen Saugseitenabschnitt, der sich über einen Abschnitt der Saugseite der Diffusorstrebe erstreckt. Ein Strömungsverteiler wird wenigstens teilweise durch die Diffusorstrebenverkleidung definiert. Mehrere Öffnungen sind entlang des Saugseitenabschnittes der Abgasdiffusorstrebenverkleidung angeordnet. Die mehreren Öffnungen stehen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung.

[0013] Eine oder mehrere von den mehreren Öffnungen jedes vorstehend erwähnten Abgasdiffusors können in einem Winkel in Bezug auf eine Strömungsrichtung durch den Strömungskanal angestellt sein.

[0014] Wenigstens einige von den mehreren Öffnungen jedes vorstehend erwähnten Abgasdiffusors können dafür eingerichtet sein, eine Grenzschicht aus einem verdichteten Arbeitsfluid über wenigstens einem Abschnitt der Saugseite der Diffusorstrebe bereitzustellen.

[0015] Der Abgasdiffusor jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine Fluidleitung aufweisen, die für eine Fluidverbindung in den Strömungsverteiler sorgt.

[0016] Der Strömungsverteiler jedes vorstehend erwähnten Abgasdiffusors kann wenigstens teilweise zwischen der Diffusorstrebenverkleidung und der Diffusorstrebe definiert sein.

[0017] Die Diffusorstrebenverkleidung jedes vorstehend erwähnten Abgasdiffusors kann ferner einen Druckseitenabschnitt aufweisen, der sich entlang einem Abschnitt der Druckseite der Diffusorstrebe erstreckt.

[0018] Der Abgasdiffusor jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine obere Platte aufweisen, die sich zwischen der Diffusorstrebenverkleidung und der Diffusorstrebe nahe einem oberen Abschnitt der Diffusorstrebenverkleidung erstreckt, wobei die obere Platte wenigstens teilweise den Strömungsverteiler definiert.

[0019] Der Abgasdiffusor jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine untere Platte aufweisen, die sich zwischen der Diffusorstrebenverkleidung und der Diffusorstrebe nahe einem unteren Abschnitt der Diffusorstrebenverkleidung erstreckt, wobei die untere Platte wenigstens teilweise den Strömungsverteiler definiert.

[0020] Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine Gasturbine. Die Gasturbine enthält einen Verdichterbereich, einen Brennerbereich, der stromabwärts von dem Verdichterbereich ist, einen Turbinenbereich, der stromabwärts von dem Brennerbereich ist, und einen Abgasdiffusor, der stromabwärts von dem Turbinenbereich angeordnet ist. Der Abgasdiffusor enthält eine Aussenschale, die radial von einer Innenschale getrennt ist und einen Abgasströmungskanal, der dazwischen definiert ist. Der Abgasdiffusor weist eine Diffusorstrebe auf, die sich zwischen der Innenschale und der Aussenschale in dem Strömungskanal erstreckt. Die Diffusorstrebe enthält eine Druckseite, eine Saugseite und eine Vorderkante. Der Abgasdiffusor enthält ferner eine Abgasdiffusorstrebenverkleidung, die sich um die Vorderkante der Diffusorstrebe herum erstreckt. Die Diffusorstrebenverkleidung enthält einen Saugseitenabschnitt, der sich über einen Abschnitt der Saugseite der Diffusorstrebe erstreckt. Der Abgasdiffusor enthält ferner einen Strömungsverteiler der wenigstens teilweise durch die Diffusorstrebenverkleidung definiert wird. Mehrere Öffnungen sind entlang des Saugseitenabschnittes der Abgasdiffusorstrebenverkleidung angeordnet. Die mehreren Öffnungen stehen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung.

[0021] Eine oder mehrere von den mehreren Öffnungen können in einem Winkel in Bezug auf eine Strömungsrichtung durch den Strömungskanal angestellt sein.

[0022] Wenigstens einige von den mehreren Öffnungen können dafür eingerichtet sein, eine Grenzschicht aus einem verdichteten Arbeitsfluid über wenigstens einem Abschnitt der Saugseite der Diffusorstrebe bereitzustellen.

[0023] Die Gasturbine jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine Versorgungseinrichtung mit verdichtetem Arbeitsfluid aufweisen, die mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung in Fluidverbindung steht.

[0024] Der Strömungsverteiler jeder vorstehend erwähnten Gasturbine kann wenigstens teilweise zwischen der Abgasdiffusorstrebenverkleidung und der Diffusorstrebe definiert sein.

[0025] Die Gasturbine jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine obere Platte aufweisen, die sich zwischen der Diffusorstrebenverkleidung und der Diffusorstrebe nahe einem oberen Abschnitt der Diffusorstrebenverkleidung erstreckt, um wenigstens teilweise den Strömungsverteiler zu definieren.

[0026] Der Fachmann wird die Merkmale und Aspekt derartiger Ausführungsformen und weiterer mit dem Lesen der Beschreibung besser erkennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0027] Eine vollständige und grundlegende Beschreibung der vorliegenden Erfindung einschliesslich ihrer besten Ausführungsart für einen Fachmann wird nachstehend in dem Rest der Patentschrift unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, in welchen:

[0028] Fig. 1 eine Querschnittsseitenansicht einer exemplarischen bekannten Gasturbine darstellt, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann;

[0029] Fig. 2 eine vereinfachte Querschnittsansicht stromabwärts eines exemplarischen Abgasdiffusors gemäss Darstellung in Fig. 1 veranschaulicht, der verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann;

[0030] Fig. 3 eine Querschnittsdraufsicht einer exemplarischen Diffusorstrebe entlang einer Schnittlinie 3-3 gemäss Darstellung in Fig. 2 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;

[0031] Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von zwei benachbarten Diffusorstreben und einem Abschnitt einer Innenschale des Abgasdiffusors gemäss Darstellung in Fig. 3 , in Übereinstimmung mit wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

[0032] Fig. 5 eine Querschnittsdraufsicht auf eine von den in Fig. 4 dargestellten Streben mit einer Diffusorstrebenverkleidung gemäss wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

[0033] Fig. 6 eine perspektivische Rückseitenansicht der Diffusorstrebenverkleidung gemäss Darstellung in Fig. 4 und 5 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

[0034] Fig. 7 eine perspektivische Vorderseitenansicht der Diffusorstrebenverkleidung gemäss Darstellung in Fig. 4 , 5 und 6 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und

[0035] Fig. 8 eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnittes des Abgasdiffusors und eines Abschnittes der Diffusorstrebenverkleidung gemäss Darstellung in Fig. 4 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0036] Es wird nun im Detail auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wovon ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Zahlen- und Buchstabenbezeichnungen, um sich auf Merkmale in den Zeichnungen zu beziehen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen oder in der Beschreibung wurden verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung zu bezeichnen. So wie hierin verwendet, können die Begriffe «erst..», «zweit..» und «dritt..» austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sollen keine Lage oder Bedeutung der individuellen Komponenten anzeigen. Die Begriffe «stromaufwärts» und «stromabwärts» beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf die Fluidströmung in dem Fluidpfad. Beispielsweise bezieht sich «stromaufwärts» auf die Richtung, aus welcher das Fluid strömt, und «stromabwärts» auf die Richtung, in welche das Fluid strömt. Der Begriff «radial» bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zu einer axialen Mittellinie einer speziellen Komponente ist, und der Begriff «axial» bezieht sich auf die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer axialen Mittellinie einer speziellen Komponente ist.

[0037] Jedes Beispiel wird im Rahmen einer Erläuterung der Erfindung und nicht einer Einschränkung der Erfindung bereitgestellt. Tatsächlich wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen in der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, ohne von deren Schutzumfang oder Erfindungsgedanken abzuweichen. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Varianten beinhalten, soweit sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen. Obwohl exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein im Zusammenhang eines für Veranschaulichungszwecke in eine Industriegasturbine eingebauten Abgasdiffusors beschrieben werden, wird ein Fachmann ohne weiteres erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf jeden in jeder Industriegasturbine eingebauten Abgasdiffusor angewendet werden können und nicht auf eine Industriegasturbine beschränkt sind, sofern es nicht in den Ansprüchen anders angegeben ist.

[0038] In den Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die Figuren bezeichnen, veranschaulicht Fig. 1 ein Beispiel einer bekannten Gasturbine 10, wie sie verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verkörpern kann. Wie dargestellt, enthält die Gasturbine 10 im Wesentlichen einen Verdichterbereich 12. Der Verdichterbereich 12 enthält einen Verdichter 14. Der Verdichter enthält einen Einlass 16, der an einem stromaufwärts liegenden Ende der Gasturbine 10 angeordnet ist. Die Gasturbine 10 enthält ferner einen Verbrennungsbereich 18 mit einem oder mehreren stromabwärts von dem Verdichterbereich 12 angeordneten Brennern 20. Die Gasturbine enthält ferner einen Turbinenbereich 22, der sich stromabwärts von dem Verbrennungsbereich 18 befindet. Eine Welle 24 erstreckt sich im Wesentlichen axial durch die Gasturbine 10. Der Turbinenbereich 22 enthält abwechselnde Stufen stationärer Leitdüsen 26 und Turbinenrotorschaufein 28, die in dem Turbinenbereich 20 entlang einer axialen Mittellinie 30 der Welle 24 angeordnet sind. Ein Aussengehäuse 32 umgibt in Umfangsrichtung die abwechselnden Stufen stationärer Leitdüsen 26 und der Turbinenrotorschaufein 28. Ein Abgasdiffusor 34 ist stromabwärts von dem Turbinenbereich 22 angeordnet.

[0039] Im Betrieb wird Umgebungsluft 36 oder ein anderes Arbeitsfluid in den Einlass 16 des Verdichters 12 gesaugt und progressiv verdichtet, um verdichtete Luft 38 an den Verbrennungsbereich 18 zu liefern. Die verdichtete Luft 8 strömt in den Verbrennungsbereich 18 und wird mit Brennstoff gemischt, um ein brennbares Gemisch zu erzeugen, welches in einer Brennkammer 40 verbrannt wird, die durch jeden Brenner 20 definiert ist, um dadurch ein heisses Gas 42 zu erzeugen, das aus der Brennkammer 40 in den Turbinenbereich 22 strömt. Das heisse Gas 42 dehnt sich rasch aus, während es durch die abwechselnden Stufen stationärer Leitdüsen 26 und Turbinenrotorschaufein 28 des Turbinenbereichs 22 strömt.

[0040] Thermische und/oder kinetische Energie wird aus den heissen Gasen 42 auf jede Stufe der Turbinenrotorschaufein 28 übertragen, um dadurch die Welle 24 zur Drehung zu bringen und mechanische Arbeit zu erzeugen. Das heisse Gas 42 verlässt den Turbinenbereich 22 und strömt durch den Abgasdiffusor 34 und über mehrere im Wesentlichen flügelförmige Diffusorstreben 44, die in dem Abgasdiffusor 34 angeordnet sind. Während unterschiedlicher Betriebsbedingungen der Gasturbine, wie z.B. während eines Teillastbetriebs, hat das in den Abgasdiffusor 34 aus dem Turbinenbereich 32 strömende heisse Gas 42 einen hohen Grad an Verwirbelung, der durch die rotierenden Turbinenrotorschaufeln 28 bewirkt wird. Als eine Folge des den Turbinenbereich 42 verlassenden verwirbelten heissen Gases 42 tritt eine Strömungsablösung des heissen Gases 42 von den Abgasdiffusorstreben auf, was das aerodynamische Betriebsverhalten der Gasturbine 10 beeinträchtigt, und damit die Gesamtausgangsleistung der Gasturbine und den Wärmeverbrauch.

[0041] Fig. 2 stellt eine vereinfachte stromabwärtsseitige Querschnittsansicht eines exemplarischen Abgasdiffusors 34 dar, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Wie dargestellt, enthält der Abgasdiffusor 34 im Wesentlichen eine Innenschale 46 und eine Aussenschale 48. Die Innenschale 46 erstreckt sich im Wesentlichen axial entlang einer axialen Mittellinie 50 des Abgasdiffusors 34. Die Innenschale 46 ist im Wesentlichen ringförmig und kann wenigstens teilweise rotierende Komponenten umgeben. Beispielsweise kann die Innenschale 46 einen Abschnitt der Welle 24 umgeben oder einschliessen.

[0042] Gemäss Darstellung in Fig. 2 ist die Aussenschale 48 radial von der Innenschale 46 getrennt. In speziellen Ausführungsformen ist die Innenschale 46 konzentrisch und koaxial in der Aussenschale 48 in Bezug auf die axiale Mittellinie 50 ausgerichtet. Ein Abgasströmungskanal 52 ist im Wesentlichen zwischen der Innenschale 46 und der Aussenschale 48 definiert. In bestimmten Ausführungsformen kann die Aussenschale 48 eine doppelwandige Konstruktion mit einem Innengehäuse 54 sein, das radial von einem Aussengehäuse 56 getrennt ist. Ein Sammelraum 58 für verdichtetes Arbeitsfluid kann innerhalb des Aussengehäuses 56 definiert sein. Beispielsweise kann der Sammelraum 58 für verdichtetes Arbeitsfluid wenigstens teilweise zwischen dem Innengehäuse 54 und dem Aussengehäuse 56 definiert sein. In weiteren Ausführungsformen kann der Sammelraum 58 für verdichtetes Arbeitsfluid in dem Innengehäuse 54 definiert sein. Die vorliegende Offenlegung ist auf keinerlei spezielle Grösse, Form, Material oder andere physikalischen Eigenschaften der Innenschale 46, der Aussenschale 48 und/oder der Innen- und Aussengehäuse 54, 56 mit Ausnahme der Angaben in den Ansprüchen beschränkt.

[0043] Gemäss Darstellung in Fig. 2 erstreckt sich jede von den Diffusorstreben 44 zwischen der Innenschale 46 und der Aussenschale 48 in dem dazwischen definierten Strömungskanal 52. Die Diffusorstreben 44 sind in Umfangsrichtung um die Innenschale 46 herum in Abstand angeordnet. Die Diffusorstreben 44 richten im Wesentlichen die Innenschale 46 zu der Aussenschale 48 aus. Zusätzlich können die Diffusorstreben 44 eine tragende Unterstützung zwischen der Innen- und Aussenschale 46, 48 bereitstellen. Gemäss Darstellung in Fig. 1 sind die Diffusorstreben 44 in Bezug auf eine Richtung der Strömung 60 des aus dem Turbinenbereich 22 der Gasturbine 10 strömenden heissen Gases 42 positioniert.

[0044] Gemäss Darstellung in Fig. 2 enthält jede Diffusorstrebe 44 im Wesentlichen einen Fussabschnitt 62, der mit der Innenschale 46 verbunden ist, und einen radial von dem Fussabschnitt 60 getrennten Spitzenabschnitt 64. Der Spitzenabschnitt 64 kann mit der Aussenschale 48 und/oder dem Innengehäuse 54 verbunden sein. In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Begriff «Diffusorstrebe» jede beliebige Struktur oder jedes Unterstützungselement, das sich zwischen der Innenschale 46 und der Aussenschale 48 und/oder dem Innengehäuse 54 erstreckt.

[0045] Fig. 3 stellt einen Querschnitt einer exemplarischen Diffusorstrebe 44 entlang der Linie 3-3 gemäss Darstellung in Fig. 2 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Diffusorstrebe 44 im Wesentlichen flügelförmig sein. Beispielsweise enthält die Diffusorstrebe 44 eine Vorderkante 66, eine Hinterkante 68, die sich stromabwärts von der Vorderkante 66 in Bezug auf die Strömungsrichtung 60 des heissen Gases 42 befindet, eine Druckseite 70 und eine Saugseite 72, die der Druckseite 70 gegenüberliegt. Es dürfte für den Fachmann ersichtlich sein, dass die Druckseite 70 und die Saugseite 72 einander auf gegenüberliegenden Seiten der Diffusorstrebe 44 abhängig von der Richtung der Strömung 60 des den Turbinenbereich 22 verlassenden heissen Gases 42 entsprechen können. In speziellen Ausführungsformen kann die Flügelform der Diffusorstrebe 44 wenigstens teilweise durch eine Aussenhaut oder (nicht dargestellte) Verkleidung definiert sein, die wenigstens teilweise die Diffusorstrebe 44 umgibt.

[0046] Fig. 4 stellt eine perspektivische Ansicht von zwei benachbarten Diffusorstreben 44 und einen Abschnitt der Innenschale 46 gemäss wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereit. In speziellen Ausführungsformen erstreckt sich, wie in Fig. 4 dargestellt ist, eine Diffusorstrebenverkleidung 100 wenigstens teilweise um jede Abgasstrebe 44 herum. Die Diffusorstrebenverkleidung 100 kann bei bestehenden Abgasdiffusoren nachgerüstet werden oder kann in neue Diffusorstrebendesigns mit einbezogen werden. Die Diffusorstrebenverkleidung 100 enthält einen oberen Abschnitt 102, einen unteren Abschnitt 104, einen Druckseitenabschnitt 106 und einen Saugseitenabschnitt 108. Der Druckseitenabschnitt 106 und der Saugseitenabschnitt 108 erstrecken sich zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt.

[0047] Fig. 5 stellt eine Querschnittsdraufsicht auf eine der Diffusorstreben 44 mit der Diffusorstrebenverkleidung 100 gemäss Darstellung in Fig. 4 in Übereinstimmung speziellen Ausführungsformen bereit. Wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, erstreckt sich die Diffusorstrebenverkleidung 100 um die Vorderkante der Diffusorstrebe 44 herum. In speziellen Ausführungsformen erstreckt sich die Diffusorstrebenverkleidung 100 um die Vorderkante 66 der Diffusorstrebe 44 von der Druckseite 70 zu der Saugseite 72. Gemäss Darstellung schneiden sich der Druckseitenabschnitt 106 und der Saugseitenabschnitt 108 unter Ausbildung eines Vorderkantenabschnittes 110, der sich zwischen dem oberen Abschnitt 102 und dem unteren Abschnitt 104 der Diffusorstrebenverkleidung 100 erstreckt. In speziellen Ausführungsformen ist der Vorderkantenabschnitt 110 der Diffusorstrebenverkleidung 100 im Wesentlichen zu der Vorderkante 66 der Diffusorstrebe 44 ausgerichtet.

[0048] Gemäss Darstellung in Fig. 5 enthält die Diffusorstrebenverkleidung 100 eine Innenoberfläche 112 und eine Aussenoberfläche 114. Die Innenoberfläche 112 und die Aussenoberflache 114 erstrecken sich zwischen dem Druckseitenabschnitt 106, dem Saugseitenabschnitt 108, dem oberen Abschnitt 102 und dem unteren Abschnitt 104 der Diffusorstrebenverkleidung. Der Druckseitenabschnitt 106 kann sich wenigstens teilweise über einen Abschnitt der Druckseite 70 der Diffusorstrebe 44 hinweg erstrecken. Der Saugseitenabschnitt 108 erstreckt sich wenigstens teilweise über die Saugseite 72 der Diffusorstrebe 44. Der Druckseitenabschnitt 106 kann unmittelbar an die Druckseite 70 der Diffusorstrebe 44 angrenzen. Der Saugseitenabschnitt 108 kann unmittelbar an die Saugseite 72 der Diffusorstrebe 44 angrenzen. In speziellen Ausführungsformen ist der Druckseitenabschnitt 106 mechanisch an der Druckseite 70 der Diffusorstrebe 44 z.B. durch Hartlötung oder Verschweissung befestigt. In speziellen Ausführungsformen ist der Saugseitenabschnitt 108 mechanisch an der Saugseite der Diffusorstrebe 44 z.B. durch Hartlötung oder Verschweissung befestigt.

[0049] In speziellen Ausführungsformen definiert die Diffusorstrebenverkleidung 100 wenigstens teilweise einen Strömungsverteiler 116. Der Strömungsverteiler 116 wird wenigstens teilweise durch wenigstens einen von dem Druckseitenabschnitt 106, dem Vorderkantenabschnitt 110 oder dem Saugseitenabschnitt 108 definiert. Der Strömungsverteiler kann wenigstens teilweise zwischen der Diffusorstrebenverkleidung 100 und der Diffusorstrebe 44 definiert sein. Beispielsweise kann der Strömungsverteiler 116 wenigstens teilweise zwischen der Innenoberfläche 112 der Diffusorstrebenverkleidung 100 und einem Abschnitt der Diffusorstrebe 44 definiert sein.

[0050] Fig. 6 stellt eine perspektivische Rückseitenansicht der Diffusorstrebenverkleidung gemäss Darstellung in Fig. 4 und 5 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In einer Ausführungsform gemäss Darstellung in Fig. 6 enthält die Diffusorstrebenverkleidung 100 eine obere Platte 118 und eine untere Platte 120. Die obere Platte 118 ist im Wesentlichen nahe dem oberen Abschnitt 102 der Diffusorstrebenverkleidung 100 angeordnet. Die untere Platte 120 ist im Wesentlichen nahe dem unteren Abschnitt 104 der Diffusorstrebenverkleidung 100 angeordnet. In speziellen Ausführungsformen definieren die obere Platte 118 und/oder die untere Platte 120 wenigstens teilweise den Strömungsverteiler 116. Beispielsweise erstrecken sich in einer Ausführungsform die obere Platte 118 und/oder die untere Platte 120 zwischen der Innenoberfläche 112 der Diffusorstrebenverkleidung 100 und der Diffusorstrebe 44, um wenigstens teilweise den Strömungsverteiler 116 zu definieren. In weiteren Ausführungsformen erstrecken sich die obere Platte 118 und/oder die untere Platte 120 entlang der Innenoberfläche 112 zwischen dem Druckseitenabschnitt 106 und dem Saugseitenabschnitt 108, um wenigstens teilweise den Strömungsverteiler 116 zu definieren. Wenigstens eine von der oberen Platte 118 oder der unteren Platte 120 kann einen Strömungskanal 122 enthalten, um eine Fluidverbindung in den Strömungsverteiler 116 zu erzeugen.

[0051] Fig. 7 stellt eine perspektivische Vorderseitenansicht der Diffusorstrebenverkleidung 100 gemäss Darstellung in den Fig. 4 , 5 und 6 in Übereinstimmung mit wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In speziellen Ausführungsformen gemäss Darstellung in Fig. 5 , 6 und 7 sind mehrere Öffnungen 124 entlang des Saugseitenabschnittes 108 der Diffusorstrebenverkleidung 100 angeordnet. In speziellen Ausführungsformen sind wenigstens einige von den mehreren Öffnungen 124 nahe an der und/oder angrenzend an die Vorderkante 110 der Diffusorstrebenverkleidung 100 angeordnet. Gemäss Darstellung in Fig. 5 stehen die Öffnungen 124 mit dem Strömungsverteiler 116 in Fluidverbindung. Während des Betriebs wird ein verdichtetes Arbeitsfluid 126, wie z.B. verdichtete Luft oder Dampf, aus dem Strömungsverteiler 116 durch die Öffnungen 124 und entlang der Saugseite 108 der Diffusorstrebe 44 geführt.

[0052] Wenigstens einige von den Öffnungen 124 können dafür eingerichtet sein, eine Grenzschicht des heissen Gases 42 über dem Saugseitenabschnitt 108 der Diffusorstrebenverkleidung 100 und/oder über wenigstens einem Abschnitt der Saugseite 72 der Diffusorstrebe 44 während verschiedener Betriebsmodi der Gasturbine 10, wie z.B. während eines Teillastbetriebs bereitzustellen und/oder zu reenergisieren. Beispielsweise können sich, wie in Fig. 7 dargestellt, wenigstens einige von den mehreren Öffnungen 124 im Wesentlichen axial quer zu dem Saugseitenabschnitt 108 der Diffusorstrebenverkleidung 100 erstrecken. Das verdichtete Arbeitsfluid 126 erhöht die Strömungsgeschwindigkeit über dem Saugseitenabschnitt 108 der Diffusorstrebenverkleidung 100 und/oder der Saugseite 72 der Diffusorstrebe 44. Demzufolge kann eine Strömungsablösung des heissen Gases 42 von der Saugseite 108 der Diffusorstrebe 44 verzögert und/oder verhindert werden, um dadurch das Gesamtbetriebsverhalten der Gasturbine 10 zu verbessern und den Wärmeverbrauch der Gasturbine 10 zu reduzieren.

[0053] Wie in Fig. 7 dargestellt, kann wenigstens ein Teil der mehreren Öffnungen 124 in einem Winkel 128 in Bezug auf eine Ebene angeordnet sein, die sich im Wesentlichen parallel zu der axialen Mittellinie 50 des Abgasdiffusors 34 und/oder in Bezug auf die Richtung der Strömung 60 durch den Strömungskanal 52 erstreckt. Der Winkel 128 kann entweder spitz oder stumpf sein, um somit die Strömung des verdichteten Arbeitsfluids 126 zu dem oberen Abschnitt 102 der Diffusorstrebenverkleidung 100 oder der Spitze 64 (Fig. 2 ) der Diffusorstrebe 44 zu lenken oder die Strömung des verdichteten Arbeitsfluids 126 zu dem unteren Abschnitt der Diffusorstrebenverkleidung 100 und/oder dem Fuss 62 (Fig. 2 ) der Diffusorstrebe 44 zu lenken.

[0054] Fig. 8 stellt eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnittes des Abgasdiffusors 34 bereit, der einen Abschnitt des Innengehäuses 54, einen Abschnitt des Aussengehäuses 56, einen Abschnitt des Sammelraums 58 für verdichtetes Arbeitsfluid und einen Abschnitt der Diffusorstrebenverkleidung 100 enthält. Gemäss Darstellung in den Fig. 4 und 8 kann die Diffusorstrebenverkleidung 100 ferner eine Fluidleitung oder Kupplung 130 enthalten, die für eine Fluidverbindung in den Fluidverteiler 116 sorgt. In einer Ausführungsform kann die Fluidleitung mit dem Sammelraum 58 für verdichtetes Arbeitsfluid in Fluidverbindung stehen. In weiteren Ausführungsformen kann die Fluidleitung 130 mit einer (nicht dargestellten) externen Zuführungseinrichtung von verdichtetem Arbeitsfluid über eine oder mehrere Fluidkupplungen in Verbindung stehen.

[0055] Im Betrieb, insbesondere während des Teillastbetriebs der Gasturbine, wird das verdichtete Arbeitsfluid 126 in den Strömungsverteiler 116 eingespritzt. Das verdichtete Arbeitsfluid 126 wird durch die Öffnungen 124 entlang des Saugseitenabschnittes 108 der Diffusorstrebenverkleidung 100 geführt. Das verdichtete Arbeitsfluid 126 strömt durch die Aussenoberflache 114 des Saugseitenabschnittes 108 und die Saugseite 72 der Diffusorstrebe 44 bei relativ hoher Geschwindigkeit in Bezug auf das über die Diffusorstreben 44 strömende Heissgas 42. Das verdichtete Arbeitsfluid 126 verzögert die Strömungsablösung von der Saugseite 108 der Diffusorstrebe 44 und erhöht dadurch die Gesamtleistungsabgabe der Gasturbine 10 und/oder verringert den Wärmeverbrauch der Gasturbine 10. Dieses vergrössert eine ablösungsfreie Betriebshüllkurve der Abgasstreben 44, was das Gesamtbetriebsverhalten der Gasturbine 10, insbesondere bei Teillast oder weniger als Grundlastbetriebsbedingungen, verbessert.

[0056] Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschliesslich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschliesslich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.

[0057] Eine Diffusorstrebenverkleidung enthält einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt, einen Druckseitenabschnitt, einen Saugseitenabschnitt, eine Innenoberfläche und eine Aussenoberfläche. Der Druckseitenabschnitt und der Saugseitenabschnitt erstrecken sich zwischen dem oberen Abschnitt und unteren Abschnitt. Die Abgasdiffusorstrebenverkleidung enthält ferner einen Strömungsverteiler, der wenigstens teilweise zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt definiert ist. Mehrere Öffnungen sind entlang des Saugseitenabschnittes angeordnet und stehen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung.

Bezugszeichenliste

[0058] <tb>10<SEP>Gasturbine <tb>12<SEP>Verdichterbereich <tb>14<SEP>Verdichtereinlass <tb>16<SEP>Verdichtergehäuse <tb>18<SEP>Verbrennungsbereich <tb>20<SEP>Brenner <tb>22<SEP>Turbinenbereich <tb>24<SEP>Welle <tb>26<SEP>stationäre Leitdüsen <tb>28<SEP>Turbinenrotorschaufeln <tb>30<SEP>Mittellinie <tb>32<SEP>Gehäuse <tb>34<SEP>Abgasdiffusor <tb>36<SEP>Luft <tb>38<SEP>Brennkammer <tb>40<SEP>Heissgas <tb>42<SEP>Strebe <tb>44<SEP>Innendeckband <tb>46<SEP>Aussendeckband <tb>48<SEP>Mittellinie <tb>50<SEP>Rahmen <tb>52<SEP>Fluidströmungskanal <tb>54<SEP>Innenwand <tb>56<SEP>Aussenwand <tb>58<SEP>erstes Diffusorsegment <tb>60<SEP>zweites Diffusorsegment <tb>62<SEP>Einlass <tb>64<SEP>Überschneidungspunkt <tb>66<SEP>Stromabwärts liegendes Ende <tb>68<SEP>Strömungsrichtung <tb>70<SEP>Auslass <tb>72<SEP>Fussabschnitt <tb>74<SEP>Spitzenabschnitt <tb>76<SEP>Vorderkante <tb>78<SEP>Hinterkante <tb>80<SEP>Aussenoberfläche <tb>82<SEP>Sehnenlänge <tb>84<SEP>erster Winkel <tb>86<SEP>zweiter Winkel

Claims

1. Diffusorstrebenverkleidung, aufweisend: <tb>a.<SEP>einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt, einen Druckseitenabschnitt, einen Saugseitenabschnitt, eine Innenoberfläche und eine Aussenoberflache, wobei sich der Druckseitenabschnitt und der Saugseitenabschnitt zwischen dem oberen Abschnitt und unteren Abschnitt erstrecken; <tb>b.<SEP>einen Strömungsverteiler, der wenigstens teilweise zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt definiert ist; und <tb>c.<SEP>mehrere Öffnungen, die entlang des Saugseitenabschnittes angeordnet sind, wobei die mehreren Öffnungen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung stehen.

2. Diffusorstrebenverkleidung nach Anspruch 1, die ferner eine obere Platte aufweist, die sich entlang der Innenoberfläche zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt nahe dem oberen Abschnitt erstreckt, und eine untere Platte, die sich entlang der Innenoberfläche zwischen dem Druckseitenabschnitt und dem Saugseitenabschnitt nahe dem unteren Abschnitt erstreckt, wobei die obere Platte und die untere Platte wenigstens teilweise den Strömungsverteiler definieren.

3. Diffusorstrebenverkleidung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere von den Öffnungen in einem Winkel in Bezug auf eine Richtung der Strömung eines Verbrennungsgases angeordnet sind, das über den Saugseitenabschnitt strömt.

4. Diffusorstrebenverkleidung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Öffnungen dafür eingerichtet sind, eine Grenzschicht aus einem verdichteten Arbeitsfluid über wenigstens einem Abschnitt des Saugseitenabschnittes zu erzeugen.

5. Diffusorstrebenverkleidung nach Anspruch 1, die ferner eine Fluidleitung aufweist, die für eine Fluidverbindung in den Strömungsverteiler sorgt.

6. Diffusorstrebenverkleidung nach Anspruch 1, wobei sich der Druckseitenabschnitt und der Saugseitenabschnitt unter Ausbildung einer Vorderkante überschneiden., die sich zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt erstreckt.

7. Abgasdiffusor, aufweisend: <tb>a.<SEP>eine radial von einer Innenschale getrennte Aussenschale und einen dazwischen definierten Abgasströmungskanal; <tb>b.<SEP>eine Diffusorstrebe, die sich zwischen der Innenschale und der Aussenschale in dem Durchflusskanal erstreckt, wobei die Diffusorstrebe eine Druckseite, eine Saugseite und eine Vorderkante besitzt; <tb>c.<SEP>Abgas-Diffusorstrebenverkleidung, die sich um die Vorderkante der Diffusorstrebe erstreckt, wobei die Diffusorstrebenverkleidung einen Saugseitenabschnitt hat, der sich über einen Abschnitt der Saugseite der Diffusorstrebe erstreckt; <tb>d.<SEP>einen Strömungsverteiler, der wenigstens teilweise durch die Diffusorstrebenverkleidung definiert ist; und <tb>e.<SEP>mehrere Öffnungen, die entlang des Saugseitenabschnittes der Abgas-Diffusorstrebenverkleidung angeordnet sind, wobei die mehreren Öffnungen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung stehen.

8. Abgasdiffusor nach Anspruch 7, der eine Diffusorstrebenverkleidung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.

9. Gasturbine, aufweisend: <tb>a.<SEP>einen Verdichterbereich; <tb>b.<SEP>einen Verbrennungsbereich, der stromabwärts von dem Verdichterbereich angeordnet ist; <tb>c.<SEP>einen Turbinenbereich, der stromabwärts von dem Verbrennungsbereich angeordnet ist; und <tb>d.<SEP>einen Abgasdiffusor, der stromabwärts von dem Turbinenbereich angeordnet ist, wobei der Abgasdiffusor eine radial von einer Innenschale getrennte Aussenschale und einen dazwischen definierten Abgasströmungskanal hat, wobei der Abgasdiffusor aufweist: <tb>i.<SEP>eine Diffusorstrebe, die sich zwischen der Innenschale und der Aussenschale in dem Strömungskanal erstreckt, wobei die Diffusorstrebe eine Druckseite, eine Saugseite und eine Vorderkante hat; <tb>ii.<SEP>eine Abgasdiffusorstrebenverkleidung, die sich um die Vorderkante der Diffusorstrebe herum erstreckt, wobei die Diffusorstrebenverkleidung einen Saugseitenabschnitt hat, der sich über einen Abschnitt der Saugseite der Diffusorstrebe erstreckt; <tb>iii.<SEP>. einen Strömungsverteiler, der wenigstens teilweise durch die Diffusorstrebenverkleidung definiert ist; und <tb>iv.<SEP>mehrere entlang des Saugseitenabschnittes der Abgasdiffusorstrebenverkleidung angeordnete Öffnungen, wobei die mehreren Öffnungen mit dem Strömungsverteiler in Fluidverbindung stehen.

10. Gasturbine nach Anspruch 15, die eine Diffusorstrebenverkleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder einen Abgasdiffusor nach Anspruch 7 aufweist.