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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere eine Propeller-Gasturbine, mit einem Profilwärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 31 46 089 C2 ist ein bei Gasturbinentriebwerken einsetzbarer Profilwärmetauscher mit einem geteilten Zentralrohr bekannt, dessen Passagen über lanzettenartige Hohlprofile kommunizieren, welche beidseits des Zentralrohres U-förmig auskragen. Vorzuwärmende Druckluft strömt durch eine obere Zuführpassage des Zentralrohres und von dort durch die Hohlprofile in eine untere Abführpassage, um einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt zu werden. Dabei wird die Druckluft im Kreuz-Gegenstrom von einem Heißgasstrom erwärmt, der die Hohlprofile normal zur Längsachse des Zentralrohres außen umströmt. In nicht näher spezifizierter Weise sind in Ausführungsbeispielen Reihen von Hohlprofilen zur Längsachse des Zentralrohres geneigt.
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Aus der
DE 36 42 506 A1 ist eine würfelförmige Gasturbine mit einem Profilwärmetauscher mit mehreren Zentralrohren zur Zu- bzw. -Abfuhr von Druckluft bekannt, die über U-förmig auskragende Hohlprofile miteinander kommunizieren, deren Profilachse in Richtung der Strömung von Abgas ausgerichtet ist, welches die Hohlprofile umströmt. Die Längsachsen der drei parallelen Zentralrohre ist hierzu gegen eine Längsachse der Gasturbine geneigt.
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Beide Lösungen sind hinsichtlich der Abgasströmung um die Hohlprofile noch verbesserungswürdig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Gasturbine mit einem Profilwärmetauscher zur Verfügung zu stellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass durch eine Neigung der Hohlprofile gegen die Strömungsrichtung eines sie umströmenden Fluids wie beispielsweise des Abgases der Gasturbine dessen Umlenkung verringert und so Strömungsverluste reduziert werden können. Eine solche Neigung von in Hohlprofilreihen angeordneten Hohlprofilen ist grundsätzlich in verschiedener Weise möglich:
- • durch Neigung der Profilachsen der einzelnen Profile, etwa der großen Halbachsen elliptischer Hohlprofile;
- • durch Neigung der Reihenachse kompletter Hohlprofilreihen; und
- • durch Neigung der Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, insbesondere eines Zentral- bzw. Sammelrohres, mit dem die Hohlprofile verbunden sind.
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Erfindungsgemäß wird nun im Wesentlichen vorgeschlagen, zwei oder drei der oben genannten Ansätze zu kombinieren. Dies gestattet die gleichzeitige Optimierung verschiedener Kriterien, insbesondere eine geringe Strömungsumlenkung durch den Wärmetauscher bei gleichzeitig reduzierten Strömungsverlusten unter Berücksichtigung konstruktiver Randbedingungen, etwa des für den Wärmetauscher zur Verfügung stehenden Bauraums.
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Hierzu weist eine Gasturbine mit einem Profilwärmetauscher eine oder mehrere Zuführpassage zur Zufuhr von einem ersten Fluid, insbesondere Druckluft, und eine oder mehrere Abführpassage zur Abfuhr von ersten Fluid auf. Zu- und Abführpassage können beispielsweise durch ein gemeinsames, entsprechend geteiltes Rohr oder auch durch separate Rohre definiert sein, deren Längsachsen dann vorzugsweise im Wesentlichen parallel orientiert sind.
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Eine Zu- und eine Abführpassage kommunizieren über eine Mehrzahl von Hohlprofilen, deren Querschnitt eine ausgezeichnete Profilachse aufweist, beispielsweise ein große Hauptachse eines lanzettenförmigen oder elliptischen Profils. Die Hohlprofile sind in Strömungsrichtung eines sie außen umströmenden zweiten Fluids, insbesondere Abgas, in Hohlprofilreihen hintereinander angeordnet, wobei bevorzugt mehrere Hohlprofilreihen in axialer Richtung der Zu- bzw. Abführpassage hintereinander angeordnet sind. Die Hohlprofile können sich insbesondere im Wesentlichen U-förmig zwischen der Zu- und der Abführpassage erstrecken.
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Erfindungsgemäß sind nun zum einen eine oder mehrere, vorzugsweise alle Reihenachsen, um unterschiedliche oder denselben Reihenwinkel gegen eine Normale zu einer Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, insbesondere eines entsprechenden Rohres, geneigt, i. e. schließen mit dieser Längsachse einen nicht-rechten Winkel ein bzw. sind nicht parallel zu der Normalen, sondern schließen mit dieser einen Winkel ein, der in einer bevorzugten Ausführung in einem Bereich zwischen 15° und 45° liegt.
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Zum anderen sind zusätzlich die Profilachsen eines oder mehrerer, vorzugsweise aller Hohlprofile um unterschiedliche oder denselben Profilwinkel, der in einer bevorzugten Ausführung in einem Bereich zwischen 2° und 10° liegt, vorzugsweise gleichsinnig, i. e. in dieselbe Richtung wie die Neigung der Hohlprofilreihe gegen die Normale zur Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, gegen die Reihenachse des jeweiligen Hohlprofils geneigt. Zusätzlich oder alternativ sind die Längsachsen einer oder mehrerer, vorzugsweise aller Zu- und/oder Abführpassagen um unterschiedliche oder denselben Passagenwinkel, der in einer bevorzugten Ausführung in einem Bereich zwischen 5° und 20° liegt, vorzugsweise gleichsinnig, i. e. in dieselbe Richtung wie die Neigung der Hohlprofilreihe gegen die Normale zur Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, gegen eine Längsachse der Gasturbine geneigt.
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Dabei sind die Winkel auf wenigstens einen meridionalen Schnitt, der die Längsachse der Gasturbine enthält, oder eine Abwicklung, insbesondere einer Zu- bzw. Abführpassage mit den entsprechenden Hohlprofilöffnungen, bezogen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist eine Gasturbine mit Profilwärmetauscher eine Strömungsumlenkung, beispielsweise ein entsprechendes Austrittsgehäuse stromabwärts eines Turbinen- bzw. Brennkammeraustritts, auf, durch die zweites Fluid aus einer axialen Richtung längs der Längsachse der Gasturbine um einen Turbinenaustrittswinkel teilweise in radiale Richtung um- und auf die Hohlprofile des Profilwärmetauschers gelenkt wird, um diese zu umströmen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Strömungsumlenkung, beispielsweise eine entsprechend ausgebildete Düse, stromabwärts des Profilwärmetauschers vorgesehen sein, durch die zweites Fluid nach Umströmen der Hohlprofile des Profilwärmetauschers um einen Düseneintrittswinkel in eine, insbesondere zur Längsachse der Gasturbine im Wesentlichen parallele, Richtung umgelenkt wird.
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Insbesondere hierdurch können mehrere Wärmetauscherpakete mit je wenigstens einer Zu- und Abführpassage und, vorzugsweise beidseits der Zu- und Abführpassage angeordneten, Hohlprofilen in Umfangsrichtung der Gasturbine nebeneinander angeordnet werden, was den axialen Platzbedarf vorteilhaft verkürzt. Zusätzlich oder alternativ können auch in axialer Richtung der Gasturbine mehrere Wärmetauscherpakete hintereinander angeordnet werden, um die durchströmte Ein- bzw. Austrittsfläche des Wärmetauschers zu vergrößern.
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Reihen-, Profil- und/oder Passagenwinkel können so gewählt sein, dass ein Umlenkwinkel des zweiten Fluids durch den Profilwärmetauscher, beispielsweise infolge einer der vorgenannten Strömungsumlenkungen, kleiner ist als 75°, insbesondere kleiner als 60° und vorzugsweise kleiner als 45°.
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Insbesondere, um Strömungsverluste zu reduzieren und den Wärmeaustausch zwischen erstem und zweitem Fluid zu verbessern, werden Reihen-, Profil- und/oder Passagenwinkel gemäß einer bevorzugten Ausführung so gewählt, dass ein freier Strömungsquerschnitt zwischen benachbartern Hohlprofilen benachbarter Hohlprofilreihe im Wesentlichen die gleiche Größe aufweist. Zusätzlich oder alternativ können Querschnitte der Hohlprofile und/oder Abstände zwischen benachbarten Hohlprofilen entsprechend gewählt werden.
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Mit besonderem Vorteil ist der Profilwärmetauscher als Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet, indem beispielsweise zu erwärmende Druckluft und hierzu verwendetes Abgas der Gasturbine im Kreuz-Gegenstrom strömen.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 Querschnitte von Hohlprofilen eines Profilwärmetauscher einer Gasturbine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine isometrische Ansicht des Profilwärmetauschers mit mehreren Wärmetauscherpaketen.
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2 zeigt in isometrischer Ansicht einen Profilwärmetauscher einer Gasturbine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Dieser umfasst zwei in axialer Richtung der Gasturbine (von links nach rechts in 2) hintereinander angeordnete Ringe, die jeweils fünf gleichmäßig über den Umfang verteilte, in Umfangsrichtung der Gasturbine nebeneinander angeordnete Wärmetauscherpakete umfassen.
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Jedes Wärmetauscherpaket weist ein Zuführrohr 10 und ein hierzu paralleles Abführrohr 20 auf, die eine Zuführpassage zur Zufuhr von zu erwärmender Druckluft aus dem Verdichter der Gasturbine (nicht dargestellt) bzw. eine Abführpassage zur Abfuhr von erwärmter Druckluft in die Brennkammer der Gasturbine (nicht dargestellt) definieren.
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Beidseits jedes Zu- und Abführrohrpaares erstrecken sind U-förmige Hohlprofile, die in 2 nur in ihrer Gesamtheit angedeutet sind. Dabei umfasst jedes Hohlprofilpaket 30 eine Vielzahl einzelner Hohlprofile 1, auf deren Anordnung mit Bezug auf 1 nachfolgend eingegangen wird.
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Heiße Abgase strömen in axialer Richtung einer Längsachse T der Gasturbine aus einem Turbinen- bzw. Brennkammeraustritt aus (von links nach rechts in 1, 2), werden durch ein Austrittsgehäuse (nicht dargestellt) teilweise in radiale Richtung (vertikal in 1, 2) umgelenkt und umströmen so die einzelnen Hohlprofile der Hohlprofilpakete 30. Anschließend werden sie durch eine Düse (nicht dargestellt) wieder in axiale Richtung parallel zur Längsachse T der Gasturbine umgelenkt.
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Beim Umströmen tauschen die Abgase Wärme mit der Druckluft aus, die von einem Zuführrohr 10 durch die U-förmigen Hohlprofile in das zugeordnete Abführrohr 20 strömt und dabei erwärmt wird.
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1 zeigt im Detail Querschnitte von Hohlprofilen 1 eines Hohlprofilpakets 30, beispielsweise in einer Abwicklung eines Zuführohres 10 oder einem meridionalen Schnitt. Man erkennt die einzelnen lanzettenförmigen Hohlprofile 1. Zusätzlich ist die zur Turbinenlängsachse T parallele axiale Zuströmung vTA vom Turbinenaustritt, die hierzu parallele axiale Abströmung vD zur Düse sowie die dazwischen stattfindende Umlenkung der Abgase um einen Turbinenaustrittswinkel β1 zu den Hohlprofilen hin bzw. um einen Düseneintrittswinkel β2 nach Durchströmen des Hohlprofilpaketes 30 angedeutet.
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Mehrere Hohlprofile 1 sind in Umfangsrichtung eines Zu- bzw. Abführrohres 10, 20 übereinander, i. e. in Strömungsrichtung der Abgase hintereinander, längs einer Reihenachse R in einer Hohlprofilreihe angeordnet, mehrere Hohlprofilreihen in axialer Richtung der Gasturbine (von lins nach rechts in 1) hintereinander.
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Erfindungsgemäß sind zum einen die Reihenachsen R gegen eine zu einer Längsachse Z der Zu- und Abführrohre 10, 20 senkrechte Normale Z' um einen Reihenwinkel αRZ' = 30° geneigt, wodurch die einzelnen Hohlprofile bereits gegen eine zur Zu- und Abströmrichtung vTA, vD bzw. Längsachse T der Gasturbine senkrechte Normale geneigt sind, i. e. keine Umlenkung um 90° stattfindet.
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Zusätzlich sind die großen Halbachsen bzw. Profilachsen P der einzelnen Hohlprofile 1 jeweils um einen Profilwinkel αPR = 6° gleichsinnig, i. e. noch weiter gegen die Reihenachsen R geneigt. Hierdurch können freie Strömungsquerschnitte S zwischen benachbarten Hohlprofilen 1 benachbarter Hohlprofilreihe im Wesentlichen gleich groß eingestellt werden.
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Weiter zusätzlich sind die parallelen Längsachsen Z der Zu- und Abführrohe 10, 20 gleichsinnig, i. e. noch weiter um einen Passagenwinkel αZT = 10° gegen die Längsachse T der Gasturbine geneigt, so dass die beiden Wärmetauscherpaketringe insgesamt kegelstumpfförmig um die Längsachse T der Gasturbine angeordnet sind. Hierdurch kann die Umlenkung der Abgase nochmals verringert werden.
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Turbinenaustritts- bzw. Düseneintrittswinkel β1, β2 ergeben sich somit kumulativ zu β1 = β2 = 90° – αZT – αPR – αRZ' = 44°, i. e. weniger als 45°.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlprofil
- 10
- Zuführrohr
- 20
- Abführrohr
- 30
- Hohlprofilpaket
- P
- Profilachse
- R
- Reihenachse
- S
- freier Strömungsquerschnitt zwischen Hohlprofilen
- T
- Turbinenlängsachse
- Z
- Rohrachse
- Z'
- Normale senkrecht zur Rohrachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3146089 C2 [0002]
- DE 3642506 A1 [0003]
