DE102010038020A1

DE102010038020A1 - Abgasdiffusor

Info

Publication number: DE102010038020A1
Application number: DE102010038020A
Authority: DE
Inventors: Deepesh Dinesh Bangalore Nanda
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2011-04-21
Also published as: CN102042048A; CN102042048B; CH701954A2; JP2011085134A; US20110088379A1; CH701954B1; JP6017755B2

Abstract

Ein Abgasdiffusor enthält einen zentralen Grundkörper (202, 602), der aufweist: einen Einlass (508), der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden; eine äußere Wand (206, 504); eine innere Wand (204); und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende (212). Die innere Wand bildet von einem Eintrittsort ausgehend zu dem Ende eine fortlaufende Krümmung. Der Diffusor enthält ferner einen zweiten Abschnitt (104, 604), der mit dem Ende des zentralen Grundkörpers verbunden ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die hier beschriebene Erfindung betrifft Turbinen und speziell Diffusoren für den Einsatz in Gasturbinen und Dampfturbinen.
Typische Gasturbinen enthalten einen Diffusorkonus oder Diffusor, der an der Schaufel der letzten Stufe des Rotors angebracht ist. Der Diffusor dient im Wesentlichen dazu, den statischen Druck des Abgases durch eine Verringerung der kinetischen Energie des Abgases zu steigern. Allgemein kann dies durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Diffusors in Richtung des Abgasmassenstroms erreicht werden.
Selbstverständlich sind Diffusoren nicht uneingeschränkt effizient. Eine Quelle von Verlusten und Erzeugung von Turbulenz in Abgasdiffusoren basiert ergibt sich aus der Wechselwirkung der Strömung mit Streben und Inspektionsöffnungen. Die Streben sind strukturelle Elemente, die die Rotorlast von einem Zentrum auf ein Außengehäuse (bzw. eine äußere Wand) übertragen, wobei das Außengehäuse anschließend die Last auf ein Fundament überträgt. Aerodynamisch bilden Streben Hindernisse zwischen der inneren und äußeren Wand des Diffusors. Die innere Wand umgibt gewöhnlich einen Abschnitt der Rotorwelle und andere in Frage kommende Elemente.
Der Verlust, der aufgrund der Wechselwirkung der Strömung mit Streben hervorgerufen wird, wird bei hohen Machzahlen an dem Turbinenauslass möglicherweise noch gesteigert, was durch Turbinenbetriebsbedingungen großen Massendurchsatzes und durch Strömungsverteilungen gefördert werden kann, die einen großen Teil der Strömung in der Nähe des Nabenströmungspfads konzentrieren. Streben sind gewöhnlich in der Nähe des Diffusoreinlasses angeordnet, wo sich konstruktionsmäßig der Bereich des größten Diffusionsgradienten befindet. Folglich kann ein in diesem Bereich auftretender Verlust sich entscheidend auf die Leistung und das akustische Verhalten des gesamten Diffusorsystems auswirken.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein zentraler Grundkörper für einen Abgasdiffusor offenbart. Der zentrale Grundkörper weist eine äußere Wand und eine von der äußeren Wand beabstandete innere Wand auf, wobei die innere Wand eine fortlaufende Krümmung zwischen einem Eintrittsort und einem Ende des zentralen Grundkörpers bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Abgasdiffusor offenbart. Der Diffusor weist einen zentralen Grundkörper mit einem Einlass auf, der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden, wobei der zentrale Grundkörper eine äußere Wand, eine innere Wand und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende aufweist, wobei die innere Wand eine fortlaufende Krümmung von einem Eintrittsort zu dem Ende bildet. Der zentrale Grundkörper weist einen zweiten Abschnitt auf, der mit dem Ende des zentralen Grundkörpers verbunden ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gasturbine, die ein Turbinengehäuse aufweist, das einen Abschnitt der Gasturbine umgibt. Die Turbine enthält ferner einen Abgasdiffusor, der mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, das einen zentralen Grundkörper mit einem Einlass aufweist, der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden, wobei der zentrale Grundkörper eine äußere Wand, eine innere Wand und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende aufweist, wobei die innere Wand von einem Eintrittsort zu dem Ende eine fortlaufende Krümmung bildet.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Der als die Erfindung erachtete behandelte Gegenstand, wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:
1 zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht eines Diffusors nach dem Stand der Technik;
2 zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht eines Diffusors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 zeigt die kinetische Turbulenzenergie, die in den in 1 dargestellten Diffusoren vorliegen kann;
4 zeigt die kinetische Turbulenzenergie, die in den in 2 gezeigten Diffusoren vorhanden sein kann;
5 zeigt einen Graph, der die Turbulenzintensitätsänderung über die Spanne des Radius an dem Grundkörperende veranschaulicht;
6 zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht eines weiteren Diffusors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht noch eines Diffusors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 veranschaulicht die kinetische Turbulenzenergie in einem Diffusor, wie er in 2 gezeigt ist; und
9 veranschaulicht die kinetische Turbulenzenergie in einem Diffusor, wie er in 7 gezeigt ist.
Die detaillierte Beschreibung erläutert mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Strömungspfadbereich in dem Strebenkanal durch eine Gestaltung des Innenzylinders (bzw. der inneren Wand) des Diffusors gesteuert. Diese Gestaltung des Strömungspfades wird erzielt, indem die maximale Öffnung bei dem Abschnitt minimalen Querschnitts in dem Diffusor vorliegt, der sich bei der maximalen Strebendicke befindet, wobei eine gezielte Änderung stromaufwärts und stromabwärts der Strebe eine Gestalt des Strömungspfad der inneren Wand erzeugt, und häufig durch Strömungsabriss von Wänden begrenzt ist. Das Grundkörperende ist die Funktion des Radius des zentralen Grundkörpers und des Winkels der Diffusorinnenwand. In ähnlicher Weise wird das Gehäuse gestaltet, indem der Radius des Endes der äußeren Wand festgehalten wird und eine Funktion der radialen Verwirbelung ist. Insbesondere und im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der die innere Wand einen oder mehrere ”ebene ” Abschnitte aufweist, kann die innere Wand, in einem Ausführungsbeispiel so gestaltet sein, dass die innere Wand von dem Einlass zu einem Ende eines zentralen Grundkörperabschnitts des Diffusors gekrümmt ist. Hieraus ergibt sich eine geringere Behinderung durch die Strebe und somit eine Verringerung des Verlusts durch die Strebe. In noch einem Ausführungsbeispiel kann die äußere Wand stromaufwärts der Streben gestaltet sein, mit der Folge, dass die Machzahl quer über die Streben verringert wird, ohne die Außenwanddurchmesser zu erweitern, die möglicherweise aufgrund von Versandbeschränkungen einer Turbine begrenzt sind.
1 zeigt eine abgeschnittene Seitenansicht eines Diffusors aus dem Stand der Technik 100. Der Diffusor 100 enthält einen zentralen Körperabschnitt 102 und einen zweiten Abschnitt 104. Der zentrale Körperabschnitt 102 und der zweite Abschnitt 104 können getrennt ausgebildet werden und im Einsatz miteinander vereinigt werden. Der zentrale Körperabschnitt 102 weist eine Rotorkammer 106 auf. Die Rotorkammer 106 umgibt im Betrieb einen Abschnitt eines (nicht gezeigten) Gasturbinenrotors.
Der zentrale Körperabschnitt 102 weist eine innere Wand 108 auf, die aus mindestens einer ersten Ebene 110 und einer zweiten Ebene 112 gebildet ist. Die erste Ebene 110 erstreckt sich von der Nabe 114 zu der zweiten Ebene 112. Die zweite Ebene 112 erstreckt sich von der ersten Ebene 110 zu dem Grundkörperende 118. Der zweite Abschnitt 104 kann einen zylindrischen Kanal aufweisen, der dazu eingerichtet ist, einen Abschnitt eines Rotors oder andere Elemente zu umgeben.
Der zentrale Körperabschnitt 102 kann ferner eine oder mehrere Streben 120 enthalten, die zwischen der inneren Wand 108 und der äußeren Wand 122 ausgebildet sind. Die Strebe 120 dient dazu, die innere Wand 108 und die äußere Wand 122 in einer festen Beziehung zueinander zu halten. Die Anzahl von Streben 120 ist variabel und beträgt üblicherweise vier, fünf oder zehn.
Der Diffusor 100 hat einen Diffusoreinlass 124, der gewöhnlich mit einem (nicht gezeigten) Auslass der Gasturbine verbunden ist, und einen Diffusorauslass 126, der mit einem Schalldämpfer verbunden sein kann. Während der in 1 gezeigte Entwurf im Allgemeinen möglicherweise in der Lage ist, den beabsichtigten Zweck zu erfüllen, kann eine solche Konstruktion einen oder mehrere Nachteile aufweisen. Erstens ist die Wechselwirkung der Strömung mit Streben 120, wie im Vorausgehenden beschrieben, eine Hauptursache des Auftretens von Verlusten und Turbulenzen in Abgasdiffusoren. Diese Verluste können mit hohen Machzahlen an dem Turbinenauslass (z. B. hohen Eintrittsgeschwindigkeiten an dem Diffusoreinlass 124) gesteigert werden, was durch Hochstrombetriebsbedingungen und Strömungsverteilungen, die einen großen Teil der Strömung in der Nähe des Strömungspfads der Nabe 114 konzentrieren, gefördert werden kann. Die Streben 120 sind gewöhnlich in der Nähe des Diffusoreinlasses 124 angeordnet, der konstruktionsmäßig der Bereich des größten Diffusionsgradienten ist. Folglich kann sich jeder in diesem Bereich entstandene Verlust maßgebend auf die Leistung des gesamten Diffusorsystems auswirken.
Darüber hinaus beeinflusst das Auftreten großer Turbulenzen das akustische Verhalten der Schalldämpferkonstruktion des Abgasdiffusors nachteilig und kann Schwingungen an einem ersten Bündel von Rohren eines mit dem Diffusor verbundenen HRSG anregen oder eine zusätzliche Ursache dafür sein, was zu einem Ausfall des HRSG führen kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Beispiels eines Diffusors 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Diffusor 200 enthält einen zentralen Grundkörper 202 und einen zweiten Abschnitt 104. Im Betrieb strömt Abgas aus der Gasturbine durch den Diffusor in der mit dem Pfeil A bezeichneten Richtung. In dieser Beschreibung, befindet sich ein Objekt ”stromabwärts” eines anderen Objekts oder einer Position, falls es davon in Richtung des Pfeils A beabstandet ist, und es befindet sich ”stromaufwärts”, falls es in einer gegenüber dem Pfeil A entgegengesetzten Richtung davon beabstandet ist.
Der zentrale Grundkörper 202 weist eine innere Wand 204 und eine äußere Wand 206 auf. Die Streben 120 halten die innere Wand 204 in einer festen Beziehung zu der äußeren Wand 206. Die innere Wand 204 bildet eine innere Kammer 208, durch die einen Abschnitt eines Rotors hindurchgeführt sein kann. Der zentrale Grundkörper 202 weist außerdem einen Einlass 211 auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel verläuft die innere Wand 204 gekrümmt von einem Eintrittsort 210 zu einem Grundkörperende 212. In einem Ausführungsbeispiel ist die Krümmung eine fortlaufende Krümmung. In einem Ausführungsbeispiel weist die Krümmung ein Keilprofil auf. In einem Ausführungsbeispiel ist die innere Wand ausgehend von einem geringen Abstand stromabwärts des Eintrittsorts 210 zu dem Grundkörperende 212 gekrümmt. In einem Ausführungsbeispiel bildet die innere Wand 204 eine fortlaufende Krümmung von dem Grundkörperende 212 zu einem Bereich stromaufwärts einer oder mehrerer Streben 120. In einem Ausführungsbeispiel kann sich der Eintrittsort 210 an einer beliebigen Stelle zwischen dem Einlass 211 und den Streben 120 befinden.
Die erste Ebene 110 und eine zweite Ebene 112 aus 1 sind als Gegensatz (gestichelt gezeichnet) dargestellt und sind nicht Teil des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels. Wie aus 2 zu entnehmen, vergrößert die Gestaltung einer gekrümmten inneren Wand 204 die Querschnittsfläche des zentralen Grundkörpers 202. Dies kann in einem Ausführungsbeispiel eine durch die Streben 120 verursachte Turbulenz verringern, ohne den Außendurchmesser der äußeren Wand 206 gegenüber dem nach dem Stand verwendeten zu erweitern. In noch einem Ausführungsbeispiel kann die Verwendung einer gekrümmten inneren Wand 204 erlauben, die äußere Wand 206 mit einem kleineren Durchmesser zu bemessen.
3 bzw. 4 veranschaulichen die kinetische Turbulenzenergie (k) in Grundkörpern 102 und 202, wie sie in 1 und 2 gezeigt sind. Der Wert k ist durch die Schwankungen der Geschwindigkeit definiert und hat die Dimensionen (Länge²/Zeit²). In 3 und 4 ist der Bereich, der die niedrigsten k-Werte (in der Größenordnung von 0,0 bis 100 m²/s²) aufweist, mit Bezugszeichen 302 bezeichnet. Wie ersichtlich, ist der Bereich mit dem niedrigen k-Wert in 3 wesentlich kleiner als in 4. Dementsprechend ist die kinetische Turbulenzenergie des zentralen Grundkörpers 202 geringer als diejenige des zentralen Grundkörpers 102. Geringere k-Werte bedeuten geringere Verluste.
5 zeigt die Änderung der Turbulenzintensität (x-Achse) abgetragen an der Spanne der Länge eines zentralen Grundkörpers (y-Achse). Die Turbulenzintensität ist in diesem Beispiel definiert mit: I = ((k²/3)^1/2)/(mittlere Geschwindigkeit an dem Einlass des zentralen Grundkörpers). In 5 repräsentiert die Krümmung 402 die Intensität I für den zentralen Grundkörper 102, und die Krümmung 404 repräsentiert die Intensität I für den zentralen Grundkörper 202. Für beide Krümmungen 402 und 404 enthält der zentrale Grundkörper 10 Streben 120.
Außerdem zeigten experimentell gewonnene Daten, dass der Erholungsfaktor (RF, Recover Factor) des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels größer ist als derjenige von 1. In der Tat haben experimentelle Daten zwischen dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 und dem in 1 gezeigten Beispiel eine Steigerung des RF von über 10 Prozent nachgewiesen.
6 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel eines Diffusors 502. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Diffusor 502 eine modifizierte äußere Wand 504 auf. Die Außenwand 504 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem gekrümmten Abschnitt 506 ausgebildet. Der gekrümmte Abschnitt 506 erstreckt sich von einem Einlass 508 des Diffusors 502 zu einer Stelle stromabwärts des Einlasses 508. In einem Ausführungsbeispiel weist der Diffusor 502 einen Radius r auf, und der gekrümmte Abschnitt 506 erstreckt sich nicht über einen Abstand r von der Mittelachse 510 des Diffusors hinaus. In einem Ausführungsbeispiel kann die innere Wand 512 gestaltet sein, wie es in 1 oder 2 gezeigt ist.
7 zeigt in einer abgeschnittenen Seitenansicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der in 7 gezeigte Diffusor 600 weist einen zentralen Grundkörper 602 und einen zweiten Abschnitt 604 auf. Der zweite Abschnitt 604 kann getrennt von dem zentralen Grundkörper 602 ausgebildet sein und mit diesem entlang einer Eintrittsseitenwand 605 des zweiten Abschnitts 604 verbunden sein. Selbstverständlich kann der zentrale Grundkörper 602 und der zweite Abschnitt 604 auch einstückig ausgebildet sein.
Der zweite Abschnitt 604 weist eine innere Wand 612 auf. In einem Ausführungsbeispiel ist die Eintrittsseitenwand 605 über die Krümmung 606 mit der inneren Wand 612 verbunden. Dies steht im Gegensatz zu dem exemplarisch durch gestrichelte Linien 608 und 610 veranschaulichten Stand der Technik.
Vorteilhafterweise wird die kinetische Turbulenzenergie, wie in 8 und 9 gezeigt, durch die Verwendung der Krümmung 606 reduziert. 8 veranschaulicht die kinetische Turbulenzenergie in einem Diffusor, wie er in 2 gezeigt ist. 8 weist Bereiche 702, 704 und 706 auf, die Bereiche gesteigerter Turbulenz sind. 9 veranschaulicht die kinetische Turbulenzenergie im Falle eines Diffusors, der einen zweiten Abschnitt 604 aufweist, wie er in 7 gezeigt ist. Der in 9 gezeigte Diffusor weist keine Bereiche 702, 704 und 706 auf. Dies zeigt, dass in der Konstruktion, in der ein wie in 7 gezeigter zweiter Abschnitt 602 verwendet wird, weniger Turbulenz vorhanden ist.
Es versteht sich, dass die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur Vereinfachung der Erläuterung getrennt gezeigt sind. Weiter ist selbstverständlich, dass jedes hierin beschriebene Ausführungsbeispiel mit jedem der übrigen hier dargelegten Ausführungsbeispiele kombiniert werden kann. Beispielsweise kann die gekrümmte innere Wand nach 2 mittels eines Diffusors durchgeführt sein, der eine gekrümmte äußere Wand aufweist, wie sie in 6 gezeigt ist. Darüber hinaus kann eines oder beide der in 2 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiele einen zweiten Abschnitt aufweisen, wie er in 7 gezeigt ist.
Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.
Ein Abgasdiffusor enthält einen zentralen Grundkörper 202, 602, der aufweist: einen Einlass 508, der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden; eine äußere Wand 206, 504; eine innere Wand 204; und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende 212. Die innere Wand bildet von einem Eintrittsort ausgehend zu dem Ende eine fortlaufende Krümmung. Der Diffusor enthält ferner einen zweiten Abschnitt 104, 604, der mit dem Ende des zentralen Grundkörpers verbunden ist.
Bezugszeichenliste

100, 200, 502, 600: Diffusor nach dem Stand der Technik
102, 202, 602: Zentraler Körperabschnitt
104, 604: Zweiter Abschnitt
106: Rotorkammer
108, 204, 512, 612: Innere Wand
110: Erste Ebene
112: Zweite Ebene
114: Nabe
118, 212: Grundkörperende
120: Streben
122, 206, 504: Äußere Wand
124, 211, 508: Diffusoreinlass
126: Diffusorauslass
208: Innere Kammer
210: Eintrittsort
302: Ventilbereich mit geringem k-Wert
402, 404: Krümmung
506, 606: Gekrümmter Abschnitt der äußeren Wand
510: Mittellinie
605: Seitenwand
608, 610: Gepunktete Linien
702, 704, 706: Bereiche gesteigerter Turbulenz

Claims

Zentraler Grundkörper (202, 602) für einen Abgasdiffusor, wobei der zentrale Grundkörper aufweist: eine äußere Wand (206, 504); und eine innere Wand (206), die von der äußeren Wand beabstandet ist, wobei die innere Wand eine fortlaufende Krümmung zwischen einem Eintrittsort (210) und einem Ende (212) des zentralen Grundkörpers bildet.
Zentraler Grundkörper nach Anspruch 1, zu dem gehören: eine oder mehrere Streben (120), die zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand angebracht sind.
Zentraler Grundkörper nach Anspruch 2, wobei der Eintrittsort sich stromaufwärts der einen oder der mehreren Streben befindet, und wobei sich das Ende stromabwärts der Streben befindet.
Zentraler Grundkörper nach Anspruch 1, wobei die äußere Wand einen gekrümmten Abschnitt (506) aufweist, der sich ausgehend von einem Einlass (508) zu einer Stelle stromabwärts des Einlasses erstreckt.
Zentraler Grundkörper nach Anspruch 1, in Verbindung mit einem zweiten Abschnitt (604), der eine Eintrittsseitenwand (605) aufweist, die über einen gekrümmten Abschnitt (606) mit einer inneren Wand (612) des zweiten Abschnitts verbunden ist.
Zentraler Grundkörper nach Anspruch 1, in Verbindung mit einer Gasturbine.
Abgasdiffusor, zu dem gehören: ein zentraler Grundkörper (202, 602) mit einem Einlass (211), der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden, wobei der zentrale Grundkörper eine äußere Wand (206, 504), eine innere Wand (204) und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende (212) aufweist, wobei die innere Wand eine fortlaufende Krümmung von einem Eintrittsort zu dem Ende bildet; und ein zweiter Abschnitt (104, 604), der mit dem Ende des zentralen Grundkörpers verbunden ist.
Abgasdiffusor nach Anspruch 7, in Verbindung mit einer Gasturbine.
Abgasdiffusor nach Anspruch 7, wobei die äußere Wand eine Krümmung von dem Einlass zu einer Stelle stromabwärts des Einlasses bildet.
Abgasdiffusor nach Anspruch 7, wobei der zentrale Grundkörper in der inneren Wand eine Ausnehmung aufweist, um einen Rotor aufzunehmen.