DE102011118735A1

DE102011118735A1 - Diffusor, insbesondere für eine axiale strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102011118735A1
Application number: DE102011118735A
Authority: DE
Inventors: Willy Heinz Hoffmann; Armin Busekros; Thomas Peter SOMMER
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23
Also published as: JP2016180412A; US20130129498A1; EP2594741A3; CN103122776A; JP2013108498A; EP2594741A2; RU2012148919A; RU2569015C2; JP6188885B2; CN103122776B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusor (20), insbesondere für eine axiale Strömungsmaschine, vorzugsweise eine stationäre Gasturbine, welcher Diffusor (20) entlang einer Maschinenachse (31) von einem Ringkanal (17) mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Austrittsraum (21) mit einer zweiten, grösseren Querschnittsfläche übergeht. Ein verbesserter Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, dass der Übergang in mehreren Stufen (22a–c) erfolgt und dass ein Ringspalt (29) vorgesehen ist, durch welchen ein Gasstrom austreten und als Coanda-Strömung (30) an der Leitfläche (28) entlangströmen kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der axialen Strömungsmaschinen. Sie betrifft einen Diffusor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Diffusoren, die am Ausgang von stationäre Gasturbinen angeordnet sind und die Strömungsgeschwindigkeit der aus der Turbine kommenden Gase verringern und einen Druckaufbau bewirken sollen, um den Wirkungsgrad der Gasturbine zu verbessern, sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. die Druckschrift EP 0 491 966 A1 oder die Druckschrift US 2011/058939 A1 mit der dortigen 1).
In der Vergangenheit sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, um die Wirkung des Diffusors am Ausgang einer Gasturbine und damit den Gesamtwirkungsgrad der Maschine zu verbessern. So wird unter anderem in der Druckschrift EP 0 265 633 B1 vorgeschlagen, den Diffusor in radialer Richtung mittels strömungsführender Leitbleche in mehrere Teildiffusoren zu unterteilen.
In der bereits erwähnten US 2011/058939 A1 wird zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse im Diffusor am inneren sich verjüngenden Teil des Diffusors eine steuerbare Coanda-Strömung vorgesehen, mit welcher die Strömung im Diffusor günstig beeinflusst werden kann. Der innere Teil des Diffusors, die Nabe, läuft stromabwärts spitz zu, ohne eine Stufe auszubilden. Von einer externen Quelle wird ein Gas zu einer Ringkammer in der Nabe hingeführt und von dort über eine Anzahl von Schlitzdüsen in Strömungsrichtung der heissen Abgase parallel zur Oberfläche der Nabe eingedüst. Aufgrund des bekannten Coanda-Effekts saugt dieser zusätzliche Gasstrom heisses Abgas an und lenkt es in Richtung auf die Nabe ab. Die Abgasströmung wird dort beschleunigt und schmiegt sich an die Oberfläche der sich stromabwärts verjüngenden Nabe an. Um eine gewünschte Beeinflussung der Abgasströmung im Diffusor zu erreichen, müssen bis zu 4% des Abgasmassenstroms an Zusatzgas eingedüst werden, was einem nicht unbedeutenden Aufwand gleichkommt. In der EP 0 265 633 B1 ist demgegenüber am Ausgang des Diffusors ein abrupter Übergang in der Querschnittsfläche vorgesehen, der als Carnot-Diffusor bezeichnet wird.
Obgleich diese Massnahmen gewisse Verbesserungen im Wirkungsgrad bringen, sind die Möglichkeiten der Einflussnahme im Bereich des Diffusors bei weitem nicht erschöpft.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Diffusor, insbesondere für eine Industrie-Gasturbine, zu schaffen, der auf einfache Weise zu einer weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Gasturbine führt.
Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem Diffuser, Insbesondere für eine axiale Strömungsmaschine, vorzugsweise eine stationäre Gasturbine, welcher Diffusor entlang einer Maschinenachse von einem Ringkanal mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Austrittsraum mit einer zweiten, grösseren Querschnittsfläche übergeht. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Übergang in mehreren Stufen erfolgt.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche innerhalb des Diffusors in zwei Stufen vergrössert. Dieser Diffuser ist im Aufbau besonders einfach.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Diffuser als Carnot-Diffusor ausgebildet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Diffuser einen Aussenmantel und einen Innenmantel umfasst, zwischen denen das Medium durch den Diffuser strömt, und dass die Stufen in der Querschnittsfläche durch Durchmesserstufen auf dem Innenmantel erzeugt werden.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Stufen eine ringförmige, konvex gekrümmte, sich im Durchmesser verjüngende Leitfläche angeordnet ist, und dass an der stromaufwärts legenden der beiden Stufen ein Ringspalt vorgesehen ist, durch welchen ein Gasstrom austreten und als Coanda-Strömung an der Leitfläche entlangströmen kann. Hierdurch kann die Strömung im Diffusor günstig beeinflusst werden.
Vorzugsweise ist die Leitfläche zwischen der vorletzten und der letzten Stufe des Diffusors angeordnet.
Eine noch andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor am Ausgang einer Industrie-Gasturbine angeordnet ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 den schematischen Aufbau einer Gasturbine mit Abgasdiffusor, wie er an sich bekannt ist;
2 den inneren Aufbau eines herkömmlichen Carnot-Diffusors;
3 im Vergleich zu 2 den inneren Aufbau eines mehrstufigen Diffusors gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine perspektivische Seitenansicht eines 2-stufigen Diffusors gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 den inneren Aufbau eines 2-stufigen Diffusors mit Coanda-Steuerung gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist der schematische Aufbau einer Gasturbine mit Abgasdiffusor wiedergegeben, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die in 1 dargestellte Gasturbine 10 umfasst einen Verdichter 12, der über einen Lufteinlass 11 Luft einsaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird einer Brennkammer 13 zugeführt und dort zur Verbrennung eines Brennstoffs 14 verwendet. Das entstehende Heissgas wird in einer nachfolgenden Turbine 15 unter Arbeitsleistung entspannt und strömt anschliessend durch einen Diffusor 16, um dort an Strömungsgeschwindigkeit zu verlieren und einen Druckaufbau zu bewirken.
Der innere Aufbau eines herkömmlichen Carnot-Diffusors ist in 2 stark vereinfacht wiedergegeben. Der dortige Diffusor 16, der konzentrisch zu einer Maschinenachse 31 ausgebildet ist, umfasst eingangsseitig einen Ringkanal 17, über den das Abgas 19 der Turbine in den Diffusor 16 einströmt. An den Ringkanal 17 mit seiner vergleichsweise kleinen Querschnittsfläche schliesst ein Austrittsraum 21 an, der für die Strömung eine wesentlich grössere Querschnittsfläche aufweist. Der Übergang zwischen Ringkanal 17 und Austrittsraum 21 erfolgt in diesem Beispiel durch eine abrupte Stufe 22, die den Diffusor 16 als Carnot-Diffusor charakterisiert. Im Ringkanal 17 können radiale Streben 18 angeordnet sein, die Innenteil und Aussenteil des Diffusors 16 verbinden und gleichzeitig zum Lenken der Strömung dienen.
Demgegenüber schlägt nun die Erfindung vor, gemäss dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bei einem Diffusor 20 den Übergang zwischen Ringkanal 17 und Austrittsraum 21 mehrstufig auszubilden. Im dargestellten Beispiel sind dafür zwei Stufen 22a und 22b vorgesehen. Eine weitere Stufe 22c (in 3 gestrichelt eingezeichnet) ist optional. Die Zahl der Stufen ist jedoch nach oben nicht begrenzt. Die mit den Stufen 22a–c verbundenen Durchmessersprünge beschränken sich im Ausführungsbeispiel der 3 auf den inneren Teil des Diffusors 20. Es ist aber ebenso gut auch denkbar, Durchmessersprünge am äusseren Teil des Diffusors vorzusehen.
Mit einer solchen mehrfach abgestuften Innenkontur ergibt sich ein Druckaufbaugewinn, der bei 0,1% des Turbinenwirkungsgrads liegen kann und bei einer Gasturbine vom Typ GT26 der Anmelderin einen Leistungsgewinn von fast einem halben Megawatt bedeutet.
In der Praxis sieht ein entsprechender Diffusor beispielsweise so aus, wie in 4 wiedergegeben. Der Diffusor 20a der 4 umfasst einen ringförmigen Aussenmantel 23, der konzentrisch einen Innenmantel 24 umschliesst und zusammen mit dem Innenmantel 24 einen Strömungskanal begrenzt. Innenmantel 24 und Aussenmantel 23 sind durch radiale Streben 25 verbunden. Am Ausgang des Diffusors 20a sind in axialer Richtung hintereinander zwei im Durchmesser abgestufte Ringe 26 und 27 angeordnet, durch welche die mehrfach abgestufte Erweiterung des Diffusors 20a bewirkt wird.
Zusätzlich zur mehrstufigen Erweiterung des Strömungsquerschnitts kann eine Beeinflussung der Strömungsverhältnisse im Diffusor durch eine Coanda-Strömung erfolgen, wie dies grundsätzlich in der eingangs genannten Druckschrift US 2011/058939 A1 vorgeschlagen worden ist. Hierzu ist gemäss 5 bei einem Diffusor 20b zwischen zwei Stufen 22a und 22b eine ringförmige, konvex gekrümmte, sich im Durchmesser verjüngende Leitfläche 28 angeordnet. An der stromaufwärts liegenden der beiden Stufen 22a und 22b ist ein Ringspalt 29 vorgesehen, durch welchen ein Gasstrom austreten und als Coanda-Strömung 30 an der Leitfläche 28 entlangströmen kann. Die Gaszufuhr für die Coanda-Strömung 30 kann dabei auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Anders als es die vorgenannte Druckschrift lehrt, soll erfindungsgemäß aber auf eine externe Bezugsquelle für ein aktiv eingedüstes Zusatzgas verzichtet werden. Durch eine sachgerechte Anordnung der Bauteile sollen die im Bereich der sprunghaften Querschnittserweiterung des Diffusors vorherrschenden Druckverhältnisse dergestalt ausgenutzt werden, dass sich während des Betriebs selbsttätig eine Wandströmung 30 entlang der gekrümmten Leitfläche 28 aufbaut, welche die parallele Abgasströmung 19 ablenkt. Der statische Druck p₂ hinter dem Ringkörper 27 ist infolge der Strömungsverlangsamung durch die Querschnittserweiterung höher als der Eintrittsdruck p₁ am Ringspalt. Dementsprechend bildet sich eine Strömung 32 von dem höheren Druckgebiet in das niedrigere aus. Sind mehr als zwei Stufen im Diffusor vorhanden, wird die Coanda-Strömung vorzugsweise zwischen der vorletzten und letzten Stufe eingesetzt.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
11: Lufteinlass
12: Verdichter
13: Brennkammer
14: Brennstoff
15: Turbine
16, 20: Diffusor
17: Ringkanal
18, 25: Strebe
19: Abgas
20a, b: Diffusor
21: Austrittsraum
22a–c: Stufe (Querschnittsfläche)
23: Aussenmantel
24: Innenmantel
26, 27: Ring
28: Leitfläche (konvex gekrümmt)
29: Ringspalt
30: Coanda-Strömung
31: Maschinenachse
32: Rückströmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0491966 A1 [0002]
US 2011/058939 A1 [0002, 0004, 0026]
EP 0265633 B1 [0003, 0004]

Claims

Diffusor (20, 20a, 20b), insbesondere für eine axiale Strömungsmaschine, vorzugsweise eine stationäre Gasturbine (10), welcher Diffusor (20, 20a, 20b) entlang einer Maschinenachse (31) von einem Ringkanal (17) mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Austrittsraum (21) mit einer zweiten, grösseren Querschnittsfläche übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang in mehreren Stufen (22a–c) erfolgt.
Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche innerhalb des Diffusors (20, 20a, 20b) in zwei Stufen (22a, 22b) vergrössert.
Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (20, 20a, 20b) als Carnot-Diffusor ausgebildet ist.
Diffusor nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (20a) einen Aussenmantel (23) und einen Innenmantel (24) umfasst, zwischen denen das Medium durch Diffusor (20a) strömt, und dass die Stufen (22a–c) in der Querschnittsfläche durch Durchmesserstufen auf dem Innenmantel (24) erzeugt werden.
Diffusor nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Stufen (22a, 22b) eine ringförmige, konvex gekrümmte, sich im Durchmesser verjüngende Leitfläche (28) angeordnet ist, und dass an der stromaufwärts liegenden der beiden Stufen (22a, 22b) ein Ringspalt (29) vorgesehen ist, durch welchen ein Gasstrom austreten und als Coanda-Strömung (30) an der Leitfläche (28) entlangströmen kann.
Diffusor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (28) zwischen der vorletzten und der letzten Stufe des Diffusors (20b) angeordnet ist.
Diffusor nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (20, 20a, 20b) am Ausgang einer stationären Gasturbine (10) angeordnet ist.