DE19805115A1 - Abgasdiffusor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasdiffusor für eine Gasturbine, mit einem sich zum Diffusoraustritt hin konisch erweiternden Strömungskanal.

Ein derartiger Abgasdiffusor dient zur Verzögerung der Abgas­ strömung einer Gasturbine und zur Rückgewinnung zumindest ei­ nes Teils des Staudrucks. Der Abgasdiffusor ist ein sich er­ weiternder Strömungskanal, dessen Öffnungswinkel zur Vermei­ dung der durch Druckanstieg begünstigten Strömungsablösung von der Diffusorwand in der Regel nicht größer als 6° bis 8° gewählt wird. Bei einer im Abgasstrom einer Schwerlastgastur­ bine auftretenden Reynoldszahl der Größenordnung 10⁶ liegt der strömungstechnisch bisher günstigste Erweiterungs- oder Öffnungswinkel bei 10°. Hierdurch entsteht eine lange schlanke Kanalform, die dort ihre Grenzen findet, wo die Ver­ luste infolge Wandreibung und Verwirbelung gleich dem Druck­ rückgewinn infolge einer Querschnittserweiterung sind. Da be­ kanntermaßen die kinetische Austrittsenergie des aus der Gasturbine abströmenden Mediums nicht mehr verwertbar ist, ist ein möglichst großer Druckumsatz im Abgasdiffusor er­ wünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abgas­ diffusor für eine Gasturbine anzugeben, der zur Erzielung ei­ nes möglichst hohen Wirkungsgrads der Gasturbine eine Verbes­ serung des Druckrückgewinns ermöglicht. Weiterhin soll der Abgasdiffusor eine Vergleichmäßigung der Diffusorabströmung ermöglichen, so daß in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger eine möglichst homogene Einströmung des heißen Abgases aus der Gasturbine erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu ist im Zentrum des Abgasdiffusors und somit im Bereich dessen Verwirbelungszone ein sich in Längs­ richtung erstreckender Leitkörper angeordnet.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß eine Verbesserung des Druckrückgewinns und damit eine Wirkungs­ graderhöhung der Gasturbine erzielt werden kann, wenn einer­ seits die Verwirbelung stromabwärts der Turbine innerhalb des Abgasdiffusors und andererseits eine Strömungsablösung an der Diffusorinnenwand vermieden wird. Der Wirkungsgradgewinn in der Gasturbine erfolgt dabei durch Umwandlung der kineti­ schen Energie des Strömungsmediums in statischen Druck. Da­ durch wird die Druckdifferenz entlang der Turbine erhöht, in­ dem der am Diffusoreintritt herrschende Unterdruck gegenüber dem atmosphärischen Druck am Diffusoraustritt weiter abge­ senkt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Leitkörper ein sich zumindest annähernd über die Länge des Strömungskanals er­ streckendes Innenleitrohr. Dabei ist das durch geeignete Stützelemente innerhalb des Strömungskanals gehaltene Leitrohr zentral angeordnet, so daß dessen Längsachse der Diffusorachse entspricht.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist das Ereiende des Leitkör­ pers oder Leitrohres konisch ausgebildet, wobei sich der Ko­ nus in Richtung des Diffusoraustritts verjüngt. Der Leitkör­ per, d. h. das zentrale Leitrohr, endet somit in einem Kegel oder in einem ähnlichen strömungsgünstigen Abströmprofil, so daß sich am Ende des Leitkörpers die Nabenströmung zusammen­ zieht. Im Bereich dieses zusätzlichen Abströmprofils oder Ab­ strömkörpers ist zweckmäßigerweise ein zylinderförmiges oder konisches, weiteres Leitrohr im Strömungskanal angeordnet, das den Abströmkörper koaxial umgibt. Dadurch wird ein mögli­ cherweise aufgrund des sich verjüngenden Abströmprofils in diesem Bereich ergebender Abriß der Strömung an der Diffusor­ innenwand verhindert. Der Konus dieses zusätzlichen Leitroh­ res ist wiederum zylindrisch oder konisch ausgebildet, wobei sich der Konus zum Diffusoraustritt hin verjüngen oder erwei­ tern kann.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch den Einsatz eines zentralen Leitkörpers im Strömungskanal die Länge des Abgasdiffusors reduziert wer­ den kann. Dabei beträgt der Öffnungswinkel vorteilhafterweise mehr als 10°. Aufgrund der geringen Länge und der kleineren Grundfläche ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen.

Insbesondere im Fall eines der Gasturbine abgasseitig über den Abgasdiffusor nachgeschalteten Abhitzedampferzeugers wird eine Materialeinsparung durch Verkürzung begleitender Dampfleitungen zum Abhitzedampferzeuger oder Abhitzekessel erzielt. Ein entsprechender Abhitzedampferzeuger oder Kessel in liegender oder stehender Bauweise kann dann mit relativ geringer Heizfläche ausgestaltet sein, da diese infolge einer vergleichsweise homogenen oder gleichmäßigeren Anströmung besser als bisher ausgenutzt wird. Damit sinkt der abgassei­ tige Druckverlust des Kessels, was wiederum einen Wirkungs­ gradgewinn der Gasturbine zur Folge hat. Umgekehrt ist bei gegebener Größe des Abhitzedampferzeugers auch eine Wirkungs­ gradsteigerung des Kessels selbst möglich. Grund hierfür ist die vergleichsweise homogene Anströmung der Heizflächen auf­ grund einer Vergleichmäßigung des Strömungsprofils am Diffu­ soraustritt und der dadurch bedingten linearen Strömungsver­ teilung am Heizflächeneintritt. Die gleichmäßige Beaufschla­ gung der Kesselregister oder Dampferzeuger-Heizflächen be­ wirkt eine Erhöhung der Kesselleistung oder ermöglicht die Verkleinerung der Kesselabmessungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt einen Abgasdiffusor einer Gasturbi­ ne mit einem zentralen Leitkörper, und

Fig. 2 eine Variante des Abgasdiffusors gemäß Fig. 1 mit nachgeschaltetem Abhitzedampferzeuger.

Einander entsprechende Teile sind in den beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenanlage 1 mit einer Gasturbine 2 nachgeschaltetem Abgasdiffusor 3. Die Gasturbinenanlage 1 umfaßt einen Luftansaugkanal 4, durch den eine Zwischenwel­ le 5 in einen Verdichter 6 geführt ist. Der Verdichter 6 mün­ det in eine Brennkammer 7, die der Gasturbine 2 vorgeordnet ist. Vom Verdichter 6 ausgehende Überströmleitungen 8 sind im Bypass zur Brennkammer 7 und zur Gasturbine 2 geführt. Die Überströmleitungen 8 dienen zur Luftzuführung in den Abgas­ diffusor 3 beim An- und Abfahren der Gasturbine 2.

Die Überströmleitungen 8 münden im Bereich einer Turbinenna­ be 9 in den Abgasdiffusor 3 ein. In diesem Bereich des Diffu­ soreintritts 10 ist ein Kompensator 11 vorgesehen, der zum Ausgleichen von mechanischen Spannungen und Wärmedehnungen des Diffusorgehäuses 12 gegenüber der Gasturbinenanlage 1 dient. Das Diffusorgehäuse 12 begrenzt einen Strömungska­ nal 13 für das aus der Gasturbine 2 in Richtung auf den Dif­ fusoraustritt 14 abströmende Medium M in Form eines heißen Abgases. Der Öffnungswinkel α des Abgasdiffusors 3 ist zweck­ mäßigerweise größer als 10°. Er kann jedoch auch kleiner oder gleich 10° sein.

Innerhalb des Strömungskanals 13 ist ein Leitkörper in Form eines Innenleitrohres 15 angeordnet, das von radial verlau­ fenden Stützelementen 16 gehalten sowie innerhalb des im Querschnitt runden Diffusorgehäuses 12 positioniert und fi­ xiert ist. Der Abgasdiffusor 3 ist über Tragelemente 17 auf einem Fundament 18 abgestützt.

Der sich annähernd über die gesamte Länge L des Abgasdiffu­ sors 3 erstreckende Leitkörper 15 ist an dessen Freiende ko­ nisch ausgebildet, wobei dieser als Abströmprofil dienende Konus 19 sich in Richtung des Diffusoraustritts 14 verjüngt. Im Bereich dieses Abströmprofil ist ein weiteres Leitrohr 20 angeordnet, das den Konus 19 koaxial umgibt. Das zusätzliche Leitrohr 20 ist über Streben 21 an den in diesem Bereich des Leitkörpers 15 angeordneten Stützelementen 16 befestigt.

Beim Betrieb der Gasturbinenanlage 1 wird in der Brennkam­ mer 7 ein Brennstoff, z. B. Erdgas, unter Zufuhr von über den Luftansaugkanal 4 geführter und im Verdichter 6 verdichteter Luft verbrannt und ein etwa 1200°C heißes Rauchgas erzeugt. Dieses wird entlang der Gasturbine 2 arbeitsleistend ent­ spannt. Das aus der Gasturbine 12 austretende heiße Strö­ mungsmedium M oder Abgas mit einer Temperatur von ca. 500°C strömt über den Abgasdiffusor 3 ab. Mündet der Abgasdiffu­ sor 3 direkt oder über einen (nicht dargestellten) Kamin in die Atmosphäre, so herrschen dort praktisch Freistrahlbedin­ gungen bei Atmosphärendruck.

Das Innenleitrohr 15 stabilisiert und unterstützt die Strö­ mung des Mediums M innerhalb des Abgasdiffusors 3, indem es aufgrund eines nur geringen radialen Druckabfalls das Anlie­ gen der Strömung an den Innenwänden des Diffusorgehäuses 12 begünstigt und somit die Strömung stützt. Die im Zentrum des Abgasdiffusors 3, d. h. im Bereich dessen Längsachse 22, herr­ schende Verwirbelungszone begünstigt erkanntermaßen den Druckabfall an den Innenwänden des Diffusorgehäuses 12. Daher ist zweckmäßigerweise der Leitkörper 15 zentral im Abgasdif­ fusor 3 angeordnet, indem dessen Längsachse mit der Längsach­ se 22 des Abgasdiffusors 3 zusammenfällt. Durch die Anordnung des Leitkörpers 15 in diesem zentralen Bereich des Abgasdif­ fusors 3 ist es somit möglich, den Abgasdiffusor 3 mit einem gegenüber bisherigen Ausführungen größeren Öffnungswinkel α < 10° auszuführen, ohne daß eine Strömungsablösung von den In­ nenwänden des Diffusorgehäuses 12 auftritt.

Eine Einschränkung der gewünschten Umwandlung der kinetischen Energie des Abgases oder Strömungsmediums M aus der Gasturbi­ ne 2 in statische Druckenergie ist somit verhindert. Dies wiederum bewirkt eine Vergrößerung der an der Gasturbine 2 wirksamen Druckdifferenz und somit eine Erhöhung des Gesamt­ wirkungsgrades des Gasturbinenprozesses und dessen mechani­ scher Leistungsausbeute.

Die mittels des Leitkörpers 15 erzielte Vergleichmäßigung der Abströmung des Mediums M aus der Gasturbine 2 ermöglicht zu­ dem eine Verkürzung der zur Umwandlung der kinetischen Ener­ gie des Strömungsmediums M in statische Druckenergie benötig­ te Wegstrecke innerhalb des Abgasdiffusors 3. Daher können der Abgasdiffusor 3 selbst und die zugehörigen Fundamente 18 besonders kurz ausgeführt werden. Diese Verkürzung wiederum ermöglicht eine Materialeinsparung und Kostenreduzierung.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist eine durch den Einsatz des Leitkörpers 15 in den Abgasdiffusor 3 erzielte Vergleich­ mäßigung der Strömung des Mediums M über den Strömungsquer­ schnitt am Diffusoraustritt 14. Dadurch kann der Wirkungsgrad eines gemäß Fig. 2 der Gasturbinenanlage 1 nachgeschalteten Abhitzedampferzeugers 23 gesteigert werden.

Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 endet der Leitkör­ per 15 zweckmäßigerweise in einem kegelförmigen Konus 19 oder einem anderen strömungstechnisch günstigen Abströmprofil.

Dieses besonders strömungsgünstige Anströmprofil 19 ermög­ licht ein Zusammenziehen der Nabenströmung, bevor das Strö­ mungsmedium M den Abgasdiffusor 3 über dessen Austritt 14 verläßt. Durch das in diesem Bereich angeordnete, stabilisie­ rende Leitrohr 20 wird einerseits eine Verwirbelungszone im Nachlauf des Leitkörpers 15 vermieden. Andererseits wird durch das zusätzliche Leitrohr 20 auch ein kritischer Druck­ abfall an den Innenwänden des Diffusorgehäuses 20 im Bereich des Konus 19 unterbunden.

Das zusätzliche Leitrohr 20 kann zylindrisch (Fig. 1) oder konisch (Fig. 2) ausgebildet sein. Der Öffnungswinkel β des gemäß Fig. 2 sich in Richtung auf den Diffusoraustritt 14 hin erweiternden Leitrohres 20' kann dabei ebenfalls größer, kleiner oder gleich 10° sein. Auch kann der Konus in nicht näher dargestellter Art und Weise sich in Richtung auf den Diffusoraustritt 14 hin verjüngen.

Die mittels des Leitkörpers 15 erzielte Vergleichmäßigung der Strömung des Mediums M innerhalb des Abgasdiffusors 3 führt zu einer besonders homogenen Strömungsverteilung entlang des Strömungsquerschnitts am Diffusoraustritt 14 und somit am Eintritt des gemäß Fig. 2 dem Abgasdiffusor 3 abgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeugers 23 oder Abhitzekes­ sels. Diese homogene Strömungsverteilung am Eintritt des Ab­ hitzedampferzeugers 23 wiederum führt zu einer besonders gleichmäßigen Wärmebeaufschlagung von in diesem angeordneten Heizflächen 24, 25. Dabei sind hier lediglich die Heizflächen eines Hochdruck-Überhitzers 24 und eines Zwischenüberhit­ zers 25 eines typischen, horizontal angeordneten Abhitze­ dampferzeugers 23 dargestellt. Der Abgasdiffusor 3 mit Innen­ leitrohr 15 kann auch in Verbindung mit einem Abhitzedampfer­ zeuger vertikaler Bauweise genutzt werden. Die gleichmäßig Wärmebeaufschlagung der Heizflächen 24, 25 ermöglicht eine Er­ höhung der Kesselleistung oder analog eine verkleinerte Aus­ führung des Abhitzedampferzeugers 23.

Claims (12)

1. Abgasdiffusor für eine Gasturbine, mit einem sich zum Dif­ fusoraustritt (14) hin konisch erweiternden Strömungska­ nal (13), dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungskanal (13) ein zumindest annähernd zentral ver­ laufender Leitkörper (15) angeordnet ist.

2. Abgasdiffusor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leitkörper (15) ein sich zumindest annähernd über die Länge (L) des Strömungska­ nals (13) erstreckendes Leitrohr ist.

3. Abgasdiffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leitkörper (15) mittels ei­ ner Anzahl von zumindest annähernd radial verlaufenden Stre­ ben (16) im Strömungskanal (13) gehalten ist.

4. Abgasdiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leitkör­ per (15) an dessen Freiende konisch ausgebildet ist, wobei sich der Konus (19) zum Diffusoraustritt (14) hin verjüngt.

5. Abgasdiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leitkör­ per (15) im Bereich dessen Freiendes (19) von einem Leitrohr (20, 20') umgeben ist.

6. Abgasdiffusor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Leitrohr (20) zylindrisch ausgebildet ist.

7. Abgasdiffusor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Leitrohr (20') konisch aus­ gebildet ist, wobei der Öffnungswinkel (β) größer oder gleich 10° ist.

8. Abgasdiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Öffnungswin­ kel (α) des Strömungskanals (13) größer als 10° ist.

9. Abgasdiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leitkör­ per (15) an eine im Bereich des Diffusoreintritts (10) vorge­ sehene Turbinennabe (9) angesetzt ist.

10. Abgasdiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich des Diffusoreintritts (10) ein Kompensator (11) vorgesehen ist.

11. Gasturbinenanlage mit einem Abgasdiffusor (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Gasturbinenanlage nach Anspruch 11 mit einem mit dem Ab­ gasdiffusor (3) nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (23).