DE69726626T2

DE69726626T2 - Dreikanal-Diffusor für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE69726626T2
Application number: DE69726626T
Authority: DE
Inventors: Edward J. C. Schenectady Lin; Jr. Richard Edwin Schenectady Warren; Christian L. Voorheesville Vandervort
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: KR970062283A; EP0789195B1; DE69726626D1; KR100476353B1; JP4097734B2; JPH09310622A; US5737915A; EP0789195A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen und insbesondere auf einen Diffusor am Gasturbinen-Verdichterausgang.
Übliche Gasturbinen-Verbrennungssysteme verwenden viele Brennkammereinrichtungen, um einen zuverlässigen und effizienten Turbinenbetrieb zu erreichen. Jede Brennkammer enthält einen zylindrischen Brenner, ein Brennstoffeinspritzsystem und ein Übergangsstück, das die Strömung des heißen Gases von dem Brenner zum Einlass der Turbine leitet. Im Allgemeinen wird ein Teil von der Verdichterausgangsluft direkt in die Reaktionszone des Brenners eingeführt, um mit dem Brennstoff gemischt und verbrannt zu werden. Die Rest der Luftströmung dient dazu, entweder die Flamme zu löschen, bevor die Ausgangsströmung des Brenners in die Turbine eintritt, oder die Wand des Brenners und, in einigen Fällen, das Übergangsstück zu kühlen.
In Systemen, die prallgekühlte Übergangsstücke enthalten, umgibt eine hohle Hülse das Übergangsstück, und die Hülsenwand ist mit Löchern versehen, so dass die Verdichterausgangsluft durch die Kühlöffnungen in der Hülsenwand strömt und auf das Übergangsstück prallt (und somit kühlt).
Da das Übergangsstück ein tragendes Bauteil ist, ist es wünschenswert, niedrigere Temperaturen zu haben, wo die Beanspruchungen am höchsten sind. Dies hat sich als schwierig zu erzielen erwiesen, aber ein akzeptabler Kompromiss besteht darin, gleichförmige Temperaturen (bei denen die Beanspruchungen innerhalb zulässiger Grenzen sind) überall entlang der Länge des Übergangsstückes zu haben. Somit sind gleichförmige Strömungsdrucke entlang der Prallhülse erforderlich, um die gewünschten gleichförmigen Temperaturen zu erzielen.
Üblicherweise werden im Wesentlichen gerade axiale Diffusoren in Gasturbinen an der Stelle des Verdichterausganges verwendet.
Wenn ein Kanaldiffusor einen großen Raum in dem Mittelabschnitt von der Maschine einnimmt, ist jedoch seine Fähigkeit, die Strömung gleichförmig zu verteilen, eingeschränkt. Tatsächlich haben für Gasturbinen mit prallgekühlten Übergangsstücken Versuche heftige Temperaturänderungen an dem Übergangsstück plus starke statische Druckänderungen an der Prallhülse bei der Konstruktion eines Axialdiffusors mit einem Kanal gezeigt. Es hat wenigstens einen Versuch in der Gasturbinenindustrie gegeben, einen gekrümmten Diffusor zu verwenden, um eine Strömung in einer radialen Richtung abzuleiten (nicht in einem System, das Prallkühlung des Übergangsstückes verwendet), aber der Diffusor war so ausgebildet, dass er nur einen einzigen Kanal aufweist, so dass eine gleichförmige Strömung entlang dem axialen Verlauf der Prallhülse nicht erzielt wurde.
Es sind einige Versuche gemacht worden, viele Kanäle zu verwenden, wie es in US 5335501 und DE 2836539 gezeigt ist.
Die vorliegende Erfindung versucht die Probleme im Stand der Technik zu lösen, eine gleichförmigere Strömung im Bereich des Übergangsstückes zu erzielen, um dadurch die Ausgangsströmung der Gasturbine zu maximieren. Zur gleichen Zeit gestattet die Erfindung, dass die Länge des Gasturbinenrotors aus dynamischen Gründen des Rotors möglichst klein gemacht wird und die Gasturbinenlänge im Allgemeinen minimiert wird, um auch zusätzliche Kosteneinsparungen zu erreichen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verdichterausgangsdiffusor bereitgestellt zum Richten einer Strömung von einem Verdichter direkt zu einem Übergangsstück zwischen einem Brenner und einer Turbinenstufe in einer Gasturbine, wobei der Verdichterausgangsdiffusor enthält:
ein Innengehäuse, das zwei äußere Diffusorwände aufweist, die sich nach außen erweitern in einer Richtung der Verdichterausgangs-Luftströmung,
zwei Leitanordnungen in einem Strömungsbereich, der durch die zwei äußeren Diffusorwände gebildet ist, die den Strömungsbereich zwischen den zwei äußeren Diffusorwänden in drei diskrete Strömungskanäle teilen, wobei einer der drei Kanäle die Verdichterausgangsströmung im Wesentlichen radial umleitet.
Somit wird in einem Ausführungsbeispiel ein erweiterter Ausgangskanal durch die Verwendung von zwei Leitanordnungen, die in dem Ausgang angeordnet sind, in drei getrennte Kanäle unterteilt. Während sich die äußeren Wände des Ausganges nach außen erweitern, hat der Aufbau der Leitanordnungen eine Strömungsquerschnittsfläche für jeden Kanal zur Folge, die im Wesentlichen die gleiche ist. Diese Anordnung stellt eine stabile Strömung sicher, während sie zur gleichen Zeit für eine effizientere und gleichförmigere Verteilung der Strömung in dem Bereich des Übergangsstückes sorgt, um die gewünschte gleichförmige Prallkühlung des Übergangsstückes sicherzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbine mit einem Übergangsbereich zwischen einem Brenner und einer Turbinenstufe bereitgestellt, die ein Übergangsstückkanal, der sich zwischen einer Brennerauskleidung und der Turbinenstufe erstreckt, eine Prallhülse, die das Übergangsstück umgibt und die mehrere Kühllöcher darin aufweist, und einen Verdichterdiffusor enthält, auf den oben Bezug genommen wurde und der Verdichterausgangsluft in den Übergangsbereich leitet, wobei die Verbesserung darin besteht, dass der Diffusor einen ersten Kanal enthält, der so geformt ist, dass die Luftströmung des Verdichterausgangs wenigstens in einer radialen Richtung gerichtet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematischer Querschnitt von einem üblichen Axialverdichterdiffusor an dem Verdichterausgang in einer Gasturbine ist, der ein prallgekühltes Übergangsstück enthält, und
2 eine Querschnittsansicht von einem Dreikanal-Diffusor gemäß der Erfindung ist.
Gemäß 1 enthält eine übliche Gasturbine ein Übergangsstück 10, durch das die heißen Verbrennungsgase aus einer Brennkammer bzw. einen Brenner stromaufwärts von der Verbrennungsauskleidung 12 zur ersten Stufe von einer Turbine geleitet wird, die bei 14 dargestellt ist. Die Strömung aus dem Verdichter der Gasturbine verlässt einen axialen Verdichter 16 und tritt in einen Übergangsbereich 18 aus. Etwa 50% der Verdichterausgangsluft strömt durch Löcher 20, die entlang und um eine Prallhülse 22 herum ausgebildet sind, für eine Strömung in einem Ringbereich 24 zwischen dem Übergangsstück 10 und der Prallhülse 22. Die verbleibenden etwa 50% der Verdichterausgangsluft strömen in die Strömungshülse 26 und mischen sich schließlich mit Gasturbinen-Brennstoff in dem Brenner. Wie durch in 1 gezeigte Strömungspfeile angegeben ist, hat die Verdichterausgangsströmung in der üblichen Anordnung die Tendenz, ungleichförmig zu sein, und sie kann signifikante Temperaturänderungen des Übergangsstückes und signifikante statische Druckänderungen der Prallhülse zur Folge haben und sie kann auch einen negativen Einfluss auf die Ausgangsströmung der Gasturbine haben.
Es wird nun auf 2 eingegangen, wo ein drei Kanäle aufweisender Diffusor 28 gemäß der Erfindung im Schnitt gezeigt ist, wobei verständlich sein sollte, dass der in dieser Figur gezeigte Diffusor den in 1 gezeigten Diffusor 16 ersetzen soll. Dieser Dreikanal-Diffusor 28 leitet die Luftströmung des Verdichterausganges in drei unterschiedliche radiale und axiale Richtungen zum Mittelabschnitt von dem Gasturbinen-Übergangsbereich 18. Genauer gesagt, der Diffusor 28 ist durch sich nach außen erweiternde (in Strömungsrichtung) äußere Wände 30 und 32 und zwei innere Leitanordnungen 34 und 36 gebildet. Die Leitanordnung 34 enthält zwei gekrümmte Wandabschnitte 38 und 40, die ebenfalls in Strömungsrichtung nach außen schräg verlaufen und durch eine stromabwärtige Endwand 42 verbunden sind: Die Wandabschnitte 38,40 sind an einem stromaufwärtigen Ende durch eine abgerundete Kante 44 verbunden. In ähnlicher Weise enthält die Leitanordnung 36 schräg verlaufende Wände 46 und 48, die durch eine stromabwärtige Endwand 50 und eine stromaufwärtige Kante 52 verbunden sind.
Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, bilden die Leitanordnungen 34 und 36 in Verbindung mit den Außenwänden 30 und 32 des Verdichters drei Diffusorkanäle 54,56 und 58. Die Krümmung der Diffusorwände 30 und 32 und die Konfiguration der Leitanordnungen 34 und 36 sind sorgfältig gewählt um sicherzustellen, dass die Strömungsfläche für jeden der Kanäle 54, 57 und 58 im Wesentlichen die gleiche ist. Zur gleichen Zeit kann jedoch gesehen werden, dass die Strömung in drei bestimmten Richtungen verläuft. Genauer gesagt, der Kanal 58 hat eine kleinere radiale Strömungskomponente und eine wesentliche axiale Strömungskomponente. Der Zwischenkanal 56 hat im Wesentlichen gleiche axiale und radiale Strömungskomponenten, wogegen der Kanal 54 nur eine im Wesentlichen radiale Strömungskomponente hat. Auf diese Weise wird die Ausgangsströmung des Verdichters gleichförmiger um die Prallhülse 22 herum in den Übergangsbereich 18 verteilt, um so die früher erfahrenen Temperaturänderungen des Übergangsstückes und die statischen Druckänderungen der Prallhülse, die mit axialen Diffusoren verbunden waren, im Wesentlichen zu eliminieren. Tatsächlich haben Versuche bestätigt, dass es mit dem Dreikanal-Diffusor gemäß der Erfindung keinen negativen Druck entlang der gesamten Länge des Bereiches 18 des Übergangsstückes gibt und dass sowohl Druck- als auch Temperaturverteilungen entlang der Länge des Übergangsstückes 10 und der Prallhülse 22 relativ gleichförmig sind.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass mit der hier beschriebenen Diffusorkonstruktion sowohl die Rotorlänge als auch die gesamte Turbinenlänge verkürzt werden können und somit für ein erhöhtes Gesamtleistungsvermögen der Turbine bei gesenkten Kosten gesorgt werden kann.

Claims

Verdichterausgangsdiffusor (28) zum Richten einer Strömung von einem Verdichter direkt zu einem Übergangsstück (10) zwischen einer Brennkammer und einer Turbinenstufe (14) in einer Gasturbine, wobei der Verdichterausgangsdiffusor (28) enthält: ein Innengehäuse, das zwei äussere Diffusorwände (30, 32) aufweist, die sich nach aussen erweitern in einer Richtung der Verdichterausgangs-Luftströmung, gekennzeichnet durch zwei Leitanordnungen (34, 36) in einem Strömungsbereich, der durch die zwei äusseren Diffusorwände gebildet ist, die den Strömungsbereich zwischen den zwei äusseren Diffusorwänden (30, 32) in drei diskrete Strömungskanäle (54, 56, 58) teilen, wobei einer der drei Kanäle die Verdichterausgangsströmung im wesentlichen radial umleitet.
Verdichterausgangsdiffusor nach Anspruch 1, wobei jeder Strömungskanal (54, 56, 58) eine im wesentlichen gleiche Strömungsquerschnittsfläche hat.
Verdichterausgangsdiffusor nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer der drei Kanäle (58) die Verdichterausgangsströmung primär in einer axialen Richtung ableitet.
Verdichterausgangsdiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer der drei Kanäle (56) die Verdichterausgangsströmung sowohl axial als auch radial in im wesentlichen gleich Mengen ableitet.
Gasturbine enthaltend einen Übergangsbereich (18) zwischen zwischen einer Brennkammer und einer Turbinenstufe (14) mit einem Übergangsstückkanal (10), der sich zwischen einer Brennkammerauskleidung (12) und der Turbinenstufe erstreckt, einer Prallhülse (22), die das Übergangsstück umgibt, wobei die Prallhülse (22) mehrere Kühllöcher (20) darin aufweist, und einen Verdichterausgangsdiffusor (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Richten von Verdichterausgangsluft in den Übergangsbereich.