DE112009001754T5 - Exhaust diffuser for gas turbine - Google Patents
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Abstract
Abgasdiffusor (1) für eine Gasturbine (2), umfassend einen röhrenförmigen Übergangskanal (5) mit einer Mittelachse (10), ein Kanaleintrittsende (6) von kreisförmigem Querschnitt, bestimmt zum Anschluss unterhalb der Turbine (2), und ein Kanalaustrittsende (8), bestimmt zum Anschluss oberhalb einer Abgasleitung (4), wobei das Kanalaustrittsende (8) einen geraden Querschnitt von allgemein polygonaler Form aufweist und der Diffusor (1) ferner mindestens ein Leitblech (13) umfasst, welches an dem Übergangskanal (5) befestigt und im Verhältnis zum Kanaleintrittsende (6) so angeordnet ist, dass ein Teil eines Gaszustroms abgeleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (13) eine röhrenförmige Wand (22) umfasst, die koaxial zur Mittelachse (10) verläuft und in Richtung des Kanalaustrittsendes (8) aufgeweitet ist, wobei die röhrenförmige Wand (22) an einem Ende auf der Seite des Kanaleintrittsendes (6) einen kreisförmigen Einlassquerschnitt des Leitblechs (13a) und an dem gegenüberliegenden Ende einen allgemein polygonalen Auslassquerschnitt des Leitblechs (13b) aufweist, während der genannte Auslassquerschnitt des Leitblechs (13b) eine...Exhaust gas diffuser (1) for a gas turbine (2), comprising a tubular transition duct (5) with a central axis (10), a duct inlet end (6) of circular cross section, intended for connection below the turbine (2), and a duct outlet end (8) , intended for connection above an exhaust pipe (4), the duct outlet end (8) having a straight cross-section of generally polygonal shape and the diffuser (1) further comprising at least one baffle (13) which is attached to the transition duct (5) and in the Relation to the channel inlet end (6) is arranged so that part of a gas inflow can be diverted, characterized in that the guide plate (13) comprises a tubular wall (22) which runs coaxially to the central axis (10) and in the direction of the channel outlet end ( 8) is widened, the tubular wall (22) at one end on the side of the channel inlet end (6) having a circular inlet cross-section of the guide plate (13a) and at the g The opposite end has a generally polygonal outlet cross-section of the guide plate (13b), while the said outlet cross-section of the guide plate (13b) has a ...
Description
Die Erfindung betrifft den Bereich Gasturbinen und insbesondere den Bereich Gasturbinendiffusoren, die zwischen der Turbine und unterhalb der Turbinen angeordneten Schalldämpfern des Abgasrohrs eingebaut sind.The invention relates to the field of gas turbines and more particularly to the field of gas turbine diffusers, which are installed between the turbine and arranged below the turbine mufflers of the exhaust pipe.
Die aus Gasturbinen austretenden Gase verlassen die letzte Expansionsstufe mit sehr hoher Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit muss erheblich reduziert werden, bevor die Gase ins Freie abgeführt werden, um das Geräusch am Turbinenaustritt auf geeignete Weise zu behandeln.The gases leaving gas turbines leave the last expansion stage at very high speed. This speed must be significantly reduced before the gases are vented to the outside in order to treat the noise at the turbine outlet in a suitable manner.
In einer Turbine wandeln die Rotorschaufeln die kinetische Energie der Verbrennungsgase in thermomechanische Energie um. Ein Kollektor des Turbinenstators sammelt die Gase, nachdem diese die Schaufelblätter passiert haben. Ein solcher Kollektor besitzt im Allgemeinen einen geraden, kreisförmigen Querschnitt. Ein Übergangskanal verbindet den Kollektor des Stators der Turbine mit dem Schalldämpfer.In a turbine, the rotor blades convert the kinetic energy of the combustion gases into thermo-mechanical energy. A collector of the turbine stator collects the gases after they have passed the blades. Such a collector generally has a straight, circular cross-section. A transition channel connects the collector of the stator of the turbine with the silencer.
Die Schalldämpfer, die eine Reduzierung des Gasaustrittsgeräuschs erlauben, werden im Allgemeinen in Abgasrohre mit polygonalem Querschnitt, zum Beispiel rechteckigem Querschnitt, und insbesondere von quadratischem Querschnitt eingebaut. Auf diese Weise sind die Leitbleche zur Verhinderung einer Schallausbreitung leichter zu konzipieren und weisen flache Wände auf. Zudem ist der Wirkungsgrad der Schalldämpfer umso besser, je homogener die Ausströmgeschwindigkeit der Gase zwischen den Leitblechen im geraden Querschnitt des Abgasrohrs ist.The mufflers, which allow a reduction of the gas leakage noise, are generally incorporated in exhaust pipes of polygonal cross-section, for example of rectangular cross section, and in particular of square cross section. In this way, the baffles to prevent sound propagation are easier to design and have flat walls. In addition, the efficiency of the muffler is better, the more homogeneous the outflow velocity of the gases between the baffles in the straight section of the exhaust pipe.
Der Diffusor wird zwischen Turbine und Schalldämpfer eingebaut. Er erlaubt eine Reduzierung der Gasgeschwindigkeit durch Ausdehnung in dem Rohrabschnitt, durch den die Gase aus der Turbine austreten. Der Diffusor gewährleistet somit den Übergang des Stroms von einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt zu einem Rohr mit polygonalem Querschnitt.The diffuser is installed between the turbine and the silencer. It allows a reduction in gas velocity through expansion in the tube section through which the gases exit the turbine. The diffuser thus ensures the passage of the flow from a pipe of circular cross section to a pipe of polygonal cross section.
Darüber hinaus werden die Gesamtleistungen der Gasturbine durch den beim Ausströmen entstehenden Druckverlust beeinflusst. Somit ist es wichtig, den Druckverlust, insbesondere im Diffusor, so gering wie möglich zu reduzieren.In addition, the overall performance of the gas turbine are influenced by the resulting pressure loss during the outflow. Thus, it is important to reduce the pressure loss, especially in the diffuser, as low as possible.
Schließlich hat die Dimensionierung der Kanäle und der Diffusororgane eine erhebliche wirtschaftliche Auswirkung besonders auf große Gasturbinen. Insbesondere werden axial und/oder radial kompakte Diffusoren angestrebt.Finally, the dimensioning of the channels and the diffuser elements has a significant economic impact, especially on large gas turbines. In particular, axially and / or radially compact diffusers are desired.
Die Patentanmeldung
Bei bestimmten Turbinen ist es, zum Beispiel aus Platzgründen, nicht möglich, den Diffusor rund um den Turbinenrotor anzuordnen. In diesem Fall zeigt der an der Turbine austretende Gasstrom in der Mitte des Querschnitts des Turbinenkollektors maximale Ausströmgeschwindigkeiten. Mit anderen Worten, der austretende Gasstrom konzentriert sich längs der Mittelachse des Ausgangskollektors der Turbine.For certain turbines, it is not possible, for example for reasons of space, to arrange the diffuser around the turbine rotor. In this case, the gas flow exiting the turbine in the middle of the cross section of the turbine collector shows maximum outflow velocities. In other words, the exiting gas stream concentrates along the central axis of the turbine's output collector.
Mit der Erfindung wird ein Abgasdiffusor für Gasturbinen vorgeschlagen, der eine Homogenisierung des Stroms im Innern der Abgasleitung und eine Reduzierung der Ausströmgeschwindigkeit der heißen Gase innerhalb des Schalldämpfers erlaubt, ohne einen zu hohen Druckverlust zu bewirken. Der erfindungsgemäße Diffusor ermöglicht eine Verbesserung der Homogenität der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Abgasleitung. Der erfindungsgemäße Diffusor ist mit Turbinen kompatibel, bei denen sich der Gasstrom längs der Mittelachse des Ausgangskollektors der Turbine konzentriert. Die Turbine ist an einen Schalldämpfer mit polygonalem Eingangsquerschnitt, zum Beispiel quadratischem Querschnitt, angeschlossen.The invention proposes an exhaust gas diffuser for gas turbines, which allows homogenization of the flow in the interior of the exhaust pipe and a reduction in the outflow velocity of the hot gases within the muffler, without causing too high a pressure loss. The diffuser according to the invention makes it possible to improve the homogeneity of the flow velocities within the exhaust pipe. The diffuser of the invention is compatible with turbines in which the gas stream concentrates along the central axis of the turbine's output collector. The turbine is connected to a silencer with a polygonal input cross section, for example a square cross section.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Abgasdiffusor für Gasturbinen einen röhrenförmigen Übergangskanal, der eine Mittelachse, ein Kanaleintrittsende mit kreisförmigen Querschnitt zum Anschluss unterhalb der Turbine und ein Kanalaustrittsende aufweist, welches dazu bestimmt ist, oberhalb einer Abgasleitung angeschlossen zu werden. Das Kanalaustrittsende besitzt einen geraden Querschnitt von allgemein polygonaler Form.According to one embodiment, the exhaust gas turbine exhaust gas diffuser comprises a tubular transition duct having a central axis, a circular-section duct inlet end for connection below the turbine, and a duct outlet end intended to be connected above an exhaust duct. The channel exit end has a straight cross section of generally polygonal shape.
Der Diffusor umfasst ferner mindestens ein Leitblech, das an dem Übergangskanal befestigt und im Verhältnis zum Kanaleintrittsende so angeordnet ist, dass ein Teil eines Gaszustroms abgeleitet werden kann.The diffuser further includes at least one baffle attached to the transition channel and disposed relative to the channel entry end is that part of a gas inflow can be diverted.
Das Leitblech weist eine röhrenförmige Wand auf, die koaxial zur Mittelachse verläuft und in Richtung des Kanalaustrittsendes aufgeweitet ist. Die röhrenförmige Wand besitzt an einem Ende auf der Seite des Kanaleintrittsendes einen kreisförmigen Leitblech-Einlassquerschnitt und am gegenüberliegenden Ende einen Leitblech-Auslassquerschnitt von allgemein polygonaler Form.The guide plate has a tubular wall which is coaxial with the central axis and is widened in the direction of the channel outlet end. The tubular wall has a circular baffle inlet cross-section at one end on the side of the channel entry end and a baffle outlet section of generally polygonal shape at the opposite end.
Der genannte Leitblech-Auslassquerschnitt weist eine Anzahl Eckzonen auf und ist rund um die Mittelachse der genannten Eckzonen ausgerichtet, die den Ecken des polygonalen Querschnitts des Kanalaustrittsendes entsprechen.Said baffle outlet cross-section has a number of corner zones and is aligned around the central axis of said corner zones corresponding to the corners of the polygonal cross-section of the channel exit end.
Dadurch, dass das Leitblech röhrenförmig ist und koaxial zur Mittelachse des Übergangskanals verläuft, ist dieser Diffusor mit Turbinen kompatibel, deren Gasstrom sich auf die Mitte des Turbinenkollektors konzentriert. Tatsächlich tritt mindestens ein Teil dieser schnellströmenden Gase in die aufgeweitete Röhrenform ein, sodass ihre Geschwindigkeit reduziert wird.Because the baffle is tubular and coaxial with the central axis of the transition duct, this diffuser is compatible with turbines whose gas flow concentrates on the center of the turbine collector. In fact, at least a portion of these high velocity gases enter the expanded tube shape, reducing their velocity.
Mindestens ein weiterer Teil des Abgasstroms gelangt nach außerhalb der aufgeweiteten Röhrenform. Der Leitblech-Einlassquerschnitt ist kreisförmig, während der Auslassquerschnitt polygonal ist. Dies bewirkt eine größere Ableitung des Gasstroms in Richtung der Ecken des Übergangskanals. Dadurch wird die Ausströmgeschwindigkeit am Schalldämpfereintritt vergleichmäßigt.At least one other part of the exhaust gas flow goes outside the expanded tubular form. The baffle inlet cross section is circular while the outlet cross section is polygonal. This causes a larger derivative of the gas flow towards the corners of the transition channel. As a result, the outflow velocity is equalized at the muffler inlet.
Die Zonen der Ecken von allgemein polygonaler Form des geraden Aulassquerschnitts des Leitblechs sind vorzugsweise abgerundet.The zones of the corners of generally polygonal shape of the straight Aulassquerschnitts the baffle are preferably rounded.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Wand des Leitblechs eine Verteilung von durch die Wand hindurchtretenden Öffnungen, die in Nähe der Eckzonen des Leitblech-Auslassquerschnitts liegt.In one embodiment, the wall of the baffle includes a distribution of apertures passing through the wall that is proximate to the corner zones of the baffle outlet cross-section.
Die Abgase außerhalb der röhrenförmigen Wand weisen einen höheren Druck auf als diejenigen, die durch das Innere der genannten Wand strömen. Durch die Öffnungen können die äußeren Gase zur Innenseite der röhrenförmigen Wand gelangen. Dadurch werden Stagnationszonen verringert, die auf der Innenseite der Leitblech-Eckzonen entstehen könnten. Damit werden Turbulenzen vermieden und wird der Druckverlust am Leitblech reduziert.The exhaust gases outside the tubular wall have a higher pressure than those flowing through the interior of said wall. Through the openings, the outer gases can reach the inside of the tubular wall. This reduces stagnation zones that could be created on the inside of the baffle corner zones. This avoids turbulence and reduces the pressure loss at the baffle.
Die Öffnungen in der Leitblechwand sind vorteilhafterweise in den Zonen der Wand verteilt, die im Verhältnis zur Mittelachse stärker geneigt sind als die Zonen der Wand ohne hindurchtretende Öffnungen. Die Öffnungen reduzieren die Turbulenzen in den am stärksten geneigten Zonen, wo es leicht zu Wirbelbildung kommen kann.The openings in the baffle wall are advantageously distributed in the zones of the wall which are more inclined relative to the central axis than the zones of the wall without apertures passing therethrough. The openings reduce the turbulence in the most inclined zones where swirling can easily occur.
Gemäß einer Variante ist der Durchmesser des Einlassquerschnitts zumindest eines röhrenförmigen Leitblechs kleiner als die Hälfte des Durchmessers am Eintrittsende des Übergangskanals und vorzugsweise kleiner als ein Drittel des genannten Durchmessers. Dies erlaubt insbesondere die Streuung der mittleren Zone des eintretenden heißen Gasstroms. Dies ist von besonderem Vorteil bei Heißgasstrom-Turbinen mit einem rund um die Mittelachse konzentrierten Gasaustritt.According to a variant, the diameter of the inlet cross-section of at least one tubular baffle is smaller than half the diameter at the inlet end of the transitional channel, and preferably smaller than one third of said diameter. This allows in particular the scattering of the central zone of the incoming hot gas stream. This is of particular advantage in hot gas flow turbines with a gas outlet concentrated around the central axis.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Diffusor eine Mehrzahl von Leitblechen mit röhrenförmigen Wänden und jeweils einem kreisförmigen Einlassquerschnitt. Die Mehrzahl von koaxialen Leitblechen erlaubt eine Verkürzung des Diffusors bei gleicher Aufweitung des Ausströmquerschnitts.According to one embodiment, the diffuser comprises a plurality of baffles with tubular walls and in each case a circular inlet cross-section. The plurality of coaxial baffles allows a shortening of the diffuser at the same expansion of Ausströmquerschnitts.
Gemäß einer Variante umfasst der Diffusor ein äußeres Leitblech, in dessen Innerem ein oder mehrere koaxial zur Mittelachse verlaufende Innenleitbleche angeordnet sind; zumindest das äußere Leitblech besitzt einen Auslassquerschnitt von allgemein polygonaler Form.According to a variant of the diffuser comprises an outer baffle, in the interior of which one or more coaxial with the central axis extending inner baffles are arranged; at least the outer baffle has an outlet cross section of generally polygonal shape.
Vorteilhafterweise haben mehrere Leitbleche allgemein konische und zueinander im Wesentlichen homothetische Formen. Zwischen den homothetischen Formen kann eine geringfügige Achsversetzung bestehen, sodass ringförmige Ströme zwischen den konischen Leitblechen erleichtert werden.Advantageously, a plurality of baffles have generally conical and mutually substantially homothetic shapes. There may be a slight offset between the homothetic shapes, so that annular flows between the conical baffles are facilitated.
Die angrenzenden Leitblechpaare, von denen das eine unmittelbare das andere umgibt, besitzen Längsquerschnitte, deren Neigungsdifferenz im Verhältnis zur Mittelachse unterhalb eines Schwellenwerts liegt, wobei der genannte Schwellenwert vorzugsweise unter 10°, besonders unter 7°, liegt.The adjacent baffle pairs, one immediately surrounding the other, have longitudinal cross-sections whose difference in inclination relative to the central axis is below a threshold, said threshold preferably being less than 10 °, especially less than 7 °.
Der in den Diffusor eintretende Gasstrom teilt sich in einen Strom außerhalb des oberen Leitblechs, einen ringförmigen Strom zwischen den Leitblechen und einen mittleren Strom. So werden die verschiedenen Ströme gelenkt und erfahren parallel dazu eine Geschwindigkeitsreduzierung aufgrund der Erhöhung der Neigung eines Leitblechs im Verhältnis zu dem angrenzenden Leitblech. Dadurch, dass die verschiedenen koaxialen Ströme gelenkt werden, können die Turbulenzen und der Druckverlust des Diffusors reduziert werden.The gas stream entering the diffuser divides into a stream outside the upper baffle, an annular stream between the baffles and a middle stream. Thus, the various flows are steered and, in parallel, speed reduced due to the increase in the inclination of a baffle relative to the adjacent baffle. By steering the various coaxial flows, the turbulence and pressure loss of the diffuser can be reduced.
Gemäß einer Ausführungsform ist der bzw. sind die Leitbleche an dem Übergangskanal durch Haltemittel befestigt, die drei Verbindungsarme einschließen, wobei jeder einzelne Verbindungsarm ein gelenkig um einen Anschlusspunkt des Leitblechs angeordnetes Ende und ein gegenüberliegendes, mit dem Übergangskanal verbundenes Ende aufweist.According to one embodiment, the baffles are secured to the transition channel by retaining means including three connecting arms, each individual connecting arm being hinged about a connecting point of the baffle having arranged end and an opposite end connected to the transition channel.
Gemäß einer Variante besitzen die Haltemittel eine lotrecht zur Mittelachse verlaufende Befestigungsebene und weisen einen ersten und einen zweiten Arm auf, die im Verhältnis zu einer mittleren Längsebene symmetrisch angeordnet und so eingebaut sind, dass sie in der genannten Befestigungsebene beweglich sind; der Anschlusspunkt eines dritten Verbindungsarms am Leitblech hat dabei einen Abstand von der Befestigungsebene und/oder der dritte Arm ist so eingebaut, dass er in der mittleren Längsebene beweglich ist.According to a variant, the holding means have a plane of attachment perpendicular to the central axis and have first and second arms arranged symmetrically relative to a central longitudinal plane and installed so as to be movable in said fixing plane; the connection point of a third connecting arm on the baffle has a distance from the mounting plane and / or the third arm is installed so that it is movable in the central longitudinal plane.
Die Gelenkarme erlauben es, das Leitblech trotz der erheblichen Wärmeausdehnungen, denen sie ausgesetzt sein können, in einer mittleren Position zu halten. Der Übergangskanal kann eine Innenbeschichtung aufweisen, die mit den heißen Gasen in der Größenordnung von 600°C bis 700°C in Berührung kommt. Die Gelenkarme sind an einer robusten Außenfläche des Übergangskanals befestigt, deren Temperatur in der Größenordnung von 200°C liegt. Das andere Ende der Gelenkarme ist mit dem Leitblech bei einer Temperatur der heißen Gase zwischen 600°C und 700°C in Kontakt.The articulated arms allow the baffle to be held in a central position despite the significant thermal expansions to which it may be exposed. The transition channel may have an internal coating which comes into contact with the hot gases of the order of 600 ° C to 700 ° C. The articulated arms are attached to a robust outer surface of the transition channel whose temperature is on the order of 200 ° C. The other end of the articulated arms is in contact with the baffle at a temperature of the hot gases between 600 ° C and 700 ° C.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der detaillierten Beschreibung einiger Ausführungsformen, die als Beispiele ohne einschränkenden Charakter zu verstehen sind, dargestellt in den beigefügten Zeichnungen, die Folgendes enthalten:Other features and advantages of the invention will become apparent upon reading the detailed description of some embodiments, given as nonlimiting examples, illustrated in the accompanying drawings, which include:
Wie in
Der Abgasdiffusor
Die konischen Leitbleche
Eine in
Wie in
Die mit Öffnungen
Wie in den
In den
Die Haltemittel
Die Haltemittel
Der dritte Verbindungsarm
Die Haltemittel
Die Verbindungsarme
Die Befestigungspunkte
Anhand der
Dadurch gelangt man allmählich von einem kreisförmigen Querschnitt in der Schnittebene (b) zu einem quadratischen Querschnitt am Kanalaustrittsende
Nunmehr wird anhand der
Der eintretende Gasstrom teilt sich auf in einen mittleren Strom
In einer besonderen Ausführungsform haben sämtliche Leitbleche
Der Durchmesser des Einlassquerschnitts
Die Fließgeschwindigkeit des mittleren Stroms
Der äußere Strom
Die Tatsache, dass das äußere Leitblech
ZusammenfassungSummary
Abgasdiffusor (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |