CH703749B1 - Gasturbine mit axial-radialem Diffusor-Abschnitt und Abgasraum. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine (12) einschliesslich eines axial-radialen Diffusor-Abschnitts, der um eine erste Längsachse (32) herum stromabwärts von einem Turbinenteil (22) in einem Abgasweg des Strömungspfads angeordnet ist. Das System enthält auch einen Abgasraum (33) einschliesslich eines ersten Raumabschnitts, der um den axial-radialen Diffusor-Abschnitt herum angeordnet ist, worin der erste Raumabschnitt einen gekrümmten Wandteil beinhaltet, der von einem Kreisumfang des axial-radialen Diffusor-Abschnitts weg divergiert. Der Abgasraum (33) umfasst auch einen zweiten Raumabschnitt, der sich von dem ersten Raumabschnitt weg stromabwärts entlang einer zweiten Längsachse des Abgasraums (33) quer zu der ersten Längsachse (32) erstreckt.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich auf eine Gasturbine, die eine Abgasanlage aufweist.

[0002] Eine Gasturbine verbrennt ein Gemisch aus Druckluft und Brennstoff, um heisse Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen durch eine oder mehrere Stufen von Turbinenschaufeln, um Leistung für eine Last und/oder einen Verdichter zu erzeugen. Die Gasturbine liefert die Verbrennungsgase in eine Abgasanlage, welche die Energie der Verbrennungsgase vor der Abgabe in die Atmosphäre reduziert. Leider enthalten vorhandene Abgasanlagen infolge baulicher Einschränkungen, Turbinenauslegungseinschränkungen und anderer Faktoren plötzliche Abzweigungen und Querschnittsänderungen. Infolgedessen können in vorhandenen Abgasanlagen bedeutender Druckstau und Strömungsablösungen vorkommen, was die Leistung der Gasturbine reduziert.

[0003] Somit besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, in der Bereitstellung einer Gasturbine, die eine Abgasanlage aufweist, die eine verbesserte Druck-Rückgewinnung und reduzierten Druckstau erbringt und den Wirkungsgrad des Turbinenantriebs vergrössert.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0004] Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht dazu vorgesehen, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu beschränken, vielmehr sollen diese Ausführungsformen nur eine kurze Zusammenfassung von möglichen Formen der Erfindung angeben. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielfalt von Formen umfassen, die dem ähnlich oder von den Ausführungsformen verschieden sein können, die unten dargelegt sind.

[0005] In der vorliegenden Erfindung weist das System eine Gasturbine einschliesslich eines axial-radialen Diffusor-Abschnitts auf, der um eine erste Längsachse herum stromabwärts in einem Abgasweg von einem Turbinenabschnitt angeordnet ist. Das System weist auch einen Abgasraum einschliesslich eines ersten um die axial-radiale Diffusor-Abteilung angeordneten Abgasraumabschnitts auf, worin der erste Raumabschnitt einen gekrümmten Wandteil einschliesst, der sich von einem Umfang des axial-radialen Diffusor-Abschnitts divergierend weg erstreckt. Der Abgasraum weist auch einen zweiten Raumabschnitt auf, der sich von dem ersten Raumabschnitt weg stromabwärts entlang einer zweiten Längsachse des Abgasraums ungefähr quer zu der ersten Längsachse erstreckt.

[0006] In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der erste Raumabschnitt einen ersten und einen zweiten Wandteil auf, die gegeneinander entlang der ersten Achse versetzt sind, wobei der erste und der zweite Wandteil voneinander weg in der ersten Richtung divergieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0007] Diese und andere Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende Detailbeschreibung gelesen wird, die sich auf begleitende Zeichnungen bezieht, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>ein schematischer Strömungsplan einer Ausführungsform einer Gasturbine mit einem verbesserten Abgaskanal ist, <tb>Fig. 2<SEP>eine Querschnitt-Seitenansicht der Gasturbine nach Fig. 1 ist, geschnitten entlang einer Längsachse und eine Ausführungsform des verbesserten Abgaskanals illustrierend, <tb>Fig. 3<SEP>eine geschnittene Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Teils des Abgaskanals, wie in Fig. 1 gezeigt, ist, die divergierende Wandteile illustriert, <tb>Fig. 4<SEP>eine Querschnitt-Seitenansicht einer Ausführungsform des Abgaskanals, wie in Fig. 1 gezeigt, ist, die einen gekrümmten Wandteil illustriert, <tb>Fig. 5<SEP>eine teilweise Querschnitt-Seitenansicht des Abgaskanals in Fig. 4 ist, <tb>Fig. 6<SEP>eine Draufsicht des Abgaskanals in Fig. 4 ist und <tb>Fig. 7<SEP>eine Endansicht des Abgaskanals in Fig. 4 ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0008] Es werden unten bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um eine kurze Beschreibung dieser Ausführungsformen zu geben, können in der Spezifizierung nicht alle Merkmale einer wirklichen Ausführung beschrieben werden. Es sollte wahrgenommen werden, dass in der Entwicklung jeder solcher wirklichen Ausführung, wie bei jedem Technik- oder Auslegungsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erfüllen, wie z.B. die Erfüllung systembezogener und geschäftsbezogener Einschränkungen, die sich von einer Implementierung zur anderen ändern können. Ausserdem sollte es wahrgenommen werden, dass solch ein Entwicklungsaufwand kompliziert und zeitaufwendig sein kann, aber dennoch für den Fachmann ein Routinevorgang der Auslegung, Herstellung und Fertigung, der in den Genuss dieser Beschreibung gelangt.

[0009] Wenn Elemente von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel «ein», «eine», «einer» und «besagte(r)» bedeuten, dass es eines oder mehrere von den Elementen gibt. Die Begriffe «aufweisen», «einschliessen», und «vorgesehen sein», sollen nicht abschliessend sein und ausdrücken, dass es ausser den verzeichneten Elementen zusätzliche Elemente geben kann.

[0010] Die vorliegende Beschreibung ist auf eine Gasturbine gerichtet, die eine Abgasanlage aufweist, die eine verbesserte Druck-Rückgewinnung und reduzierten Druckstau erbringt und deshalb den Wirkungsgrad des Turbinenantriebs vergrössert. Weil die Abgase die Turbine durch einen axial-radialen Diffusor verlassen, werden die Abgase durch einen Abgaskanal geführt, der von einer Achse einer Welle (z.B. in ungefähr quer oder in radialer Richtung) nach aussen weg verläuft. Diese Richtungsänderung des Abgasstroms (z.B. axial zu radial) kann dazu neigen, eine Turbulenz (z.B. eine Wirbelbewegung des Gases) und Strömungsablösung zu verursachen, was wiederum einen nicht vernachlässigbaren Rückstau verursacht. Zusätzlich treten die Gase, wenn die Verbrennungsgase die Turbine durch den axial-radialen Diffusor verlassen, normalerweise in einen grossvolumigen Abgasraum ein, was eine plötzliche Expansion des Gases bewirkt, was wieder eine vermehrte Turbulenz innerhalb des Raums und ungleichförmigen Gasdurchfluss in dem Raum und anderen abwärts gelegenen Bestandteilen verursacht.

[0011] Die vorliegende Erfindung schafft einen Abgaskanal, der eine allmähliche dreidimensionale Expansion und einen gleichförmigeren Abgasfluss innerhalb des Raums erbringt, wodurch Druckstau, Strömungsablösung und Turbulenz innerhalb des Raums reduziert werden. Zum Beispiel divergieren die Wände des Abgaskanals voneinander in Axial-, Radial- und Umfangsrichtung. Zusätzlich hat der beschriebene Abgaskanal so geformte Wände, dass Leistungsverluste reduziert werden, die mit dem Einstrom des Abgasstroms in das Volumen und dem Abbiegen des Durchflusses zum Ausgang des Abgaskanals einhergehen. Zum Beispiel können sich die konturierten Wände des axial-radialen Diffusors allmählich um einen Aussenumfang von Abbiegedüsen herum krümmen und von diesen divergieren. Diese konturierten Wände reduzieren Gebiete mit geringer Geschwindigkeit und Strömungsablösung durch Beseitigung von in der Strömungsrichtung gelegenen Gebieten mit plötzlicher Expansion. Der beschriebene Abgaskanal kann auch einen oder mehr Flussteiler aufweisen, die Verluste reduzieren, die mit Raumbeschränkungen zwischen dem axial-radialen Diffusor und dem Boden des Raumes einhergehen. Das Gesamtergebnis ist reduzierter Druckstau und vergrösserte Strömungsgleichförmigkeit in der Abgasanlage sowie Vergrösserung von Leistung und Wirkungsgrad der Gasturbine. Ausserdem ist der hier beschriebene Abgaskanal kompakter als typische Abgaskanäle und erfordert weniger Material, was Kosten und Raumverbrauch in einer Einrichtung reduziert.

[0012] Fig. 1 ist ein schematischer Strömungsplan, der eine Ausführungsform einer Gasturbine 12 mit einer verbesserten Abgasanlage illustriert. In bestimmten Ausführungsformen kann das System 10 ein Flugzeug, ein Wasserfahrzeug, eine Lokomotive, ein Energieerzeugungssystem, oder Kombinationen davon sein. Die illustrierte Gasturbine 12 weist einen Lufteinlass-Abschnitt 16, einen Verdichter 18, einen Brennkammer-Abschnitt 20, eine Turbine 22 und einen Abgas-Abschnitt 24 auf. Die Turbine 22 ist mit dem Verdichter 18 über eine Welle 26 treibend verbunden ist, die entlang einer ersten Längsachse 32 der Gasturbine 12 orientiert ist.

[0013] Wie durch die Pfeile angezeigt, strömt Luft durch den Aufnahme-Abschnitt 16 in die Gasturbine 12 und in den Verdichter 18, welcher die Luft vor dem Zugang in den Brennkammer-Abschnitt 20 verdichtet. Der illustrierte Brennkammer-Abschnitt 20 weist eine konzentrisch zu der oder ringförmig um die Welle 26 axial zwischen dem Verdichter 18 und der Turbine 22 angeordnete Brennkammer-Ummantelung 28 auf. Die Druckluft strömt von dem Verdichter 18 in Brennkammern 30, wo sich die Druckluft mit dem Brennstoff mischt und innerhalb der Brennkammern 30 verbrennt, um die Turbine 22 anzutreiben.

[0014] Vom Brennkammer-Abschnitt 20 fliessen die heissen Verbrennungsgase durch die Turbine 22 und treiben über die Welle 26 den Verdichter 18 an. Zum Beispiel können die Verbrennungsgase innerhalb der Turbine 22 Antriebskräfte auf die Turbinenschaufel ausüben, um die Welle 26 zu drehen. Nachdem die heissen Verbrennungsgase durch die Gasturbine 12 geflossen sind, verlassen sie die Turbine 22 durch den Abgas-Abschnitt 24. Weil die Verbrennungsgase von dem Abgas-Abschnitt 24 in einen Abgasraum 33 strömen, führt das Volumen 33 die Verbrennungsgase in einem Winkel von der ersten Längsachse 32 des Turbinenmotors 12 (z.B. etwa 90 Grad) weg. Mit anderen Worten ist der Abgasraum 33 ungefähr kreuzend oder quer zu der Längsachse 32 orientiert, z.B. in einer radialen Richtung. Zum Beispiel weist die veranschaulichte Gasturbine 12 einen radialen Kanal oder ein Volumen 33 auf, um die Verbrennungsgase durch eine 90-Grad-Biegung bezüglich der Längsachse 32 zu leiten. Die Änderung in der Richtung (z.B. 90-Grad-Biegung) neigt dazu, Turbulenz zu verursachen und den Druckstau für die Turbine zu vergrössern, was den Wirkungsgrad der Turbine vermindert. Wie im Detail unten erklärt wird, weist das Volumen 33 verschiedene Verbesserungen auf, die die Turbulenz, die Strömungsablösung und den Druckstau reduzieren. Zum Beispiel kann das Volumen 33 ein oder mehrere divergierende Teile für die Expansion, die Flussaufteilung und konturierte oder gebogene Oberflächen aufweisen, um Turbulenz, Strömungsablösung und Druckstau zu reduzieren.

[0015] Fig. 2 ist eine Querschnitts-Seitenansicht der Gasturbine 12 der Fig. 1 , die eine Ausführungsform des verbesserten Abgasraums 33 der Fig. 1 illustriert. Wie oben in Bezug auf die Fig. 1 beschrieben, kommt Luft durch den Lufteinlass-Abschnitt 16 herein und wird durch den Verdichter 18 verdichtet. Die Druckluft von dem Verdichter 18 strömt in den Brennkammer-Abschnitt 20 und mischt sich mit dem Brennstoff (z.B. flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff). Die Mischung von Druckluft und Brennstoff brennt im Wesentlichen innerhalb des Brennkammer-Abschnitts 20, um heisse, unter Druck stehende Verbrennungsgase zu erzeugen, die in der Turbine 22 Drehmoment erzeugen. Spezifisch üben die Verbrennungsgase Antriebskräfte auf Laufschaufeln (z.B. Turbinenschaufeln) von Rotoranordnungen 36 auf, um Räder 38 und die Welle 26 zu drehen. Wie klarer in der Fig. 2 gezeigt wird, weist der Abgas-Abschnitt 24 einen axial-radialen Diffusor-Abschnitt 42 auf, der um die erste Längsachse 32 in einem Abgasstrom stromabwärts zu dem Turbinenteil 22 angeordnet ist. Der axial-radiale Diffusor-Abschnitt 42 führt die Verbrennungsgase ringförmig um die Welle 26 entlang der ersten Längsachse 32. Das Volumen des Diffusor-Abschnitts 42 nimmt allmählich zu einem Diffusor-Ausgang 44 zu und reduziert dadurch allmählich den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Diffusor-Abschnitts 42.

[0016] An dem Diffusor-Ausgang 44 biegen die Verbrennungsgase um einen Winkel von ungefähr 90 Grad ab und strömen in das Volumen 33. Der Diffusor-Ausgang 44 weist mehrere radiale Leitschaufeln 46 auf (z.B. Kurvenleitschaufein), die die Verbrennungsgase durch die Biegung von 90 Grad (z.B. von der axialen zur radialen Richtung) in das Volumen 33 führen und die Strömungsgleichförmigkeit durch den Diffusor-Ausgang 44 verbessern. Der Diffusor-Abschnitt 42 ist an einen Einlass 48 des Volumens 33 angeschlossen, und der Diffusor-Ausgang 44 ist mit dem entsprechenden Eingang 48 des Volumens strömungsmässig verbunden. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die anfängliche Breite 50 des Volumens 33 an dem Einlass 48 gleich oder ähnlich zu einer Breite 51 des Diffusor-Ausgangs 44. Deshalb erfahren die Verbrennungsgase nach dem Einströmen in das Volumen 33 keine plötzliche Expansion und keinen plötzlichen Druckabfall.

[0017] Wie im Detail unten besprochen, ist das Volumen 33 dazu eingerichtet, um eine dreidimensionale Abgasdiffusion in Radial-, Axial- und Umfangsrichtungen zu erbringen. Das Volumen 33 weist Wände, die radial, axial und in Umfangsrichtung divergierende, sowie konturierte Oberflächen auf, um Strömungsablösungen zu reduzieren. Zum Beispiel strömen die Verbrennungsgase entlang aerodynamischer Oberflächen, z.B. versetzte Wandteile 52, in das Volumen 33. Die Wandteile 52 können auf Grund von ihrer Gestaltung mit Krümmungen als aerodynamische Flächen beschrieben werden, um Strömungswiderstand, Turbulenz, Strömungsablösung und Gegendruck zu reduzieren. Weiter divergieren diese Wandteile 52 und ermöglichen den Verbrennungsgasen, sich innerhalb des Volumens 33 allmählich auszudehnen, was somit die Energie der Verbrennungsgase allmählich reduziert. Das Volumen 33 krümmt sich ausserdem um die Ablenkschaufeln 46, um den Verbrennungsgasstrom allmählich radial von der Achse 32 der Gasturbine 12 weg umzuleiten.

[0018] Fig. 3 ist eine aufgeschnittene Perspektiveansicht einer Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten Volumens 33. Wie unten besprochen, erbringt das Volumen 33 eine dreidimensionale Expansion in axialer, radialer und Umfangsrichtungen. Zum Beispiel weitet sich das Volumen 33 entlang der Achsen 32, 58 und 60, die zueinander quer (z.B. senkrecht) orientiert sind. Das Volumen 33 weitet sich auch in einer Umfangsrichtung 31 bezüglich der Ablenkschaufeln 46. Wie illustriert, ist die X-Achse, die durch die Richtung 32 bezeichnet ist, die Längsachse der Gasturbine 12; die Y-Achse, die durch die Richtung 58 bezeichnet ist, ist eine Längsachse des Volumens 33; und die Z-Achse, die durch die Richtung 60 bezeichnet ist, ist ungefähr eine Querachse des Volumens 33. Die Achsen 58 und 60 können auch als radiale Achse hinsichtlich der Längsachse 32 der Gasturbine 12 beschrieben werden. Ausserdem kann die Achse 32 ähnlich als ungefähr quer verlaufende Achse des Volumens 33, aber ungefähr quer zu der Achse 58 beschrieben werden. Im Hinblick auf diese Achse oder Richtungen 31, 32, 58, und 60 erbringt das Volumen 33 eine dreidimensionale Expansion in der axialen Richtung 32, der radialen Richtung 58 und/oder 60 und der Umfangsrichtung 31.

[0019] Das Volumen 33 enthält einen ersten Raumabschnitt 62, der um den axial-radialen Diffusor-Abschnitt 42 herum angeordnet ist. Wie oben in der Verweisung auf die Fig. 2 beschrieben, führt der Diffusor-Abschnitt 42 die Verbrennungs-gase durch die radialen Leitschaufeln 46 in das Volumen 33. Wie klarer in Fig. 3 gezeigt wird, können die radialen Leitschaufeln 46 (z.B. verjüngte konische oder Ringstrukturen) kreisförmig sein und sind konzentrisch um die erste Längsachse 32 angeordnet. Entsprechend können die Verbrennungsgase den Diffusor-Abschnitt 42 radial nach aussen und weg von der Achse 32 der Welle 26 über einen Umfang 47 des ringförmigen Diffusor-Ausgangs 44 verlassen. Zum Beispiel enthält der erste Raumabschnitt 62 einen gekrümmten Wandteil 64, der so eingerichtet ist, dass er allmählich abbiegt, um den Abgasstrom von dem Kreisumfang 47 in der Umfangsrichtung 31 um den Diffusor-Abschnitt 42 graduell abzulenken und zu divergieren. Der gekrümmte Wandteil 64 enthält die Wandteile 52, die, wie unten beschrieben, sowohl in einer ersten Richtung 58 als auch in einer zweiten Richtung 60 voneinander weg divergieren. Die Wandteile 52 vergrössern allmählich die Breite des Strömungswegs, weil die Verbrennungsgase von der ersten Längsachse 32 weg laufen. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann der Boden 56 des Volumens 33 dem Diffusor-Ausgang 44 näher sein. Deshalb können die divergierenden Wandteile 52 zu dem Boden 56 des Volumens 33 hin näher zueinander sein. Diese aussermittige Position des Diffusor-Ausgangs 44 schafft zusammen mit dem gekrümmten Wandteil 64 eine Umfangsexpansion des Verbrennungsgasstroms in der Umfangsrichtung 31. Der gekrümmte Wandteil 64 und die divergierenden Wandteile 52 reduzieren die Turbulenz, den Rückstau und die Strömungsablösung innerhalb des Volumens 33, indem sie einen gleichförmigeren Durchfluss schaffen, weil das Gas, wie unten beschrieben, durch das Volumen 33 geführt wird.

[0020] Fig. 4 ist eine Querschnitt-Seitenansicht des Volumens 33 zur Veranschaulichung der konturierten Struktur. Das Volumen 33 umfasst den ersten Raumabschnitt 62 und einen zweiten Raumabschnitt 70. Der erste Raumabschnitt 62 gehört zu einem axial-radialen Diffusor-Gefäss 74, das eine erste Achse 32 aufweist, welche die erste Längsachse des Turbinenantriebs 12 repräsentiert, die ungefähr quer zu einer zweiten Achse oder der zweiten Längsachse 60 gerichtet ist, die sich durch das Volumen 33 erstreckt. Das axial-radiale Diffusor-Gefäss 74 ist in dem ersten Raumabschnitt 62 nicht zentral angeordnet, und somit sind die erste Achse 32 und die zweite Achse 60 um einen Versatz-Abstand 76 gegeneinander versetzt. Der erste Raumabschnitt 62 enthält den gekrümmten Wandteil 64, der in Bezug auf die zweite Achse 60 an einem ersten Längsende 78 des Volumens 33 angeordnet ist. Der gekrümmte Wandteil 64 des ersten Raumabschnitts 62 divergiert entlang eines gekrümmten Wegs 80 in einer ersten Richtung 58 weg von der ersten Achse 32 zu der zweiten Achse 60, sowie ungefähr quer sowohl zu der ersten Achse 32 als auch zu der zweiten Achse 60. Speziell divergiert der gekrümmte Wandteil 64 weg von der ersten Achse 32 von einem ersten Gebiet 56 (z.B. angrenzend an den Boden 56) zu dem zweiten Gebiet 54 (z.B. angrenzend die Decke 54). Mit anderen Worten, ein radialer Abstand 79 zwischen dem gekrümmten Wandteil 64 und einem Umfang 81 des Behälters 74 (z.B. dem Umfang 47 des Diffusor-Abschnitts 42) vergrössert sich allmählich entlang des gekrümmten Wegs 80, was der Umfangsrichtung 31 um die Längsachse 32 entspricht. So folgen die heissen Verbrennungsgase dem gekrümmten Weg 80 und erfahren eine Umfangsexpansion in der Umfangsrichtung 31 und radialen Expansion in der radialen Richtung 58. In einigen Ausführungsformen kann sich ein Strömungs-Teiler 82 zwischen dem axial-radialen Diffusor-Gefäss 74 und dem ersten Gebiet 56 des ersten Raumabschnitts 62 des Volumens 33 erstrecken. Der Strömungs-Teiler 82 kann die Strömung der Verbrennungsgase weg von dem Boden oder dem ersten Gebiet 56 z.B. entlang des gekrümmten Wegs 80 führen. So kann der Strömungs-Teiler 82 Strömungsumkehrungen verhindern, die sonst infolge von Raumeinschränkungen zwischen dem Diffusor-Ausgang 44 und dem ersten Gebiet 56 zwischen dem ersten Gebiet 56 und dem Diffusor-Ausgang 44 vorkommen können.

[0021] Der Verbrennungsgasstrom wird von dem ersten Raumabschnitt 62 zu dem zweiten Raumabschnitt 70 geleitet. Der zweite Raumabschnitt 70 erstreckt sich von dem ersten Raumabschnitt 62 weg stromabwärts entlang der zweiten Achse 60 ungefähr quer zu der ersten Achse 32. Die konturierte oder gekrümmte Form des ersten Raumabschnitts 62 hilft, die Ausweitung der Verbrennungsgase von dem ersten Raumabschnitt 62 zu dem zweiten Raumabschnitt 70 ohne die Abbiege- und Eintrittsverluste zu führen, die mit einer geradlinigen Geometrie einhergehen, wie ausführlicher in Fig. 5 gezeigt.

[0022] Fig. 5 ist eine ausschnittsweise Querschnitts-Seitenansicht des Volumens 33, geschnitten entlang der Linie 5–5 der Fig. 4 , die den Verbrennungsgasström innerhalb des Volumens 33 des axial-radialen Diffusor-Abschnitts 42 illustriert. Das Volumen 33 umfasst, wie oben beschrieben, den ersten Raumabschnitt 62 und den zweiten Raumabschnitt 70. Der erste Raumabschnitt 62 ist um den axial-radialen Diffusor-Abschnitt 42 angeordnet. Verbrennungsgase weiten sich, wie durch Pfeile 90 angezeigt, um einen Kreisumfang 92 des axial-radialen Diffusor-Abschnitts 42 radial aus. Zum Beispiel kann sich die radiale Ausweitung 90 in der radialen Richtung 58 über das Volumen 33 und in radialer Richtung 60 entlang des Volumens, oder jeden Winkel dazwischen erstrecken. Wie illustriert, ist ein Teil der der radialen Ausweitung 90 stromaufwärts 89 durch die Achse 32 des Diffusor-Abschnitts 42 gerichtet, wohingegen ein Teil der radialen Ausweitung 90 in Bezug auf eine Mittelebene 91 stromabwärts 93 gerichtet wird. Der Strömungs-Teiler 82 wird allgemein entlang des Bodens 56 des Volumens 33 an der Mittelebene 91 angeordnet und trennt dadurch den stromaufwärtigen Durchfluss 89 und den stromabwärtigen Durchfluss 93. Mit anderen Worten, der Strömungs-Teiler 82 hindert den stromabwärtigen Durchfluss 93 daran, in den stromaufwärtigen Durchfluss 89 umzukehren. Auf der stromabwärts 93 gelegenen Seite fliessen die Verbrennungsgase entlang der Achse 60 in einem stromabwärts gelegenen Strömungsweg 95. Auf der stromaufwärts 89 gelegenen Seite fliessen die Verbrennungsgase entlang des gekrümmten Wegs 80 zwischen dem gekrümmten Wandteil 64 und dem Umfang 92 des Diffusor-Abschnitts 42, um eine allmähliche Abbiegung von etwa 0 bis 180 Grad zu erfahren.

[0023] Der gekrümmte Wandteil 64 und der Umfang 92 definieren entgegengesetzte gekrümmte Grenzen des gekrümmten Weges 80. Der gekrümmte Weg 80 beginnt an dem Strömungs-Teiler 82 und erstreckt sich bis entlang der Mittelebene 91 zu der Decke 54. So erstreckt sich der illustrierte gekrümmte Weg 80 über einen Umlauf von etwa 180 Grad, um die heissen Verbrennungsgase zu dem abwärts gelegenen Weg des Strömungspfads 95 allmählich umzuleiten. Ausserdem divergiert der gekrümmte Wandteil 64 von dem Kreisumfang 92 des axial-radialen Diffusor-Abschnitts 42 entlang des gekrümmten Wegs 80 mindestens teilweise um den Kreisumfang 92 herum im Wesentlichen in der ersten Richtung 58 und/oder Umfangsrichtung 31. Speziell weist der erste Raumabschnitt 62 einen ersten Abstand 94 zwischen dem Umfang 92 des Diffusor-Abschnitts 42 und dem ersten Gebiet 56 des gekrümmten Wandteils 64 auf. Allgemein dem gekrümmten Weg 80 in der ersten Richtung 58 und/oder Umfangsrichtung 31 folgend, nimmt der Spalt zwischen dem gekrümmten Wandteil 64 und dem Kreisumfang 92 des Diffusor-Abschnitts 42 zu einem zweiten Abstand 96 zu, der grösser als der erste Abstand 94 ist. Weiter entlang desselben gekrümmten Wegs 80 zu dem zweiten Gebiet 54 wird der Spalt zwischen dem gekrümmten Wandteil 64 zu einem dritten Abstand 98, der grösser als der zweite Abstand 96 ist. So divergiert der gekrümmte Wandteil 64 weg von dem Kreisumfang 92 des axial-radialen Diffusor-Abschnitts 42 zwischen dem ersten Gebiet 56 und dem zweiten Gebiet 54, wodurch er den Strom von Verbrennungsgasen expandiert und dabei ablenkt, die den Diffusor-Abschnitt 42 radial verlassen. Weiter minimiert die Form des gekrümmten Wandteils 64 die mit einer geradlinigeren Struktur beim Leiten der Strömung normalerweise einhergehenden Verluste. Mit anderen Worten erbringen die gekrümmten Grenzen des gekrümmten Wandteils 64 und der Kreisumfang 92 eine allmähliche Expansion (z.B. 94, 96, 98) ohne irgendwelche plötzlichen Sprünge.

[0024] Zusätzlich zu dem gekrümmten Weg 80 mit der allmählichen Expansion ermöglicht das Volumen 33 die Expansion in anderen Richtungen, um die allmähliche Ausweitung des Gases über das gesamte Volumen 33 hinweg zu ermöglichen. Fig. 6 illustriert eine Draufsicht einer Ausführungsform des Volumens 33, gesehen aus der Perspektive der Linie 6–6 der Fig. 4 unter Veranschaulichung der Ausweitung des ersten Raumabschnitts 62 und des zweiten Raumabschnitts 70 entlang der Achse 60. Gestrichelte Linien zeigen die Position des axial-radialen Diffusor-Gefässes 74 innerhalb des ersten Raumabschnitts 62 an. Das Volumen 33 weitet sich allmählich entlang der Längsachse 60 von einer ersten Breite 112, gelegen an einem ersten Ende 114 des ersten Raumabschnitts 62, zu einer zweiten Breite 116 auf, die an einem zweiten Ende 118 des zweiten Raumabschnitts 70 gelegen ist. Die erste Breite 112 ist geringer als die zweite Breite 116. Das Verhältnis der zweiten Breite 116 zur ersten Breite 112 kann zwischen etwa 3 zu 1, 2 zu 1, oder 1.5 zu 1 liegen. Durch das weitere Beispiel kann das Verhältnis etwa 2, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, oder 1.4 sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die erste Breite 112 um etwa 50, 45, 40, 35, 30, oder 25 Prozent geringer sein als die zweite Breite 116. Jedoch kann sich das Verhältnis bei verschiedenen Ausführungsformen des Volumens 33 ändern.

[0025] Sowohl der erste Raumabschnitt 62 als auch der zweite Raumabschnitt 70 weisen einen ersten Wandteil 108 und einen zweiten Wandteil 110 auf, die sich entlang beider Raumabschnitte 62 und 70 in der Richtung 60 erstrecken. Der erste und der zweite Wandteil 108 und 110 sind voneinander in der Richtung 32 entlang der Längsachse 32 des axial-radialen Diffusor-Gefässes 74 versetzt. Wie in Fig. 6 gezeigt, divergieren der erste und der zweite Wandteil 108 und 110 voneinander von dem ersten Ende 114 zu dem zweiten Ende 118. In der illustrierten Ausführungsform enthalten oder bilden der erste und der zweite Wandteil 108 und 110 divergierende flache Wandteile. Jedoch können einige Ausführungsformen der Wandteile 108 und 110 in der Richtung 60 divergierende gekrümmte Wandteile aufweisen. Der zweite Wandteil 110 divergiert von dem ersten Wandteil 108 entlang der Längsachse 60 des Volumens 33 in einem Winkel 120 bezüglich des ersten Wandteils 108, wobei der erste Wandteil 108 zu der Achse 60 parallel ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Winkel 120 zwischen etwa 4 bis 0.5 Grad, 3 bis 1 Grad, oder 2 bis 1.5 Grad betragen. Zum Beispiel kann der Winkel 120 etwa 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, 1.9, 1.8, oder 1.7 Grad, oder jeder Winkel dazwischen sein. In einigen Ausführungsformen ist der Winkel 120 unveränderlich. In anderen Ausführungsformen kann sich der Winkel 120 entlang des zweiten Wandteils 110 ändern. Der Winkel 120 gestattet dem ersten und dem zweiten Wandteil 108 und 110, entlang der Längsachse des Volumens 33 in der Richtung 60 in dem ersten und dem zweiten Raumabschnitt 62 und 70 zu divergieren. In einigen Ausführungsformen kann der erste Wandteil 108 von dem zweiten Wandteil 110 entlang der Längsachse 60 des Volumens 33 in einem Winkel in Bezug auf den zweiten Wandteil 110 divergieren, wobei der zweite Wandteil 110 zur Achse 60 parallel ist. Die allmähliche Expansion von dem ersten Raumabschnitt 62 zu dem zweiten Raumabschnitt 70 erhöht die Leistung des Volumens 33, indem es eine allmählichere systematische Diffusorwirkung und einen gleichförmigeren Durchfluss erbringt. Indem der zweite Wandteil 108 unter dem Winkel 120 angeordnet wird, wird ausserdem der Materialaufwand vermindert, der für das Volumen 33 im ersten Raumabschnitt 62 notwendig ist.

[0026] Fig. 7 ist eine Endansicht einer Ausführungsform des Volumens 33, gesehen aus der Perspektive der Linie 7–7 der Fig. 4 , die die Expansion der ersten und zweiten Raumabschnitte 62 und 70 entlang der Achse 58 veranschaulicht. Das Volumen 33 umfasst den ersten Raumabschnitt 62, den zweiten Raumabschnitt 70 und das axial-radiale Diffusor-Gefäss 74, das in dem ersten Raumabschnitt 62 angeordnet ist. Wie in Fig. 7 illustriert, erweitert sich das Volumen 33 allmählich in der Richtung 58 voneiner unteren Breite 130 nahe bei dem ersten Gebiet 56 zu einer oberen Breite 132 nahe des zweiten Gebiets 54. Die untere Breite 130 ist kleiner als die obere Breite 132. Das Verhältnis der oberen Breite 132 zu der unteren Breite 130 kann zwischen etwa 3 zu 1, 2 zu 1, oder 1.5 zu 1 liegen. Als weiteres Beispiel kann das Verhältnis etwa 2, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, oder 1.4 sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die untere Breite 130 um etwa 50, 45, 40, 35, 30, oder 25 Prozent geringer sein als die obere Breite 132.

[0027] Wie oben besprochen, beinhalten die ersten und zweiten Raumabschnitte 62 und 70 die ersten und zweiten Wandteile 108 und 110, die voneinander in der Richtung 32 entlang der Längsachse des axial-radialen Diffusor-Gefässes 74 versetzt sind. In der illustrierten Ausführungsform beinhalten oder bilden die ersten und zweiten Wandteile 108 und 110 divergierende flache Wandteile. Jedoch können einige Ausführungsformen der Wandteile 108 und 110 in die Richtung 58 divergierende gekrümmte Wandteile beinhalten. Der zweite Wandteil 110 divergiert von dem ersten Wandteil 108 in einem Winkel 134 bezüglich der Richtung 58 des Volumens 33. In bestimmten Ausführungsformen kann der Winkel 134 zwischen etwa 4 bis 0.5 Grad, 3 bis 1 Grad, oder 2 bis 1.5 Grad liegen. Zum Beispiel kann der Winkel 134 etwa 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, oder 0.7 Grad, oder jeder Winkel dazwischen sein. In bestimmten Ausführungsformen kann der Winkel 134 derselbe sein, wie der Winkel 120. Dieser Winkel 134 reduziert auch den Materialaufwand, der für das Volumen 33 im ersten Raumabschnitt 62 notwendig ist. In einigen Ausführungsformen ist der Winkel 120 unveränderlich. In anderen Ausführungsformen kann sich der Winkel 120 entlang des zweiten Wandteils 110 ändern. Der Winkel 134 erlaubt den ersten und zweiten Wandteilen 108 und 110 des Volumens 33, in der ersten Richtung 58 in mindestens dem ersten Raumabschnitt 62 zu divergieren. In einigen Ausführungsformen divergieren die ersten und zweiten Wandteile 108 und 110 in der Richtung 58 sowohl in dem ersten Raumabschnitt 62 als auch in dem zweiten Raumabschnitt 70. In einigen Ausführungsformen können die ersten und zweiten Wandteile 108 und 110 voneinander weg in beiden Richtungen 58 und 60 divergieren, wie in den Fig. 6 und 7 illustriert ist. Zum Beispiel können die Wandteile 108 und 110 sowohl in Raumabschnitten 62 und 70 von dem Boden 56 zu der Decke 54 und von dem ersten Ende 112 zu dem zweiten Ende 118 divergieren. Die Divergenz sowohl in der ersten Richtung 58 als auch in der zweiten Richtung gestattet die allmähliche systematische Aufweitung des Gasstroms von dem ersten Raumabschnitt 62 zu dem zweiten Raumabschnitt 70, wodurch die Turbulenz, die Strömungsablösung und der Gegendruck reduziert werden.

[0028] Technische Effekte der beschriebenen Ausführungsformen beinhalten die dreidimensionale Ausweitung in einem Volumen 33 mit der allmählichen Aufweitung zwischen Strömungsgrenzen in axialer, radialer und umfänglicher Richtungen. Zum Beispiel reduziert das Volumen 33 wesentlich oder beseitigt Gebiete plötzlicher Expansion in axialer, radialer, und Umfangsrichtung, um Turbulenz, Strömungsablösung und Druckstau zu reduzieren. Wie oben besprochen, gehört zu dem Volumen 33 der gekrümmte Wandteil 64, um die Eintrittsverluste zu reduzieren, wo die Verbrennungsgase aus dem axial-radialen Diffusor-Abschnitt 42 in das Volumen 33 eintreten, und ebenso die Abbiegeverluste, die mit der Strömungsumleitung zu dem Ausgang des Volumens 33 einhergehen. Zum Beispiel hilft der gekrümmte Wandteil 64, den Verbrennungsgasstrom entlang des gekrümmten Wegs 80 in der Umfangsrichtung 31 zu führen, wobei die Verbrennungsgase auch allmählich expandiert werden. Zu dem Volumen 33 gehören auch Wandteile 108 und 110, die in der ersten Richtung 58 divergieren (z.B. ungefähr quer) sowie in der zweiten Richtung 60 (z.B. längs) entlang der Achse 32 des Volumens 33, um überall in dem Volumen 33 eine allmähliche systematische Aufweitung zu erbringen. Weiter hilft der Strömungs-Teiler 82, den Durchfluss, der in der Nähe des ersten Abschnitts 56 des ersten Raumabschnitts 62 abgeht, zu führen und zu leiten, um Strömungs-Umkehrungen infolge Raumbeschränkungen zwischen dem ersten Abschnitt 56 und dem axial-radialen Diffusor-Abschnitt 42 zu verhindern. Insgesamt verbessern diese Eigenschaften die Gesamtleistung des Volumens 33.

[0029] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschliesslich der besten Ausführungsform zu offenbaren und es auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung, einschliesslich des Bildens und Verwendens entsprechender Einrichtungen oder Systeme und des Durchführens zugehöriger Verfahren umzusetzen. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele einschliessen, die denjenigen ersichtlich sind, die in dem Fachgebiet erfahren sind. Solche anderen Beispiele liegen im Rahmen der Ansprüche, wenn sie Strukturelemente haben, die sich von dem Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortlaut der Ansprüche aufweisen.

[0030] Die vorliegende Erfindung umfasst eine Gasturbine 12 einschliesslich eines axial-radialen Diffusor-Abschnitts 42, der um eine erste Längsachse 32 herum stromabwärts von einem Turbinenteil 22 in einem Abgasweg des Strömungspfads angeordnet ist. Das System enthält auch einen Abgasraum 33 einschliesslich eines ersten Raumabschnitts 62, der um den axial-radialen Diffusor-Abschnitt 42 herum angeordnet ist, worin der erste Raumabschnitt 62 einen gekrümmten Wandteil 64 beinhaltet, der von einem Kreisumfang 92 des axial-radialen Diffusor-Abschnitts 42 weg divergiert. Der Abgasraum 33 umfasst auch einen zweiten Raumabschnitt 70, der sich von dem ersten Raumabschnitt 62 weg stromabwärts entlang einer zweiten Längsachse 60 des Abgasraums 33 quer zu der ersten Längsachse 32 erstreckt.

Bezugszeichenliste

[0031] <tb>10<SEP>System <tb>12<SEP>Gasturbine <tb>16<SEP>Lufteinlassabschnitt <tb>18<SEP>Verdichter <tb>20<SEP>Brennkammerabschnitt <tb>22<SEP>Turbine <tb>24<SEP>Auslassabschnitt <tb>26<SEP>Welle <tb>28<SEP>Brennkammergehäuse <tb>30<SEP>Brennkammern <tb>31<SEP>Umfangsrichtung <tb>32<SEP>Längsrichtung <tb>33<SEP>Raum <tb>36<SEP>Rotoranordnungen <tb>38<SEP>Räder <tb>42<SEP>Axial-Radial-Diffusor <tb>44<SEP>Diffusorausgang <tb>46<SEP>Radialleitschaufeln <tb>47<SEP>Umfang <tb>48<SEP>Eingang <tb>50<SEP>anfängliche Weite <tb>51<SEP>Weite <tb>52<SEP>Wandabschnitte <tb>54<SEP>Deckel <tb>56<SEP>Boden <tb>58<SEP>Achse <tb>60<SEP>Achse <tb>62<SEP>erster Raumabschnitt <tb>64<SEP>gekrümmter Wandabschnitt <tb>70<SEP>zweiter Raumabschnitt <tb>74<SEP>axial-radiales Diffusorgefäss <tb>76<SEP>Versatzabstand <tb>78<SEP>longitudinales Ende <tb>79<SEP>Radialabstand <tb>80<SEP>gekrümmter Weg <tb>81<SEP>Umfang des Gefässes <tb>82<SEP>Strömungs-Teiler <tb>89<SEP>stromaufwärts <tb>90<SEP>Pfeil <tb>91<SEP>Mittelebene <tb>92<SEP>Umfang des Axial-Radial-Diffusors <tb>93<SEP>stromabwärts <tb>94<SEP>erster Abstand <tb>95<SEP>stromabwärtiger Flussweg <tb>96<SEP>zweiter Abstand <tb>98<SEP>dritter Abstand <tb>108<SEP>erster Wandabschnitt <tb>110<SEP>zweiter Wandabschnitt <tb>112<SEP>erste Weite <tb>114<SEP>erstes Ende <tb>116<SEP>zweite Weite <tb>118<SEP>zweites Ende <tb>120<SEP>Winkel <tb>130<SEP>untere Weite <tb>132<SEP>obere Weite <tb>134<SEP>Winkel

Claims (10)

1. Gasturbine (12), umfassend: einen axial-radialen Diffusor-Abschnitt (42), der um eine erste Längsachse (32) stromabwärts in einem Abgasweg des Strömungspfads von einem Turbinenteil (22) angeordnet ist; und einen Abgasraum (33), der einen ersten Raumabschnitt (62) aufweist, der um den axial-radialen Diffusor-Abschnitt (42) herum angeordnet ist, wobei der erste Raumabschnitt (62) einen gekrümmten Wandteil (64) umfasst, der von einem Umfang (92) des axial-radialen Diffusor-Abschnitts (42) entlang eines gekrümmten Wegs (80) mindestens teilweise um den Umfang (92) des axial-radialen Diffusor-Abschnitts (42) herumführend weg divergiert, wobei der Abgasraum (33) einen zweiten Raumabschnitt (70) aufweist, der sich von dem ersten Raumabschnitt (62) weg stromabwärts entlang einer zweiten Längsachse (60) des Abgasraums (33) quer zu der ersten Längsachse (32) erstreckt.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, bei dem sich der erste Raumabschnitt (62) des Abgasraums (33) in einer ersten Richtung (58) quer zu der ersten (32) und der zweiten (60) Längsachse divergierend erstreckt.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, bei dem sich der gekrümmte Wandteil (64) von dem Umfang (92) in der ersten Richtung (58) divergierend erstreckt.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, bei dem sich der zweite Raumabschnitt (70) des Abgasraums (33) in einer zweiten Richtung entlang der zweiten Längsachse (60) von dem axial-radialen Diffusor-Abschnitt (42) divergierend erstreckt.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, bei dem der gekrümmte Wandteil (64) in Bezug auf die zweite Längsachse (60) an einem ersten Längsende (78) des Abgasraums (33) angeordnet ist.

6. Gasturbine nach Anspruch 2, bei dem sich der erste Raumabschnitt (62) und der zweite Raumabschnitt (70) des Abgasraums (33) in einer zweiten Richtung entlang der zweiten Längsachse (60) von dem axial-radialen Diffusor-Abschnitt (42) divergierend erstrecken.

7. Gasturbine nach Anspruch 1, bei dem die erste Längsachse (32) und die zweite (60) Längsachse voneinander durch einen Versatzabstand (76) beabstandet sind.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, bei dem sich der gekrümmte Wandteil (64) von dem Umfang (92) des axial-radialen Diffusor-Abschnitts (42) weg entlang eines gekrümmten Wegs (80) in einer ersten Richtung (58) von der ersten Längsachse (32) zu der zweiten Längsachse (60) divergierend erstreckt.

9. Gasturbine nach Anspruch 1, bei dem sich der erste Raumabschnitt (62) des Abgasraums (33) in einer ersten Richtung (58) quer zu der ersten (32) und der zweiten (60) Längsachse divergierend erstreckt, wobei sich der gekrümmte Wandteil (64) von dem Kreisumfang (92) in der ersten Richtung (58) divergierend erstreckt, und wobei sich der zweite Raumabschnitt (70) des Abgasraums (33) in einer zweiten Richtung entlang der zweiten Längsachse (60) von dem axial-radialen Diffusor-Abschnitt (42) divergierend erstreckt.

10. Gasturbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: der erste Raumabschnitt (62) einen ersten (108) und einen zweiten (110) Wandteil aufweist, die gegeneinander entlang der ersten Längsachse (32) versetzt sind, wobei der erste (108) und der zweite (110) Wandteil voneinander weg entlang der zweiten Längsachse (60) divergieren.