CN103003528B - 用于燃气轮机的排气扩散器和用于运行具有这种排气扩散器的燃气轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机（1）的排气扩散器（20），所述排气扩散器具有用于引导扩散流（30）的环形的外壁（28），在所述外壁中设有同心于外壁（28）设置的、用于影响扩散流（30）的环形的导向元件（32）。为了改进排气扩散器（20）的空气动力学效果并且针对燃气轮机的多个运行状态来同时最佳地调整所述排气扩散器而提出，导向元件（32）具有径向向内指向的面（34），所述面具有环绕的、在纵截面中呈凸形的轮廓以用于形成排流元件，并且导向元件（32）能够轴向地在两个位置之间移动，使得所述导向元件（32）在第一位置中实现在导向元件（32）和外壁（28）之间的流动并且在第二位置中尽可能阻止在导向元件（32）和外壁（28）之间的流动。此外，提出一种用于运行燃气轮机（1）的方法，其中为了降低空气动力学损失并且提高压力恢复，在质量流增大的情况下将导向元件（32）朝第二位置的方向移动或者直至移动至第二位置中并且/或者在减小质量流的情况下将导向元件（32）朝第一位置的方向移动或者直至移动至第一位置中。

Description

用于燃气轮机的排气扩散器和用于运行具有这种排气扩散器的燃气轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的排气扩散器，其具有用于引导扩散流的环形的外壁，在所述扩散流中设有同心于外壁设置的、用于影响扩散流的环形的导向元件。此外，本发明涉及一种用于运行具有所述类型的排气扩散器的燃气轮机的方法。

背景技术

长久以来从现有技术中已知燃气轮机和应用于所述燃气轮机的排气扩散器。例如，从DE 198 05 115 A1中已知具有10°和更大的相对大的张角的排气扩散器。所述排气扩散器通过在扩散通道的中央设有用于延长此外短的燃气轮机毂的在轴向方向上延伸的导向体来达到大的张角。通过应用导向体将排气扩散器构成为环形扩散器。由此，避免在燃气轮机毂之后的回流区的更大的区域，这对排气扩散器的效率产生有利的影响。然而缺点是，导向体相对长并且因此由于其长度而必须通过附加的支柱来进行支撑。此外，不考虑支承柱的空气动力学影响。

已知的短的燃气轮机毂大多直接地在燃气轮机转子的涡轮侧的轴承之后终止。然而，所述燃气轮机毂具有尤其大的回流区。当然，短的燃气轮机毂也是尤其价格低廉的。

此外，从EP 1 970 539 A1中已知一种排气扩散器，其在内部中具有与外壁同心的环形的导向元件。在此，导向元件构造成，使得在外壁和导向元件之间构成有喷嘴通道，借助所述喷嘴通道能够加速在壁附近的流动。由此可避免在导向元件的下游、在壁附近的流分离。然而不会借助于导向元件影响在排气扩散器的中央的流，回流能够出现在所述排气扩散器的中央处。

此外，US 5,209,634A1公开一种具有可调节的毂几何形状的蒸汽轮机斜流式扩散器以用于调节可穿流的扩散器横截面。

此外，寻求避免设置在燃气轮机毂之后的回流区或者最小化其大小的可能性，因此本身在燃气轮机的部分负载运行中能够达到排气扩散器的大的效率并且能够确保大的运行可靠性。在下游伸展过远的回流区中存在所述回流区能够到达设置在排气扩散器的下游的锅炉的危险，这显著地使得所述锅炉的工作方式变差。这即使在那里安装有加力燃烧室的情况下也导致回火，由此燃气轮机和加力燃烧室的组合运行受到强烈限制。

发明内容

本发明基于下述目的，提出一种用于燃气轮机的节约空间的排气扩散器，所述排气扩散器在实现尽可能高的燃气轮机的效率的情况下针对燃气轮机的每种运行状态避免流分离和回流区并且针对燃气轮机的每种运行状态确保设置在燃气轮机下游的锅炉和加力燃烧室的可靠运行。本发明的另一目的是，为此提出一种用于运行具有排气扩散器的燃气轮机的方法。

针对排气扩散器的目的借助根据本发明所述的排气扩散器来实现。

针对方法的目的借助根据本发明所述的方法来实现。

用于燃气轮机的根据本发明的排气扩散器具有用于引导扩散流的环形的外壁，在所述扩散流中设有同心于外壁设置的、用于影响扩散流的环形的导向元件，其中导向元件的径向向内指向的面具有环绕的、在纵截面中是凸形的轮廓以用于形成排流元件并且导向元件能够轴向地在两个位置之间移动，使得导向元件在第一位置中实现在导向元件和外壁之间的流动并且在第二位置中阻止在导向元件和外壁之间的流动。

用于运行具有排气扩散器的燃气轮机的根据本发明的方法提出，在穿流过燃气轮机的质量流增大的情况下，导向元件朝着第二位置的方向移动或者移动至第二位置中，并且/或者在减小质量流的情况下，导向元件朝着第一位置的方向移动或者移动至第一位置中。

本发明基于下述知识，在热天和在燃气轮机部分负载运行时出现的小质量流的情况下，质量流的主要份额在燃气轮机的排气扩散器中朝外、即朝着外壁转移，使得造成在毂之后的极其显著的并且长的回流区。在例如在冷天或者在满负载运行中出现的大质量流的情况下，质量流的主要份额更容易向内、即朝着毂或者中央转移。由此降低流在外壁附近的比例，这能够引起在外壁处的流分离。因此整体上期望的是，使在排气扩散器之内的质量流分布均匀。

然而，为了均匀化而必须根据燃气轮机的运行状态来将质量流更多地朝着外壁转移或者朝着排气扩散器的中央转移。为了实现上述内容，本发明以不可预见的方式将两种措施组合。为了向外移动质量流，导向元件构造成是可轴向移动的，由此能够调节导向元件和外壁之间的间距。随着间距的增大，能够将更大比例的流朝向外壁偏转，这降低在壁附近的流分离的可能性。此外，导向元件在其向内指向的面上具有环绕的、在纵截面中凸形的轮廓以用于形成排流元件。由此，环形的导向元件的内部轮廓得到拉瓦尔(Laval)喷管的形状。这导致，由导向元件俘获的扩散流更多地朝着毂或者扩散器中央偏转。导向元件的圆形开口的相对面积份额相较于排气扩散器本身的与位置相关的可穿流的横截面越大，这就越适用。在设置在第二位置中的导向元件中，——所述导向元件贴靠在外壁上——，排气扩散器的横截面积相当于导向元件的横截面积。因此，比例等于1。通过在排气流的下游的方向上轴向地移动导向元件，排气扩散器的可穿流的横截面——在导向元件的入流横截面积所在的轴向位置上的横截面——增大，相反地，导向元件的入流横截面积保持不变。由此降低横截面积的相对比——比例下降到1之下——，使得收缩作用随着导向元件和外壁之间的间距增大而降低，这也是期望的，因为在该情况下，与朝着排气扩散器的中央转移相比，流的份额应当更多地朝着外壁转移。

因此，本发明基于未预料到的认知，即尽管应用向内指向的收缩部但可以增强在壁附近的流。因此，借助根据本发明的解决方案能够与质量流的大小无关地改进排气扩散器的效率，因为尽可能地避免了归因于相对大的回流区或者基于在壁附近的流分离的空气动力学损失。

在下文中说明有利的设计方案。

根据第一有利的设计方案，当导向元件设置在第二位置中时，排流元件设置在排气扩散器的下述轴向部段中，设置在排气扩散器中央的毂体终止于所述轴向部段中。由于设置在中央的毂体的端部而在毂体的湍流区域中形成回流区，所述回流区能够借助于设置在导向元件上的收缩部来缩短。然而，为此需要的是，收缩部轴向直接地位于毂体的端部的下游。必须避免在毂体的端部和收缩部的轴向位置之间的过大的轴向间距，由此收缩部也实现期望的空气动力学效果，即将流份额朝中央转移，也就是说朝着排气扩散器的流中心转移。

优选地，能够将导向元件的径向向外指向的面以面接触的方式贴靠在外壁的部段上。通过将导向元件面接触地贴靠在外壁上而有效地避免在壁附近最小的间隙流，因为导向元件特别紧密地贴靠在外壁上。因此，有效地避免其大小过小进而避免无效的壁流。

根据另一有利的扩展方案，导向元件经由沿着外壁的周边分布的肋支承。该布置实现用于支承导向元件的简单的构造。根据前述设计方案的第一变型形式，肋刚性地固定在外壁上，其中在每个肋的内部端部上设有用于轴向移动导向元件的驱动器。有利地，为此设有可在两侧加载的液压活塞，借助所述液压活塞能够相对于肋进而也相对于外壁轴向地移动导向元件。所述第一变型形式具有能够将肋和导向元件在其尺寸方面刚性地构成的优点。这就是说，导向元件的直径和肋的长度都不必须是可变的，以便能够确保导向元件的可移动性。

根据第二变型形式，肋分别铰接在外壁和导向元件上，其中铰接件的旋转轴线在排气扩散器的切线方向上延伸。所述设计方案提供下述优点：将用于轴向地移动导向元件的驱动器从排气扩散器的流动通道中转移到燃气轮机的略微更冷的区域中，这降低了对驱动器在热稳定性方面的要求。然而因为优选应用直径恒定的导向元件，所以对于该情况而言，肋的径向延伸必须是可变的。因此有利的是，肋能够伸缩移动，以便在导向元件移动期间调整所述肋的长度。

优选地，固定式燃气轮机配设有前述设计方案的排气扩散器。

附图说明

根据实施例详细地来进一步阐明本发明。

其示意地示出：

图1示出固定式燃气轮机的纵截面/局部剖面图，

图2示出固定式燃气轮机的排气扩散器的纵截面，所述排气扩散器具有贴靠在排气扩散器的外壁上的导向元件，

图3示出根据图2的排气扩散器，具有与外壁间隔的导向元件；并且

图4示出具有用于轴向移动导向元件的驱动器的导向元件。

具体实施方式

图1示出燃气轮机1的局部纵截面。所述燃气轮机具有在内部可围绕机器轴线2转动地安装的转子3，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子3依次为进气壳体4、压缩机5、带有彼此旋转对称设置的燃烧器7的环状的环形燃烧室6、涡轮单元8和排气壳体9。环形燃烧室6包围与环形的热气通道16连通的燃烧腔17。在那里，四个相继连接的叶片级10形成涡轮单元8。每个叶片级10由两个叶片环形成。沿在环形燃烧室6中产生的热气11的流动方向观察，在热气通道16中，由转子叶片15形成的排14分别跟随导向叶片排13。导向叶片12固定在定子上，相对地，排14的转子叶片15分别借助盘19安装在转子3上。发电机或者做功机械(未示出)耦接于转子3。

排气壳体9在涡轮单元8的下游连接到热气通道16上。排气壳体9是燃气轮机1的排气扩散器20的进料侧部分。因此，热气通道16转入到排气扩散器20的流动通道22中。设置在排气壳体9中的肋24支撑转子3的涡轮侧的端部，其中所述端部被毂体26包封。毂体26轴向地终止在流动通道22中并且设置在排气扩散器20的中央。

排气扩散器20的外边界由外壁28形成，所述外壁构成为环形的并且同心于机器轴线2。外壁28发散地沿扩散流30的流动方向延伸，所述扩散流在涡轮单元8中膨胀之前称作热气11。

图2示出横贯排气扩散器20的入流侧的部段的纵截面。在毂体26轴向地终止于其中的轴向部段中设置有可沿轴向方向移动的导向元件32。在此，导向元件32的向外指向的面具有与外壁28相同的锥度，使得导向元件32面接触地贴靠在外壁28上。导向元件32的朝向内的面34具有环绕的、在纵截面中呈凸形的轮廓以用于形成排流元件。在此，轮廓构造成，使得由环形的导向元件32包围的流动横截面根据拉瓦尔喷管的类型构成。换而言之，导向元件32的入流侧的流动横截面大于导向元件32的最小的流动横截面，其中排出侧的流动横截面大于入流侧的流动横截面。最小的流动横截面在轴向上位于入流侧的流动横截面和出流侧的横截面之间。相应的流动横截面总是垂直于机器轴线2。

在图3中示出与图2中所示的排气扩散器20相同的部段，导向元件32仅仅相对于在图2中示出的位置沿轴向方向移动。导向元件32根据图3现在位于图2中示出的位置的下游。导向元件32的图3中示出的位置称作为导向元件32的第一位置，并且导向元件32的图2中示出的位置称作为第二位置。

通过朝下游的方向移动导向元件32而在外壁28的内面和导向元件32的朝向外的面之间形成环形的流道36，扩散流30的一部分能够流动通过所述流道。

在配设有所示出的类型的排气扩散器20的燃气轮机1运行时，能够出现下述状态：在变化的环境条件下和在部分负载运行中，燃气轮机1被热气11或者排气30的相当小的质量流穿流。由于较小的质量流而将排气流的主要份额向外转移，使得迄今为止在毂体26之后形成极其显著的且长的回流区。现在，根据本发明提出，导向元件32移动到第二位置中。由此，收缩部相对地位于毂体26附近。这引起排气30强烈地朝中轴线2的方向偏转(30’)，这显著地降低在毂体26之后的轴向部段中的回流区域。这降低空气动力学损失，提高压力恢复并且均匀化在排气扩散器20中的速度分布曲线和流动分布曲线。

在例如在冷天和在满负载情况下出现的另外的第二状态期间，燃气轮机被相对大的质量流穿流。在该情况下，导向元件32沿轴向方向移动到第一位置中。通过移动使由导向元件32引起的排气扩散器20的流动横截面的相对阻塞降低。此外，以该方式形成外壁28和导向元件32的外面之间的环形的流道36。穿过该通道36的流在导向元件32的下游引起壁射流，所述壁射流降低对于该运行状态而言提高的在外壁28上的流分离风险。

这也阻止在排气扩散器20中的空气动力学损失，这导致提高的压力恢复。因此提出，在质量流增大时，导向元件32朝第二位置的方向移动或者直至移动到第二位置中(直到贴靠在外壁28上)，并且/或者在质量流减小时，导向元件32朝第一位置的方向移动或者直至移动至第一位置中(导向元件32与外壁28间隔)。导向元件32的移动总是平行于机器轴线2进行。

由于导向元件32仅仅在轴向方向上移动的事实，所述导向元件可构成为具有恒定直径的环。

图4示出用于驱动可轴向移动的导向元件32的细节。导向元件32经由多个沿着排气扩散器20的周边分布的肋40来保持。肋40中的每一个刚性地固定在外壁28上，但这在图4中没有示出。肋40射束状地伸入到流动通道22中。在肋40的内部端部42上分别设有液压缸45作为调节装置，所述液压缸的可在轴向方向移动的活塞46与导向元件32固定。通过用液压油加载能够在轴向方向上移动活塞46，这引起导向元件32在相同的方向上移动。只要需要，由于相对高的排气温度，对调节装置和用于液压油的输送管道进行冷却就能够是适宜的。

借助本发明提出一种用于燃气轮机1的排气扩散器20，所述燃气轮机具有用于引导扩散流30的环形外壁28，在所述外壁中设有同心于外壁28设置的、用于影响扩散流30的环形的导向元件32。为了改进排气扩散器20的空气动力学效果并且针对燃气轮机的多个运行状态来同时最佳地调节所述排气扩散器而提出，导向元件32具有径向向内指向的面34，所述面具有环绕的、在纵截面中呈凸形的轮廓以用于形成排流元件并且所述导向元件32能够轴向地在两个位置之间移动，使得所述导向元件32在第一位置中实现在导向元件32和外壁28之间的流动并且在第二位置中尽可能地阻止在导向元件32和外壁28之间的流动。此外，提出一种用于运行燃气轮机1的方法，其中为了降低空气动力学损失并且提高压力恢复，在质量流增大的情况下导向元件32朝第二位置的方向移动或者直至移动至第二位置中，并且/或者在质量流减小的情况下导向元件32朝第一位置的方向移动或者直至移动至第一位置中。

Claims (8)

1.用于燃气轮机（1）的排气扩散器（20），所述排气扩散器具有用于引导扩散流（30）的环形的外壁（28），在所述外壁中设有同心于所述外壁（28）设置的、用于影响所述扩散流（30）的环形的导向元件（32），其中所述导向元件（32）能够轴向地在两个位置之间移动，

其特征在于，所述导向元件（32）的径向向内指向的面（34）具有环绕的、在纵截面中呈凸形的轮廓以用于形成排流元件，并且所述导向元件（32）在第一位置中实现在导向元件（32）和外壁（28）之间的流动，并且在第二位置中阻止在导向元件（32）和外壁（28）之间的流动。

2.根据权利要求1所述的排气扩散器（20），其中，当所述导向元件（32）设置在所述第二位置中时，所述排流元件设置在所述排气扩散器（20）的下述轴向部段中，设置在所述排气扩散器（20）的中央的毂体（26）轴向地终止在所述轴向部段中。

3.根据权利要求2所述的排气扩散器（20），其中所述导向元件（32）的径向向外指向的面能够面接触地贴靠在所述外壁（28）上的部段。

4.根据上述权利要求之一所述的排气扩散器（20），其中所述导向元件（32）经由沿着所述外壁（28）的周边分布的多个肋（40）来支承。

5.根据权利要求4所述的排气扩散器（20），其中所述肋（40）刚性地固定在所述外壁（28）上并且在所述肋（40）的至少一个的内部的端部（42）上设有用于轴向移动所述导向元件（32）的驱动器。

6.根据权利要求4所述的排气扩散器（20），其中所述肋分别铰接在所述外壁（28）和所述导向元件（32）处，其中铰接件的旋转轴线在所述排气扩散器（20）的切线方向上延伸。

7.燃气轮机（1），具有根据上述权利要求之一所述的排气扩散器（20）。

8.用于运行燃气轮机（1）的方法，在所述方法中具有根据权利要求7所述的燃气轮机（1），所述燃气轮机由可变大小的质量流穿流，

其特征在于，在所述质量流增大时，将所述导向元件（32）朝着所述第二位置的方向移动或者直至移动至所述第二位置中，并且/或者

在所述质量流减小时，将所述导向元件（32）朝着所述第一位置的方向移动或者直至移动至所述第一位置中。