DE102009026210A1

DE102009026210A1 - Geschlitzter Verdichterdiffusor und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102009026210A1
Application number: DE102009026210A
Authority: DE
Inventors: Carl Gerard Schott
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2010-01-28
Also published as: JP2010031860A; US20100021293A1; CN101634313B; JP5461905B2; CN101634313A; US8438855B2

Abstract

Ein Verdichterdiffusor (28) für eine Gasturbine weist auf: Einen Verdichterdiffusor mit einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende, wobei das stromabwärtige Ende durch einen peripheren Ringrand (31) definiert ist und der Ringrand mit einer Anzahl im Wesentlichen axial ausgerichteter Schlitze (30) ausgebildet ist, die sich von einer Öffnung am strömungsabwärtigen Rand in einer stromaufwärts weisenden Richtung erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Gasturbinenverbrennungstechnologie und mehr im einzelnen Änderungen an dem Verdichterdiffusor um aerodynamische Verluste zu verringern, die von dem Verdichterauslassgehäuse bei einigen industriellen Gasturbinen herrühren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es wurde festgestellt, dass aerodynamische Verluste an dem Verdichterauslassgehäuse einiger industriellen Gasturbinen auftreten. Diese Verluste werden durch eine Wiederbeschleunigung des Verdichterauslassstroms in verjüngten Bereichen oder „Engstellen” unmittelbar stromabwärts von dem Verdichterdiffusor hervorgerufen und führen zu einer Erhöhung des Brennstoffverbrauchs und zu einer verminderten Kühlung von einigen Verbrennungselementen. Allgemein gesehen sind neuere Turbinenkonstruktionen mit mehrkanaligen radialen Auslassdiffusern oder mit neu gestalteten Mantelgehäusen, Flammrohren etc. für vorhandene Gasturbinen wegen der hohen Entwicklungs- und Installationskosten nicht brauchbar.
Es bleibt deshalb bei einem Bedürfnis nach einer verhältnismäßig preiswerten Lösung, die für einen Umbau vor Ort geeignet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer beispielhaften aber nicht beschränkenden Implementierung der Erfindung wird ein Verdichterdiffusor für eine Gasturbine geschaffen der ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende aufweist, wobei das stromabwärtige Ende durch einen peripheren ringförmigen Rand gegrenzt ist und der ringförmige Rand mit einer Anzahl von im Wesentlichen axial orientierten Schlitzen ausgebildet ist, die von einer Öffnung an dem ringförmigen Rand in eine strömungsaufwärts gerichtete Richtung weisen.
Bei einer anderen beispielhaften aber nicht beschränkenden Implementierung bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbine, die ausweist:
Einen Verdichter, eine ringförmige Anordnung von Rohrbrennkammern die derart angeordnet sind, dass sie Verbrennungsgase in einer ersten Richtung einer ersten Stufe der Turbine zuführen wobei der Verdichter einen Diffusor beinhaltet, der so gestaltet ist, dass die von dem Verdichter abgegebene Luft in einer entgegengesetzten zweiten Richtung zu einem hinteren Ende der Rohrbrennkammern zur Verwendung bei der Verbrennung geleitet wird; wobei der Diffusor ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende aufweist, das mit mehreren im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitzen ausgebildet ist.
In einer weiteren beispielhaften aber nicht beschränkenden Implementierung betrifft die Erfindung eine Gasturbine, die aufweist: Einen Verdichter, eine ringförmige Anordnung von Rohrbrennkammern, die so angeordnet sind dass sie Verbrennungsgase in einer ersten Richtung einer ersten Stufe der Turbine zuleiten, wobei der Verdichter einen Diffusor enthält der so gestaltet ist, dass er von dem Verdichter abgegebene Luft in einer entgegengerichteten zweiten Richtung zu einem hinteren Ende der Rohrbrennkammern zu Verwendung bei der Verbrennung leitet; wobei der Diffusor ein stromaufwärtiges und ein stromabwärtiges Ende aufweist; und Mittel die an dem stromabwärtigen Ende angeordnet sind, um die Umleitung der von dem Verdichter abgegebenen Luft aus der ersten Richtung in die zweite Richtung zu verbessern.
In einer noch anderen beispielhaften Implementierung betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Luftstromumkehr in einem Gasturbinenverbrennungssystem, wobei die von dem Verdichter abgegebene Luft dazu veranlasst wird, in einer Umkehrströmung einer Brennkammer zuzuströmen, wobei das Verfahren beinhaltet: Ausbildung eines Verdichterdiffusors mit mehreren im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitzen, die sich von einem strömungsabwärtigen Ende des Diffusors in einer strömungsaufwärtigen Richtung erstrecken; und Zuordnen wenigstens einer Strömungsleitschaufel zu einem oder mehreren der im wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze.
Die Erfindung wird dem nachstehenden im Zusammenhang mit den unten erwähnten Zeichnungen erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNG
1 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung eines gebräuchlichen Gasturbinenverdichters und einer gebräuchlichen Gasturbinenbrennkammer;
2 ist eine teilweise perspektivische Darstellung eines abgewandelten Verdichterdiffusors gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3 ist ein aus 2 genommenes vergrößertes Detail in perspektivischer Darstellung mit einem Schlitz zugeordneter Umlenkschaufel;
4 ist eine teilweise perspektivische Darstellung eines Verdichterdiffusors wie in 3, jedoch von unterhalb der Diffusorwand aus gesehen;
5 ist eine teilweise perspektivische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine teilweise perspektivische Ansicht von der Unterseite des in 5 dargestellten Diffusors aus gesehen;
7 ist eine teilweise perspektivische Ansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
8 ist eine teilweise perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung wie Leitschaufeln zu den Streben des Verdichterauslassgehäuses hinzugefügt werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend zunächst auf 1 ist dort eine Rohr-Ring-Brennkammer 10 mit Umkehrströmung dargestellt. Die Brennkammer 10 ist mit mehreren weiteren gleichen Brennkammern (oder Brennkammerrohren) in einer ringförmigen Anordnung rings um den Turbinenrotor angeordnet und erzeugt die zum Antrieb der Turbinenräder in den verschiedenen Turbinenstufen erforderlichen Gase. Im Betrieb strömt die von dem Verdichter 12 abgegebenen Luft, die durch den Strömungspfeil A gekennzeichnet ist durch den Diffusor 28; sie kehrt ihre Richtung beim Überströmen der Außenseite der Brennkammer 10 um und kehrt ihre Richtung beim Eintritt in die vorderen Enden der Einzelbrennkammern von neuem um. In den Einzelbrennkammern 14 (von denen lediglich eine dargestellt ist) werden Verbrennungsluft und Brennstoff verbrannt, wodurch Gase hoher Temperaturen erzeugt werden, die durch einen Verbindungskanal 16 zu der bei 18 angedeuteten ersten Turbinenstufe strömen.
Auf ihrem Weg zu der Brennkammer 10 strömt die von dem Verdichter abgegebene Luft durch einen Druckmantel 20, der zwischen dem Druckmantel 20 und dem Flammrohr 24 einen Ringspalt oder -kanal 22 ausbildet. Ein ähnlicher Druckmantel 26 umgibt den Verbindungskanal 16 und schließt sich an den Druckmantel 20 an der Trennstelle zwischen dem Flammrohr 24 und dem Verbindungskanal 16 an. Darauf hinzuweisen ist, dass von dem Verdichter abgegebene Luft in dem Spalt 22 über (nicht dargestellte) Lochreihen in die Druckmäntel einströmt. Bis zu dieser Stelle ist die Turbinenbrennkammeranordnung bekannter Konstruktion.
Bezugnehmend auf 2 sind dort in einer ersten jedoch nicht beschränkten Ausführungsform eine Anzahl von im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitzen 30 in dem hinteren Ende des Verdichtergehäuses 28 (das typischerweise als Verdichterdiffusor bezeichnet wird) ausgebildet, die sich rings um den Diffusor erstrecken und zwischen einer Reihe von Verdichtergehäuse-Tragstreben 32 liegen. Diese Schlitze verbessern die Strömungsrichtungsumkehr der von dem Verdichter abgegebenen Luft.
Bei dieser beispielhaften aber nicht beschränkten Ausführungsform sind zwei Schlitze 30 für jede einzelne „Rohrbrennkammer” vorgesehen, die den Raum zwischen Paaren von radial ausgerichteten Streben 32 einnehmen. Die Schlitze 30 erstrecken sich von Öffnungen an dem strömungsabwärtigen Rand des Diffusors in strömungsaufwärtiger Richtung und ergeben dadurch zusätzliche Strömungswegbereiche und eine frühre radiale Umkehrung der von dem Verdichter abgegebene Luft um die Strömung zu den Einzelbrennkammern hin umzuleiten, wobei sie zumindest teilweise die „Engstellen” vermeiden. Dadurch dass eine vergrößerte Strömungswegfläche an einem äußeren verengten Ort des Strömungspfades, an dem der Rückstrom auftritt, geschaffen wird, wird der Druckabfall an diesem Ort verringert. Es können naturgemäß auch andere Schlitzkonfigurationen verwendet werden, zum Beispiel mit einem oder mehr als zwei Schlitzen pro einzelner Rohrbrennkammer. In einer Abwandlung dieser Schlitzkonfiguration kann der stromabwärtige Rand des Diffusors derart durchgehend ausgebildet sein, dass Schlitze 30 an dem strömungsabwärtigen Rand des Diffusors geschlossen sind.
Eine weitere Verbesserung der Luftstromumleitung kann dadurch erreicht werden, dass jedem Schlitz 30 eine Ab- oder Umlenkschaufel 34 zugefügt wird. Diese Anordnung ist in 3 veranschaulicht, wo eine einzige Umlenkschaufel 34 in den Schlitz 30 eingebaut und so ausgerichtet ist, dass sie die Umlenkung der in den Schlitz einströmenden Luft unterstützt, das heißt, dass sie mit ihrer konkaven Seite der Strömung zugewandt liegt. Die Schaufel 34 erstreckt sich auf beiden Sei ten des Schlitzes (vergleiche 4) derart, dass durch den Diffusor strömende Luft auf sie auftrifft, wobei sie fortwährend eine Umlenkwirkung auf die durch die Diffusorwand durchtretende Luft ausübt. Zu bemerken ist, dass in 3 die Verdichterausrichtung umgekehrt ist, sodass der Luftstrom, bezogen auf die 1 und 2, entgegengesetzt ist. Änderungen der Zahl der Umlenkschaufel pro Schlitz sind ebenfalls möglich. Beispielsweise zeigen die 5, 6 eine Anordnung bei der drei gleichorientierte Umlenkschaufeln 36 in jedem Schlitz 38 eingebaut sind.
7 veranschaulicht eine weitere alternative Anordnung bei der wenigstens ein Schlitz 40 pro Einzelrohrbrennkammer vorgesehen und eine Umlenk- oder Ablenkschaufel 42 stromabwärts von dem Schlitz auf der zunächst benachbarten Strebe 44 angebracht ist. 8 veranschaulicht ein Beispiel dafür, wie zwei Umlenk- oder Ablenkschaufeln 46 auf gegenüberliegenden Seiten einer Strebe 48 angebracht sein können. Im Einzelnen ist jede Umlenkschaufel 46 mit einem Montagesockel 50 mit einer Streben-Anlagefläche 42 ausgebildet, die ein mit der Strebe zusammenpassendes Oberflächenprofil aufweist. Die Umlenkschaufeln können unter Verwendung von Befestigungsschrauben 54 oder anderen geeigneten Mitteln, wie Nieten oder dergleichen, befestigt sein. Wie oben erwähnt, können die Zahl der Schlitze pro Einzelrohrbrennkammer, ebenso wie die Zahl und der Ort der Umlenkschaufeln bedarfsgemäß variieren. Die gegenwärtig bevorzugte Anordnung besteht darin, zwei Schlitze 30 pro Einzelrohrbrennkammer mit einer Umlenkschaufel 34 pro Schlitz vorzusehen, die entweder in dem Schlitz oder auf der nächsten benachbarten Strebe 42 montiert ist.
Bei einer Abwandlung der 7 können die Umlenkschaufeln 46 auch allein ohne die Schlitze 40 benutzt werden. Wenngleich weniger wirksam als die Kombination von Schlitzen und Umlenkschaufeln, würden die Umlenkschaufeln allein nichts desto trotz eine gewisse Verbesserung der Luftströmungsumkehr bewirken.
Die hier beschriebenen Diffusorabwandlungen können an Ort und Stelle bei vorhandenen Turbomaschinen oder im Herstellungswerk vorgenommen werden, wobei sie eine Leistungsverbesserung, sowohl für Dienstleistungskunden als auch für Kunden neuer Einheiten, ergeben.
Wenngleich die Erfindungen im Zusammenhang mit dem beschrieben wurde was gegenwärtig als die zweckentsprechendste und bevorzugte Ausführungsform erscheint, so ist doch darauf hinzuweisen dass die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.

Claims

Ein Verdichterdiffusor (28) für eine Gasturbine, die ein stromungsaufwärtiges und ein strömungsabwärtiges Ende aufweist, wobei das strömungsabwärtige Ende durch einen peripheren ringförmigen Rand (31) begrenzt ist, wobei der ringförmige Rand mit einer Anzahl im Wesentlichen axial ausgerichteter Schlitze (30) ausgebildet ist, die sich von einer Öffnung bei dem ringförmigen Rand aus in einer stromaufwärtigen Richtung erstrecken.
Verdichterdiffusor nach Anspruch 1, bei dem einer oder mehrere der Mehrzahl der im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze (30) mit wenigstens einer strömungsleitenden Schaufel (34) zur Erleichterung einer Luftstromumkehrung versehen ist.
Verdichterdiffusor nach Anspruch 1, bei dem das strömungsabwärtige Ende mit einer Anzahl radial nach außen verlaufender Tragstreben (32) versehen ist, wobei jeder der mehreren, im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze (30) jeweils einer der Tragstreben benachbart angeordnet ist.
Verdichterdiffusor nach Anspruch 3, bei dem eine oder mehrere Tragstreben (32) mit einer strömungsrichtenden Schaufel (42) mit im Wesentlichen axialer Ausrichtung mit einem entsprechenden Schlitz der im wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze (30) versehen sind.
Verichterdiffusor nach Anspruch 2, bei dem die wenigstens eine strömungsleitende Schaufel (34) wenigstens zwei leitende Schaufeln aufweist.
Verdichterdiffusor nach Anspruch 3, bei dem zwischen jedem Paar der mehreren Tragstreben (32) zwei der im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze (30) vorhanden sind.
Verdichterdiffusor nach Anspruch 2, bei dem jede strömungsrichtende Schaufel (34) der Luftströmung von dem Verdichter eine konkave Oberfläche derart zuwendet, dass der Luftstrom im Wesentlichen um 180 Grad umgekehrt wird.
Verichterdiffusor nach Anspruch 7, bei dem jede strömungsleitende Schaufel (34) oder (36) über und unter einem entsprechenden Schlitz der im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze vorragt.
Verdichterdiffusor nach Anspruch 6, bei dem jeder der beiden im Wesentlich axial ausgerichteten Schlitze mit einer einzigen Umlenkschaufel (34) versehen ist.
Verfahren zur Verbesserung der Luftstromumkehr in dem Verbrennungssystem einer Gasturbine, wobei die von dem Verdichter abgegebene Luft im Umkehrstrom einer Brennkammer zugeleitet wird, wobei das Verfahren beinhaltet: Ausbildung eines Verdichterdiffusors (28) mit einer Anzahl im Wesentlichen axial ausgerichteter Schlitze (30), die sich von einem strömungsabwärtigen Ende (31) des Diffusors aus in einer stromaufwärtigen Richtung erstrecken; und Zuordnen wenigstens einer Strömungsleitschaufel (34) zu einem oder mehreren der im Wesentlichen axial ausgerichteten Schlitze.