DE102010038020A1 - exhaust diffuser - Google Patents
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Abstract
Ein Abgasdiffusor enthält einen zentralen Grundkörper (202, 602), der aufweist: einen Einlass (508), der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden; eine äußere Wand (206, 504); eine innere Wand (204); und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende (212). Die innere Wand bildet von einem Eintrittsort ausgehend zu dem Ende eine fortlaufende Krümmung. Der Diffusor enthält ferner einen zweiten Abschnitt (104, 604), der mit dem Ende des zentralen Grundkörpers verbunden ist.An exhaust gas diffuser includes a central body (202, 602), comprising: an inlet (508) adapted to be connected to a gas turbine; an outer wall (206, 504); an inner wall (204); and an end (212) located downstream of the inlet. The inner wall forms a continuous curvature from an entry point to the end. The diffuser further includes a second portion (104, 604) connected to the end of the central body.
Description
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNGBACKGROUND TO THE INVENTION
Die hier beschriebene Erfindung betrifft Turbinen und speziell Diffusoren für den Einsatz in Gasturbinen und Dampfturbinen.The invention described herein relates to turbines and especially diffusers for use in gas turbines and steam turbines.
Typische Gasturbinen enthalten einen Diffusorkonus oder Diffusor, der an der Schaufel der letzten Stufe des Rotors angebracht ist. Der Diffusor dient im Wesentlichen dazu, den statischen Druck des Abgases durch eine Verringerung der kinetischen Energie des Abgases zu steigern. Allgemein kann dies durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Diffusors in Richtung des Abgasmassenstroms erreicht werden.Typical gas turbines include a diffuser cone or diffuser attached to the last stage vane of the rotor. The diffuser essentially serves to increase the static pressure of the exhaust gas by reducing the kinetic energy of the exhaust gas. In general, this can be achieved by increasing the cross-sectional area of the diffuser in the direction of the exhaust gas mass flow.
Selbstverständlich sind Diffusoren nicht uneingeschränkt effizient. Eine Quelle von Verlusten und Erzeugung von Turbulenz in Abgasdiffusoren basiert ergibt sich aus der Wechselwirkung der Strömung mit Streben und Inspektionsöffnungen. Die Streben sind strukturelle Elemente, die die Rotorlast von einem Zentrum auf ein Außengehäuse (bzw. eine äußere Wand) übertragen, wobei das Außengehäuse anschließend die Last auf ein Fundament überträgt. Aerodynamisch bilden Streben Hindernisse zwischen der inneren und äußeren Wand des Diffusors. Die innere Wand umgibt gewöhnlich einen Abschnitt der Rotorwelle und andere in Frage kommende Elemente.Of course, diffusers are not fully efficient. A source of losses and generation of turbulence in exhaust diffusers results from the interaction of flow with struts and inspection ports. The struts are structural elements that transmit the rotor load from a center to an outer housing (or outer wall), the outer housing subsequently transferring the load to a foundation. Aerodynamically, struts form obstacles between the inner and outer walls of the diffuser. The inner wall usually surrounds a portion of the rotor shaft and other elements in question.
Der Verlust, der aufgrund der Wechselwirkung der Strömung mit Streben hervorgerufen wird, wird bei hohen Machzahlen an dem Turbinenauslass möglicherweise noch gesteigert, was durch Turbinenbetriebsbedingungen großen Massendurchsatzes und durch Strömungsverteilungen gefördert werden kann, die einen großen Teil der Strömung in der Nähe des Nabenströmungspfads konzentrieren. Streben sind gewöhnlich in der Nähe des Diffusoreinlasses angeordnet, wo sich konstruktionsmäßig der Bereich des größten Diffusionsgradienten befindet. Folglich kann ein in diesem Bereich auftretender Verlust sich entscheidend auf die Leistung und das akustische Verhalten des gesamten Diffusorsystems auswirken.The loss due to the interaction of the flow with struts may be further increased at high Mach numbers at the turbine outlet, which may be promoted by large mass flow turbine operating conditions and by flow distributions that concentrate a large portion of the flow near the hub flowpath. Struts are usually located near the diffuser inlet where, by design, the region of greatest diffusion gradient is located. Consequently, any loss occurring in this area can have a significant impact on the performance and acoustic performance of the entire diffuser system.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein zentraler Grundkörper für einen Abgasdiffusor offenbart. Der zentrale Grundkörper weist eine äußere Wand und eine von der äußeren Wand beabstandete innere Wand auf, wobei die innere Wand eine fortlaufende Krümmung zwischen einem Eintrittsort und einem Ende des zentralen Grundkörpers bildet.According to one aspect of the invention, a central body for an exhaust diffuser is disclosed. The central body has an outer wall and an inner wall spaced from the outer wall, the inner wall forming a continuous curvature between an entry location and an end of the central body.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Abgasdiffusor offenbart. Der Diffusor weist einen zentralen Grundkörper mit einem Einlass auf, der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden, wobei der zentrale Grundkörper eine äußere Wand, eine innere Wand und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende aufweist, wobei die innere Wand eine fortlaufende Krümmung von einem Eintrittsort zu dem Ende bildet. Der zentrale Grundkörper weist einen zweiten Abschnitt auf, der mit dem Ende des zentralen Grundkörpers verbunden ist.According to another aspect of the invention, an exhaust diffuser is disclosed. The diffuser has a central body with an inlet adapted to be connected to a gas turbine, the central body having an outer wall, an inner wall and an end located downstream of the inlet, the inner wall having a continuous curvature from an entry point to the end. The central body has a second portion which is connected to the end of the central body.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gasturbine, die ein Turbinengehäuse aufweist, das einen Abschnitt der Gasturbine umgibt. Die Turbine enthält ferner einen Abgasdiffusor, der mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, das einen zentralen Grundkörper mit einem Einlass aufweist, der dazu eingerichtet ist, mit einer Gasturbine verbunden zu werden, wobei der zentrale Grundkörper eine äußere Wand, eine innere Wand und ein stromabwärts des Einlasses gelegenes Ende aufweist, wobei die innere Wand von einem Eintrittsort zu dem Ende eine fortlaufende Krümmung bildet.Another aspect of the present invention relates to a gas turbine having a turbine housing surrounding a portion of the gas turbine. The turbine further includes an exhaust gas diffuser connected to the turbine housing having a central body with an inlet adapted to be connected to a gas turbine, the central body including an outer wall, an inner wall, and a downstream one Inlet end, wherein the inner wall forms a continuous curvature from an entry point to the end.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.These and other advantages and features will become more apparent from the following description taken in conjunction with the drawings.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Der als die Erfindung erachtete behandelte Gegenstand, wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:The treated article contemplated as the invention is specifically pointed out and claimed separately in the claims appended hereto. The foregoing and other features and advantages of the invention will become apparent upon reading the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
Die detaillierte Beschreibung erläutert mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.The detailed description, with reference to the drawings, illustrates embodiments of the invention together with advantages and features.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Strömungspfadbereich in dem Strebenkanal durch eine Gestaltung des Innenzylinders (bzw. der inneren Wand) des Diffusors gesteuert. Diese Gestaltung des Strömungspfades wird erzielt, indem die maximale Öffnung bei dem Abschnitt minimalen Querschnitts in dem Diffusor vorliegt, der sich bei der maximalen Strebendicke befindet, wobei eine gezielte Änderung stromaufwärts und stromabwärts der Strebe eine Gestalt des Strömungspfad der inneren Wand erzeugt, und häufig durch Strömungsabriss von Wänden begrenzt ist. Das Grundkörperende ist die Funktion des Radius des zentralen Grundkörpers und des Winkels der Diffusorinnenwand. In ähnlicher Weise wird das Gehäuse gestaltet, indem der Radius des Endes der äußeren Wand festgehalten wird und eine Funktion der radialen Verwirbelung ist. Insbesondere und im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der die innere Wand einen oder mehrere ”ebene ” Abschnitte aufweist, kann die innere Wand, in einem Ausführungsbeispiel so gestaltet sein, dass die innere Wand von dem Einlass zu einem Ende eines zentralen Grundkörperabschnitts des Diffusors gekrümmt ist. Hieraus ergibt sich eine geringere Behinderung durch die Strebe und somit eine Verringerung des Verlusts durch die Strebe. In noch einem Ausführungsbeispiel kann die äußere Wand stromaufwärts der Streben gestaltet sein, mit der Folge, dass die Machzahl quer über die Streben verringert wird, ohne die Außenwanddurchmesser zu erweitern, die möglicherweise aufgrund von Versandbeschränkungen einer Turbine begrenzt sind.In one embodiment of the present invention, a flow path area in the strut channel is controlled by a design of the inner cylinder (or inner wall) of the diffuser. This flowpath design is achieved by having the maximum opening at the minimum cross-section portion in the diffuser that is at the maximum strut thickness, with a targeted change creating a shape of the inner wall flowpath upstream and downstream of the strut, and often through Stall is limited by walls. The base end is the function of the radius of the central body and the angle of the diffuser inner wall. Similarly, the housing is shaped by retaining the radius of the end of the outer wall and being a function of the radial swirl. In particular, and in contrast to the prior art, where the inner wall has one or more "planar" sections, in one embodiment, the inner wall may be configured such that the inner wall from the inlet to one end of a central body portion of the diffuser is curved. This results in less obstruction by the strut and thus a reduction in loss by the strut. In yet another embodiment, the outer wall may be configured upstream of the struts, with the result that the mach number across the struts is reduced without expanding the outer wall diameters, which may be limited due to shipping limitations of a turbine.
Der zentrale Körperabschnitt
Der zentrale Körperabschnitt
Der Diffusor
Darüber hinaus beeinflusst das Auftreten großer Turbulenzen das akustische Verhalten der Schalldämpferkonstruktion des Abgasdiffusors nachteilig und kann Schwingungen an einem ersten Bündel von Rohren eines mit dem Diffusor verbundenen HRSG anregen oder eine zusätzliche Ursache dafür sein, was zu einem Ausfall des HRSG führen kann.Moreover, the occurrence of large turbulence adversely affects the acoustic performance of the muffler structure of the exhaust diffuser and may excite or be an additional cause of vibrations on a first bundle of pipes of an HRSG connected to the diffuser, which may result in failure of the HRSG.
Der zentrale Grundkörper
Gemäß einem Ausführungsbeispiel verläuft die innere Wand
Die erste Ebene
Außerdem zeigten experimentell gewonnene Daten, dass der Erholungsfaktor (RF, Recover Factor) des in
Der zweite Abschnitt
Vorteilhafterweise wird die kinetische Turbulenzenergie, wie in
Es versteht sich, dass die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur Vereinfachung der Erläuterung getrennt gezeigt sind. Weiter ist selbstverständlich, dass jedes hierin beschriebene Ausführungsbeispiel mit jedem der übrigen hier dargelegten Ausführungsbeispiele kombiniert werden kann. Beispielsweise kann die gekrümmte innere Wand nach
Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.While the invention has been described in detail only by means of a limited number of embodiments, it should be readily understood that the invention is not limited to such described embodiments. Rather, the invention may be modified to embody any number of variations, modifications, substitutions, or equivalent arrangements not heretofore described, which, however, are within the scope of the invention. While various embodiments of the invention have been described, it is further understood that aspects of the invention may include only some of the described embodiments. Accordingly, the invention should not be construed as being limited by the foregoing description, but is limited only by the scope of the appended claims.
Ein Abgasdiffusor enthält einen zentralen Grundkörper
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100, 200, 502, 600100, 200, 502, 600
- Diffusor nach dem Stand der TechnikDiffuser according to the prior art
- 102, 202, 602102, 202, 602
- Zentraler KörperabschnittCentral body section
- 104, 604104, 604
- Zweiter Abschnittsecond part
- 106106
- Rotorkammerrotor chamber
- 108, 204, 512, 612108, 204, 512, 612
- Innere WandInner wall
- 110110
- Erste EbeneFirst floor
- 112112
- Zweite Ebenesecond level
- 114114
- Nabehub
- 118, 212118, 212
- GrundkörperendeBody end
- 120120
- Strebenpursuit
- 122, 206, 504122, 206, 504
- Äußere WandOuter wall
- 124, 211, 508124, 211, 508
- Diffusoreinlassdiffuser inlet
- 126126
- Diffusorauslassdiffuser outlet
- 208208
- Innere KammerInner chamber
- 210210
- Eintrittsortof entry
- 302302
- Ventilbereich mit geringem k-WertValve range with low k-value
- 402, 404402, 404
- Krümmungcurvature
- 506, 606506, 606
- Gekrümmter Abschnitt der äußeren WandCurved section of the outer wall
- 510510
- Mittelliniecenter line
- 605605
- SeitenwandSide wall
- 608, 610608, 610
- Gepunktete LinienDotted lines
- 702, 704, 706702, 704, 706
- Bereiche gesteigerter TurbulenzAreas of increased turbulence
Claims (10)
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