DE112014002109T5

DE112014002109T5 - Abgasdiffusor für ein Gasturbinenmotor-Abgassystem

Info

Publication number: DE112014002109T5
Application number: DE112014002109.1T
Authority: DE
Inventors: Ulrich E. Stang; Hans D. Hamm
Original assignee: Solar Turbines Inc
Current assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2016-01-14
Also published as: CN105229278A; WO2014190095A1; US20140348647A1; RU2015152287A

Abstract

Ein Abgasdiffusor für einen Gasturbinenmotor umfasst einen Diffusoreinlass, einen Diffusorauslass, eine innere Diffusorwand und eine äußere Diffusorwand. Die innere Diffusorwand kann ein erstes röhrenförmiges Element mit einem ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt umfassen. Die äußere Diffusorwand kann ein zweites röhrenförmiges Element zumindest zum Teil um die innere Diffusorwand herum und mit einem zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt umfassen. Die äußere Diffusorwand und die innere Diffusorwand erstrecken sich zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass und bilden einen Diffusionsströmungspfad dazwischen. Der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt kann einen unteren Bereich und einen oberen Bereich umfassen, wobei sich der obere Bereich relativ zu der Diffusorachse weiter stromabwärts in eine axiale Richtung erstreckt als der untere Bereich.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Gasturbinenmotoren und insbesondere ein Abgassystem für eine Gasturbine, das einen Abgasdiffusor umfasst.
Hintergrund
Ein Gasturbinenmotor erzeugt Abgas mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit. Der Abgasdiffusor wird durch eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts definiert, was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit des Abgasstroms führt, was dann zu einer Erhöhung des statischen Druck entlang seines Strömungspfads führt. Durch diese Druckwiedergewinnung in dem Diffusor wird das Einlass-/Auslass-Druckverhältnis der Turbine erhöht, was zu einer Erhöhung des Ausgangsleistung und thermischen Effizienz führt. Zusätzlich dient das Abgassystem dazu, die Abgase von stromabwärtigen Anlagenteilen abzulenken oder zu ortsspezifischen Schnittstellen zu leiten.
Das US-Patent Nr. 5.257.906 , erteilt an Gray et al. am 5. November 1993, zeigt ein Abgassystem für eine Dampfturbine. Insbesondere betrifft die Offenbarung von Gray et al. ein Abgassystem mit einem Diffusor, der den Strom von Arbeitsfluid von einem Turbinenauslass in ein Auslassgehäuse mit einer Bodenöffnung leitet und dadurch die Strömung um 90 Grad von der axialen in die radiale Richtung dreht. In dem Auslassgehäuse dreht sich der Strom, der an der Oberseite des Diffusors austritt, um 180 Grad von der vertikalen Aufwärtsrichtung in die Abwärtsrichtung. Die Stärke des in dem Auslassgehäuse als Ergebnis dieser Umkehr erzeugten Wirbels wird minimiert, indem der Auslass eines äußeren Abgasstromführungsabschnitts des Diffusors so orientiert wird, dass er in einer Ebene liegt, die einen Winkel mit einer Ebene senkrecht zu der Turbinenachse einschließt. Als Ergebnis liegt die minimale axiale Länge der äußeren Stromführung an einer Position, die von dem Auslass des Auslassgehäuses entfernt ist, und die maximale axiale Länge liegt an einer Position proximal der Öffnung, wodurch der Wirbel gegen eine sich radial erstreckende Ablenkvorrichtung in dem Auslassgehäuse gedrängt wird.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, bekannte Probleme oder von den Erfindern gefundene Probleme zu lösen.
Zusammenfassung
Ein Abgasdiffusor für einen Gasturbinenmotor umfasst einen Diffusoreinlass, einen Diffusorauslass, eine innere Diffusorwand und eine äußere Diffusorwand. Die innere Diffusorwand kann ein erstes röhrenförmiges Element mit einem ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt umfassen. Die äußere Diffusorwand kann ein zweites röhrenförmiges Element zumindest zum Teil um die innere Diffusorwand herum und mit einem zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt umfassen. Die äußere Diffusorwand und die innere Diffusorwand erstrecken sich zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass und bilden einen Diffusionsströmungspfad dazwischen. Der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt kann einen unteren Bereich und einen oberen Bereich umfassen, wobei sich der obere Bereich relativ zu der Diffusorachse weiter stromabwärts in eine axiale Richtung erstreckt als der untere Bereich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Gasturbinenmotors.
2 ist eine isometrische Darstellung eines Abgassystems des Gasturbinenmotors von 1.
3 ist eine abgeschnittene Seitenansicht des Abgassystems von 2.
Detaillierte Beschreibung
Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren umfassen ein Abgassystem für eine Gasturbine mit einem Axial-/Radial-Abgasdiffusor und einem radialen Abgassammler stromabwärts des Diffusors. Ausführungsformen umfassen einen Axial-/Radial-Abgasdiffusor, wobei der Diffusorauslass verkürzt ist.
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Gasturbinenmotors. Manche der Oberflächen wurden weggelassen oder hervorgehoben (hier und in anderen Figuren), um die Darstellung zu verdeutlichen und die Erläuterung zu vereinfachen. Auch kann die Offenbarung allgemein auf eine Mittelachse 95 der Drehung des Gasturbinenmotors verweisen, die allgemein durch die Längsachse von dessen Welle 120 definiert werden kann (gelagert durch eine Vielzahl von Lageranordnungen 150). Die Zentralachse 95 kann mit verschiedenen anderen konzentrischen Motorkomponenten geteilt werden oder diesen gemeinsam sein. Alle Verweise auf radiale, axiale und umlaufende Richtungen sowie Maße beziehen sich auf die Mittelachse 95, sofern nichts anderes angegeben wird, und Begriffe wie “innere/r” und “äußere/r” zeigen allgemein einen kleineren oder größeren radialen Abstand an, wobei radial 96 in einer beliebigen Richtung senkrecht zur und von der Mittelachse 95 radial nach außen strebend bedeuten kann.
Darüber hinaus kann sich die Offenbarung auch auf eine “Vorwärts”- und eine “Rückwärts”-Richtung beziehen. Alle Verweise auf “vorwärts” und “rückwärts” beziehen sich dabei auf die Strömungsrichtung der Primärluft, (d. h., der in dem Verbrennungsprozess verwendeten Luft), sofern nichts anderes angegeben wird. Zum Beispiel bedeutet vorwärts “stromaufwärts” relativ zu dem Primärluftstrom (d. h., zu dem Punkt, an dem Luft in das System eintritt), und rückwärts “stromabwärts” relativ zu dem Primärluftstrom (d.h., zu dem Punkt, an dem Luft aus dem System austritt).
Allgemein umfasst ein Gasturbinenmotor 100 umfasst einen Einlass 110, einen Kompressor 200, eine Brennkammer 300, eine Turbine 400, ein Abgassystem 500 sowie eine Leistungsausgabekupplung 600. Der Kompressor 200 umfasst eine oder mehrere Kompressorrotoranordnungen 220. Die Brennkammer 300 umfasst eine oder mehrere Einspritzdüsen 350 und umfasst eine oder mehrere Verbrennungskammern 390. Die Turbine 400 umfasst eine oder mehrere Turbinenrotoranordnungen 420. Das Abgassystem 500 umfasst einen Abgasdiffusor 520 und einen Abgassammler 550.
Im Betrieb tritt Luft 10 in den Einlass 110 als ein “Arbeitsfluid” ein und wird durch den Kompressor 200 verdichtet. Im Kompressor 200 wird das Arbeitsfluid in einem ringförmigen Strömungsweg durch eine Reihe von Kompressorrotoranordnungen 220 verdichtet. Sobald sie verdichtet ist, verlässt die verdichtete Luft 10 den Kompressor 200 und tritt in die Brennkammer 300 ein, wo sie diffundiert wird und Brennstoff hinzugefügt wird. Brennstoff und Druckluft werden in die Verbrennungskammer 390 über die Einspritzdüsen 350 eingespritzt und gezündet. Nach der Verbrennungsreaktion wird dem verbrannten Kraftstoff-/Luft-Gemisch über die Turbine 400 durch eine Reihe der Turbinenrotoranordnungen 420 Energie entzogen. Das Abgas 90 wird dann in dem Abgasdiffusor 520 diffundiert. Der Abgassammler 550 sammelt das Abgas 90 von dem System, leitet es um und setzt es frei. Das Abgas 90 kann auch weiter verarbeitet werden (z. B., um schädliche Emissionen zu verringern oder Wärme aus dem Abgas 90 zurückzugewinnen).
Eine oder mehrere der oben angeführten Komponenten (oder deren Subkomponenten) können aus rostfreiem Stahl oder dauerhaften hochtemperaturbeständigen Materialien hergestellt sein, die als “Superlegierungen” bekannt sind. Eine Superlegierung oder Hochleistungslegierung ist eine Legierung, die exzellente mechanische Festigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, gute Oberflächenstabilität und Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aufweist. Superlegierungen können Materialien wie etwa HASTELLOY, INCONEL, WASPALOY, RENE-Legierungen, HAYNES-Legierungen, INCOLOY, MP98T, TMS-Legierungen, und CMSX-Einkristalllegierungen, Alloy X, Alloy 188/230 und dergleichen umfassen.
2 ist eine isometrische Darstellung eines Abgassystems des Gasturbinenmotors von 1. Insbesondere zeigt diese Ansicht allgemein nach vorne und in die stromaufwärtige Richtung, jedoch isoliert von dem Rest des Gasturbinenmotors 100. Zur Verdeutlichung und Veranschaulichung wurden bestimmte Merkmale/Komponenten hinzugefügt, entfernt oder modifiziert. Zum Beispiel ist in dieser Ansicht eine hintere Wand 554 des Abgassammlers 550 nur zum Teil dargestellt.
3 ist eine abgeschnittene Seitenansicht des Abgassystems von 2. Insbesondere fällt die Seitenansicht mit einer Strömungssymmetrieebene zusammen. Die Symmetrieebene wird durch die Mittelachse 95 und eine Abgaberichtung 559 definiert. Zur Verdeutlichung und Veranschaulichung wurden bestimmte Merkmale/Komponenten hinzugefügt, entfernt oder modifiziert. Zum Beispiel sind in dieser Ansicht Komponenten innerhalb der inneren Diffusorwand 523 (z. B., Welle 120 und Lager 150) nur schematisch veranschaulicht, wobei weitere Komponenten weggelassen wurden.
Wie in 2 und 3 veranschaulicht, ist der Abgasdiffusor 520 ein Axial-/Radial-Diffusor, der dazu ausgebildet ist, sich pneumatisch mit der Turbine 400 (1) und dem Abgassammler 550 zu koppeln und einen Strömungspfad zwischen diesen zu bilden. Im Allgemeinen kann man sich den Abgasdiffusor 520 als zwei konzentrische Strukturen (z. B. Rohre) mit einer Diffusorachse 535 vorstellen, die miteinander über eine Vielzahl von Verstrebungen 525 zusammengefügt sind, die in Umfangsrichtung um die Diffusorachse 535 herum angeordnet sind. Die Diffusorachse 535 kann mit der Mittelachse 95 zusammenfallen, wenn der Abgasdiffusor 520 auf dem Gasturbinenmotor 100 installiert ist. Dementsprechend kann im installierten Zustand der Strömungspfad ein ringförmiger Abgasströmungspfad zwischen der Turbine 400 und dem Abgassammler 550 sein, der nur durch die Verstrebungen 525 selbst unterbrochen wird. Aus praktischen Gründen soll im Folgenden hier die Mittelachse 95 die Diffusorachse 535 mit einschließen.
Der Abgasdiffusor 520 umfasst einen Diffusoreinlass 521, einen Diffusorauslass 522, eine innere Diffusorwand 523 und eine äußere Diffusorwand 524. Der Abgasdiffusor 520 ist dazu ausgebildet, Abgas 90 in einer im Wesentlichen axialen Richtung von der Turbine 400 über den Diffusoreinlass 521 zu empfangen. Der Abgasdiffusor 520 ist des Weiteren dazu ausgebildet, das Abgas 90 in einer im Wesentlichen radialen Richtung des Abgassammlers 550 über den Diffusorauslass 522 abzugeben.
Die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 sind im Wesentlichen röhrenförmige Elemente, die die Mittelachse 95 umschreiben. Die innere Diffusorwand 523 umfasst einen ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 541 proximal des Diffusorauslasses 522, der sich radial nach außen erstreckt. In ähnlicher Weise umfasst die äußere Diffusorwand 524 einen zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543 proximal des Diffusorauslasses 522, der sich radial nach außen erstreckt.
An einem stromaufwärtigen Ende ist die innere Diffusorwand 523 radial innerhalb der äußeren Diffusorwand 524 positioniert. An einem stromabwärtigen Ende erstreckt sich die innere Diffusorwand 523 axial über die äußere Diffusorwand 524 hinaus. Die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 können durch die Vielzahl von Verstrebungen 525, die sich dazwischen erstrecken, zusammengefügt sein. Gemäß einer Ausführungsform können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 zumindest zum Teil konzentrisch sein.
Zusammen bilden die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 den Diffusoreinlass 521 und den Diffusorauslass 522. Insbesondere kann der Diffusoreinlass 521 eine ringförmige Öffnung sein, die durch oberstromige Enden der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 gebildet wird. In ähnlicher Weise kann der Diffusorauslass 522 eine umlaufende Bandöffnung sein, die durch axiale Verschiebung des ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 541 und des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 gebildet wird. In einer Ausführungsform können der Diffusoreinlass 521 und der Diffusorauslass 522 durch Elemente unterbrochen oder durchquert werden, die sich zwischen der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 erstrecken (z. B. Verstrebungen, Flügel etc.).
Zusammen können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 auch den Strömungspfad zwischen der Turbine 400 und dem Abgassammler 550 bilden. Insbesondere können eine äußere Oberfläche der inneren Diffusorwand 523 und eine innere Oberfläche der äußeren Diffusorwand 524 einen ringförmigen Strömungspfad zwischen der Turbine 400 und dem Abgassammler 550 bilden. Während sich der Strömungspfad stromabwärts fortsetzt, geht er von einer vorwiegend ringförmigen Gestalt auf eine vorwiegend umlaufende Bandgestalt über, die radial nach außen gerichtet ist. Gemäß einer Ausführungsform kann der Strömungspfad durch Elemente unterbrochen oder durchquert werden, die sich zwischen der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 erstrecken (z. B. Verstrebungen, Flügel etc.).
Zusätzlich können eine innere Oberfläche der inneren Diffusorwand 523 und eine äußere Oberfläche der äußeren Diffusorwand 524 sich in der Gestalt von ihren gegenüberliegenden Seiten (oben erläutert) unterscheiden. Zum Beispiel können sowohl die innere Oberfläche der inneren Diffusorwand 523 als auch die äußere Oberfläche der äußeren Diffusorwand 524 eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt oder eine abgestufte zylindrische Gestalt aufweisen (jede Abstufung mit einem unterschiedlichen Durchmesser). Alternativ können Abschnitte sowohl der inneren Oberfläche der inneren Diffusorwand 523 als auch der äußeren Oberfläche der äußeren Diffusorwand 524 zylindrisch oder abgestuft sein, und andere Abschnitte können ähnlich zu ihren jeweils gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sein. Es sei angemerkt, dass die Erläuterung der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 im Folgenden sich auf die Strömungspfadoberflächen (d. h., die äußere Oberfläche der inneren Diffusorwand 523 und die innere Oberfläche der äußeren Diffusorwand 524) bezieht, sofern nichts Anderes speziell beschrieben wird.
Wie veranschaulicht ist der Abgassammler 550 ein radialer Abgassammler, der dazu ausgebildet ist, sich pneumatisch mit dem Abgasdiffusor 520 zu koppeln, das Abgas 90 zu “sammeln” und es radial weg in eine einzelne, praktisch geeignete Abgaberichtung 559 von dem Gasturbinenmotor 100 weg (1) zu leiten. In einer Ausführungsform ist der Abgassammler 550 eine Einhausung, die sich um den Abgasdiffusor 520 hüllt und eine einzelne Öffnung zur Abgabe des Abgases 90 in einer im Wesentlichen radialen Richtung aufweist. Hier ist der Abgassammler 550 dazu ausgebildet, das Abgas 90 radial aufzunehmen und es radial nach oben umzuleiten, oder entlang einer Abgaberichtung 559 von ungefähr 0 Grad oder +/–5 Grad von dem oberen Totpunkt (OT), ohne eine axiale Komponente.
Der Abgassammler 550 umfasst einen Abgassammlerausgang 551, eine vordere Wand 552, eine umlaufende Wand 553 und die hintere Wand 554. Der Abgassammler 550 ist dazu ausgebildet, Abgas 90 von dem Abgasdiffusor 520 in einer im Wesentlichen radialen Richtung über den Diffusorauslass 522 zu empfangen. Der Abgassammler 550 ist des Weiteren dazu ausgebildet, das Abgas 90 in der Abgaberichtung 559 von dem Gasturbinenmotor 100 weg über den Abgassammlerauslass 551 abzugeben.
Zusammen umschließen die vordere Wand 552, die umlaufende Wand 553, und die hintere Wand 554 den Diffusorauslass 522, so dass abgegebenes Abgas zu dem Abgassammlerauslass 551 geleitet wird. Insbesondere kann die umlaufende Wand 553 einen Großteil des Diffusorauslasses 522 um die Mittelachse 95 herum umgeben, und kann ausreichend versetzt sein, um die Strömung von dem Diffusorauslass 522 aufzunehmen. Darüber hinaus kann die umlaufende Wand 553 an einer vorderen Seite durch die vordere Wand 552 begrenzt sein, und an einer hinteren Seite durch die hintere Wand 554.
Darüber hinaus können sich die vordere Wand 552 und die hintere Wand 554 von der umlaufenden Wand 553 jeweils radial nach innen erstrecken und jeweils mit der äußeren Diffusorwand 524 und der inneren Diffusorwand 523 und/oder einem anderen intervenierenden Element zusammenpassen. Gemäß einer Ausführungsform kann die vordere Wand 552 eine vertikale Wand sein, die mit der äußeren Diffusorwand 524 an der Vorderseite des Diffusorauslasses 522 gekoppelt ist, und die hintere Wand 554 kann eine vertikale Wand sein, die mit der inneren Diffusorwand 523 an der Rückseite des Diffusorauslasses 522 gekoppelt ist.
Die vordere Wand 552, die umlaufende Wand 553 und die hintere Wand 554 bilden zusammen den Abgassammlerauslass 551. Insbesondere kann der Abgassammlerauslass 551 eine Öffnung sein, die durch oberstromige Enden der vorderen Wand 552, der umlaufenden Wand 553 und der hinteren Wand 554 gebildet wird. Zum Beispiel können die oberstromigen Enden der vorderen Wand 552, der umlaufenden Wand 553 und der hinteren Wand 554 zusammengefügt sein, wodurch ein einzelner Pfad für den Austritt aus der Einhausung gebildet wird. Der Abgassammlerauslass 551 kann eine beliebige passende Gestalt und Orientierung zu der Abgaberichtung 559 aufweisen. Zum Beispiel kann der Abgassammlerauslass 551 wie veranschaulicht eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt aufweisen, die normal zu der Abgaberichtung 559 steht.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abgassammlerauslass 551 ein oder mehrere Übergangselemente umfassen, die dazu ausgebildet sind, eine Schnittstelle des Abgassammlers 550 mit zusätzlichen Abgaskanälen herzustellen. Insbesondere können das eine oder die mehreren Übergangselemente sowohl mit dem Abgassammler 550 (mit einer ersten Gestalt und/oder einem ersten effektiven Strömungsquerschnitt) als auch mit zusätzlichen Abgaskanälen (mit einer zweiten, andersartigen Gestalt und/oder einem solchen effektiven Strömungsquerschnitt) zusammenpassen, wobei ein Übergang zwischen den beiden gebildet wird. Zum Beispiel kann der Abgassammlerauslass 551 eine Haube umfassen, die dazu ausgebildet ist, sich mit dem Abgassammlerauslass 551 in einer im Wesentlichen rechteckigen Gestalt und mit einem ersten effektiven Strömungsquerschnitt zu koppeln, und in einen runden Auslasskanal mit einem zweiten effektiven Strömungsquerschnitt überzugehen. Als weiteres Beispiel können das eine oder die mehreren Übergangselemente die Schnittstelle mit dem Abgassammlerauslass 551 und/oder den zusätzlichen Auslasskanälen in schrägen Winkeln, unregelmäßigen oder unsymmetrischen Formen oder anderen praktischen Ausgestaltungen ausbilden.
Obwohl der Abgassammler 550 hier dazu ausgebildet ist, das Abgas 90 nach oben abzugeben, kann der Abgassammler 550 dazu ausgebildet sein, das Abgas 90 entlang anderer Abgaberichtungen 559 abzugeben. Zum Beispiel kann der Abgassammler 550 dazu ausgebildet sein, das Abgas 90 radial seitlich oder entlang einer Abgaberichtung 559 von ungefähr +/–90 Grad von OT ohne eine axiale Komponente abzugeben. Als weiteres Beispiel kann der Abgassammler 550 dazu ausgebildet sein, das Abgas 90 entlang einer beliebigen Abgaberichtung 559 zwischen +90 Grad und –90 Grad von OT ohne eine axiale Komponente abzugeben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Abgassammler 550 dazu ausgebildet sein, das Abgas 90 entlang einer beliebigen Abgaberichtung 559 zwischen +135 Grad und –135 Grad von OT ohne eine axiale Komponente hinein abzugeben. Alternativ kann der Abgassammler 550 dazu ausgebildet sein, das Abgas 90 entlang einer beliebigen der genannten Abgaberichtungen 559 oder Bereiche von Abgaberichtungen 559, aber mit einer axialen Komponente von bis zu 45 Grad rückwärts abzugeben.
Der Abgasdiffusor 520 kann an der Turbine 400 montiert und dazu ausgebildet sein, axial Abgas 90 aufzunehmen, das die Turbine 400 in einer vorwiegend axialen Strömung 531 verlässt. Wie veranschaulicht kann die vorwiegend axiale Strömung 531 einen Geschwindigkeitsvektor zwischen +/–15 Grad relativ zu der Mittelachse 95, jedoch nicht mehr als +/–45 Grad relativ zu der Mittelachse 95 aufweisen. Der Abgasdiffusor 520 kann des Weiteren dazu ausgebildet sein, das Abgas 90 zu diffundieren, seiner Strömung eine radiale Komponente zu verleihen und das Abgas 90 radial als eine vorwiegend radiale Strömung 532 um die Mittelachse 95 herum und in den Abgassammler 550 abzugeben. Wie veranschaulicht kann die vorwiegend radiale Strömung 532 einen Geschwindigkeitsvektor zwischen 75 Grad und 105 Grad relativ zu der Mittelachse 95, aber nicht kleiner als 45 Grad und nicht größer als 135 Grad relativ zu der Mittelachse 95 aufweisen.
Der Abgassammler 550 kann an dem Abgasdiffusor 520 und/oder an einem beliebigen Trägeraufbau montiert sein. Der Abgassammler 550 kann dazu ausgebildet sein, um Abgas 90 zu empfangen, das von dem Diffusorauslass 522 ausgestoßen wird, und es um den Abgassammlerauslass 551 herum und zu diesem hin zu leiten, und das Abgas 90 in der Abgaberichtung 559 auszustoßen.
Der Abgasdiffusor 520 kann einen linearen Diffusionsbereich 526 gefolgt von einem Umlenkbereich 527 umfassen. Der lineare Diffusionsbereich 526 kann als ringförmiger konischer Stumpf oder dergleichen geformt sein, der dazu ausgebildet sein kann, den effektiven Strömungsquerschnitt zwischen der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 von dem Diffusoreinlass 521 zu dem Umlenkbereich 527 zu vergrößern. Insbesondere kann der effektive Strömungsquerschnitt relativ zu den Betriebsbedingungen des Abgases 90 zunehmen, um die Gewinnung zu verbessern und die Trennung zu verhindern. Zum Beispiel kann der effektive Strömungsquerschnitt entlang des Strömungspfades vergrößert werden, indem der Abstand zwischen dem Diffusoreinlass 521 und dem Diffusorauslass 522 relativ zu dem Strömungspfad vergrößert wird. Zum Beispiel kann auch der effektive Strömungsquerschnitt entlang des Strömungspfads vergrößert sein, indem der mittlere Umfang des Strömungspfads vergrößert wird.
In einer Ausführungsform kann der lineare Diffusionsbereich 526 einen schrägen Strömungspfad umfassen. Insbesondere kann die innere Diffusorwand 523 einen konischen Stumpf um die Mittelachse 95 herum umfassen. Zum Beispiel kann die innere Diffusorwand 523 zwischen 0 Grad bis 15 Grad von der Mittelachse 95 weg in der stromabwärtigen Richtung gewinkelt sein. Zum Beispiel kann die innere Diffusorwand 523 zwischen 3 Grad bis 10 Grad von der Mittelachse 95 weg in der stromabwärtigen Richtung gewinkelt sein. Ebenfalls als Beispiel kann die innere Diffusorwand 523 ungefähr 5 Grad von der Mittelachse 95 weg in der stromabwärtigen Richtung gewinkelt sein.
Der Umlenkbereich 527 ist ein gekrümmter Bereich, der an dem linearen Diffusionsbereich 526 beginnt und stromabwärts an dem Diffusorauslass 522 endet. Der Umlenkbereich 527 ist dazu ausgebildet, dem Geschwindigkeitsvektor des Abgases 90 eine radiale Komponente hinzuzufügen und das Abgas 90 von dem vorwiegend axialen Strom 531 in den vorwiegend radialen Strom 532 umzuleiten.
Der lineare Diffusionsbereich 526 und der Umlenkbereich 527 können abtrennbare axiale Abschnitte der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 umfassen. Insbesondere können Abschnitte der inneren Diffusorwand 523 oder Abschnitte der äußeren Diffusorwand 524 zusammengefügt sein, um den linearen Diffusionsbereich 526 zu bilden. In ähnlicher Weise können Abschnitte der inneren Diffusorwand 523 oder Abschnitte der äußeren Diffusorwand 524 zusammengefügt sein, um den Umlenkbereich 527 zu bilden.
Darüber hinaus können alle axialen Bereiche, die den linearen Diffusionsbereich 526 und den Umlenkbereich 527 bilden, glatt zusammengefügt sein, so dass der lineare Diffusionsbereich 526 mit einer Tangente des Umlenkbereichs 527 an deren Schnittstelle zusammenfällt. Zum Beispiel kann die innere Diffusorwand 523 eine erste Umdrehungsoberfläche um die Diffusorachse 535 herum umfassen, wobei die erste Umdrehungsoberfläche einen ersten konischen Bereich und einen ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 541 umfasst. In ähnlicher Weise kann die äußere Diffusorwand 524 eine zweite Umdrehungsoberfläche um die Diffusorachse 535 herum umfassen, wobei die zweite Umdrehungsoberfläche einen glatt zusammengefügten zweiten konischen Bereich und einen zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543 umfasst (den zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543, wie er hierin weiter beschrieben wird).
Darüber hinaus können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 jeweils aus einer oder aus mehreren Komponenten oder einer beliebigen Kombination davon hergestellt sein. Insbesondere können die innere Diffusorwand 523 und/oder die äußere Diffusorwand 524 aus einer Vielzahl von zusammengebauten Abschnitten hergestellt sein. Darüber hinaus kann jede Komponente oder Anordnung unterschiedlich und gemäß der Form oder Austauschbarkeit hergestellt sein.
Zum Beispiel kann die innere Diffusorwand 523 und/oder die äußere Diffusorwand 524 aus einer Vielzahl von zusammengebauten Abschnitten hergestellt sein. Als weiteres Beispiel können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 einschließlich der Verstrebungen 525 als eine Einlasseinheit 528 hergestellt sein (z. B. ein einzelner gegossener Teil), wobei der Rest der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 eine gestapelte Anordnung ringförmiger Wandabschnitte ist. Als weiteres Beispiel und wie veranschaulicht kann der lineare Diffusionsbereich 526 als die Einlasseinheit 528 und eine gestapelte Anordnung ringförmiger Wandabschnitte aufgebaut sein, und der Umlenkbereich 527 kann aus dem ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 541 und dem zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543 hergestellt sein.
In einer Ausführungsform kann der Abgasdiffusor 520 versetzt sein. Insbesondere kann der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 einen unteren Bereich 536 und einen oberen Bereich 537 umfassen, wobei der obere Bereich 537 sich in einer axialen Richtung relativ zu der Diffusorachse 535 weiter stromabwärts erstreckt als der untere Bereich 537. Dementsprechend und im Gegensatz zu einem stromabwärtigen Rohrende, das normal zu der Diffusorachse 535 ist, können hier der untere Bereich 536 und ein oberer Bereich 537 in einem versetzten Ende 540 enden. Es sei angemerkt, dass die Begriffe “oberer Bereich” und “unterer Bereich” rein aus praktischen Gründen verwendet werden, um die gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 wie veranschaulicht in einer vertikalen (0 Grad) Auslasskonfiguration zu beschreiben; doch werden auch andere gegenüberliegende Abschnitte in Betracht gezogen, insbesondere in Abgassystemen mit anderen Abgaberichtungen als 0 Grad. Zum Beispiel könnten in einer Anwendung mit einer Abgaberichtung von 90 Grad die Begriffe “oberer Bereich” und “unterer Bereich” jeweils durch “rechter Bereich” und “linker Bereich” ersetzt werden.
Wie veranschaulicht kann das versetzte Ende 540 im Wesentlichen eine Verkürzungsebene 549 bilden. Die Verkürzungsebene 549 kann einen Beschnittwinkel 546 mit einer Normalebene 548 bilden, wobei die Normalebene 548 eine Ebene normal zu der Diffusorachse 535 ist. Der Beschnittwinkel 546 kann ungefähr 2 Grad von der Normalebene 548 sein. Alternativ kann der Beschnittwinkel 546 zwischen 1 Grad und 5 Grad von der Normalebene 548 betragen.
In ähnlicher Weise kann der Abgasdiffusor 520 eine versetzte äußere Diffusorwand 524 umfassen. Insbesondere kann die äußere Diffusorwand 524 einen gleichförmigen Bereich 538 und eine versetzte Erweiterung 539 umfassen, die zusammen den unteren Bereich 536 und den oberen Bereich 537, die oben beschrieben wurden, umgeben können. Zum Beispiel kann sich der gleichförmige Bereich 538 stromabwärts von dem Diffusoreinlass 521 erstrecken und eine Umdrehungsoberfläche umfassen. Die Umdrehungsoberfläche kann durch eine zweidimensionale Kurve definiert sein, die um die Diffusorachse 535 herum gedreht ist, wobei die zweidimensionale Kurve ein lineares Segment 526 und ein gekrümmtes Segment umfasst. Darüber hinaus kann die versetzte Erweiterung 539 sich stromabwärts von dem gleichförmigen Bereich 538 zu dem Diffusorauslass 522 erstrecken, und eine gestutzte Umdrehungsoberfläche umfassen, die in dem oben beschriebenen versetzten Ende 540 endet.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abgasdiffusor 520 eine “beschnittene” äußere Diffusorwand 524 umfassen, zum Beispiel in dem zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543, der mit dem Abgassammlerauslass 551 koordiniert ist. Insbesondere kann die äußere Diffusorwand 524 eine komplexe Gestalt aufweisen, die praktisch als eine “unbeschnittene” Grundgestalt mit einem fehlenden oder “beschnittenen” stromabwärtigen Abschnitt beschrieben werden kann, wobei der fehlende Abschnitt vorwiegend an der gegenüberliegenden Seite des, oder im Wesentlichen radial gegenüber von dem Abgassammlerauslass 551 liegt.
Darüber hinaus kann die “unbeschnittene” Grundgestalt eine Umdrehungsoberfläche um die Mittelachse 95 herum sein, und der “Beschnitt” kann einen schrägen Schnittwinkel relativ zu der Mittelachse 95 umfassen, so dass er einen maximalen Beschnitt 545 der Abgaberichtung 559 entgegengesetzt umfasst. Zusätzlich kann die Umdrehungsoberfläche um die Mittelachse 95 herum sowohl den linearen Diffusionsbereich 526 als auch den Umlenkbereich 527 umfassen, die oben beschrieben wurden.
Zum Beispiel kann die Umdrehungsoberfläche durch eine zweidimensionale Kurve, die um die Mittelachse 95 herum gedreht ist, definiert sein, wobei die zweidimensionale Kurve ein lineares Segment und ein gekrümmtes Segment umfasst, wobei das lineare Segment mit einer Tangente des gekrümmten Segments ausgerichtet ist. Das lineare Segment und das gekrümmte Segment können so geformt, orientiert und positioniert sein, dass sie eine Umdrehungsoberfläche sowohl des linearen Diffusionsbereichs 526 als auch des Umlenkbereichs 527 bilden, die oben für die äußere Diffusorwand 524 beschrieben wurden.
Der maximale Beschnitt 545 ist jener Punkt oder Abschnitt der äußeren Diffusorwand 524 entsprechend dem größten fehlenden Abschnitt, der Verkürzung, oder dem “Beschnitt” von der “unbeschnittenen” Grundgestalt. Insbesondere kann die äußere Diffusorwand 524 einen einzelnen Punkt (oder mehrere Punkte, wenn der Schnitt nicht eben ist) an ihrem stromabwärtigen Ende aufweisen, der weiter von dem stromabwärtigen Ende der “unbeschnittenen” Grundgestalt entfernt ist als alle anderen stromabwärtigen Endpunkte an der äußeren Diffusorwand 524.
Der maximale Beschnitt 545 kann entlang einer Kurve gemessen werden. Zum Beispiel kann für jeden Punkt an der äußeren Diffusorwand 524, der einen Teil des Diffusorauslasses 522 bildet (d. h. jeder Punkt an dem stromabwärtigen Ende der äußeren Diffusorwand 524), eine Ebene durch die Mittelachse 95 und den Punkt gebildet werden. Dementsprechend kann eine jedem Punkt entsprechende Kurve durch den Schnitt seiner jeweiligen Ebene mit der “unbeschnittenen” Grundgestalt definiert sein. Der maximale Beschnitt 545 kann dann als der Punkt (oder Abschnitt) der äußeren Diffusorwand 524 definiert werden, der einen Teil des Diffusorauslasses 522 bildet und die längste Extrapolierung von dem jeweiligen Punkt an dem Diffusorauslass 522 zu dem unterstromigen Ende der “unbeschnittenen” Grundgestalt entlang der in der Ebene liegenden Kurve aufweist.
Der maximale Beschnitt 545 kann entlang der Mittelachse 95 gemessen werden. Zum Beispiel kann der maximale Beschnitt 545 den Punkt (oder Abschnitt) der äußeren Diffusorwand 524 umfassen, der einen Teil des Diffusorauslasses 522 bildet und den größten axialen Abstand von einer Referenzebene aufweist, die normal zu der Mittelachse 95 steht und hinter dem Diffusorauslass 522 angeordnet ist.
Alternativ kann der maximale Beschnitt 545 entlang einer Radialen 96 gemessen werden. Insbesondere kann der maximale Beschnitt 545 den Punkt (oder Abschnitt) der äußeren Diffusorwand 524 umfassen, der einen Teil des Diffusorauslasses 522 bildet und den größten radialen Abstand von einem Punkt der Umfangswand 553 entlang derselben Radiale aufweist. Da die umlaufende Wand 553 sich aufweiten oder auf andere Weise ihren Radius vergrößern kann, während sie sich der Abgaberichtung 559 nähert, kann diese Messung des maximalen Beschnitts 545 auf einen Bereich von Radialen 96 größer als 180 Grad von der Abgaberichtung 559 begrenzt sein.
In einer Ausführungsform kann der “Beschnitt” der äußeren Diffusorwand 524 sich in dem zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543 befinden. Insbesondere kann der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 der äußeren Diffusorwand 524 eine schräg verkürzte Gestalt umfassen. Zum Beispiel kann der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 eine Umdrehungsoberfläche um die Mittelachse 95 herum umfassen, die schräg proximal zu dem Diffusorauslass 522 verkürzt ist, und umfasst des Weiteren den maximalen Beschnitt 545 der Abgaberichtung 559 entgegengesetzt.
Um dies zu veranschaulichen, kann der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 eine schräg verkürzte trompetenförmige Gestalt umfassen, die einen schräg beschnittenen Abschnitt aufweist, der im Wesentlichen radial dem Abgassammlerauslass 551 entgegengesetzt ausgerichtet ist. Insbesondere kann der schräg verkürzte, zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 eine Gestalt aufweisen, die von einer “unbeschnittenen” ausgestellten Grundgestalt ausgehend verkürzt wurde. Der schräg beschnittene Abschnitt bezieht sich allgemein auf eine Oberfläche des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 entsprechend der Verkürzung oder dem Schnitt von einer andernfalls “unbeschnittenen” Grundgestalt. Die “unbeschnittene” ausgestellte Grundgestalt ist eine ausgestellte Umdrehungsoberfläche, wobei die Oberfläche durch eine zweidimensionale Kurve definiert wird, die um die Mittelachse 95 herum gedreht wird. Darüber hinaus kann das oberstromige Ende der zweidimensionalen Kurve tangential zu einer Linie ausgerichtet sein, die dem oben beschriebenen linearen Diffusionsbereich 526 entspricht, womit der glatte Übergang an deren Schnittstelle gebildet wird.
Wie veranschaulicht kann die zweidimensionale Kurve im Wesentlichen viertelkreisförmig (z. B., zwischen 75 Grad und 105 Grad) mit einem Ausstellungsradius 544 sein, und so orientiert, dass eine Radiale 96 der Mittelachse 95 tangential zu dem unterstromigen Ende der zweidimensionalen Kurve verläuft. Wie ebenfalls veranschaulicht kann der Ausstellungsradius 544 bis zu dem Diffusorauslass 522 (d. h. einem stromabwärtigen Ende) konstant sein. Zur Referenz ist auch eine Extrapolationslinie 547 dargestellt, die einen fortlaufenden Ausstellungsradius eines fehlenden Abschnitts der zweidimensionalen Kurve an ihrem maximalen Beschnitt 545 angibt.
In ähnlicher Weise kann die zweidimensionale Kurve aus anderen, nicht kreisförmigen Krümmungen bestehen. Insbesondere kann die zweidimensionale Kurve eine nichtlineare Kurve mit einer Bogenlänge von ungefähr 90 Grad umfassen. Zum Beispiel kann die zweidimensionale Kurve eine Bogenlänge zwischen 75 Grad und 105 Grad aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform kann der Ausstellungsradius 544 des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 konzentrisch mit einem Ausstellungsradius des ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 541 sein.
Der schräg verkürzte, zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 kann als die Differenz zwischen der “unbeschnittenen” ausgestellten Grundgestalt und der Verkürzung, dem fehlenden Abschnitt oder dem “Beschnitt” der “unbeschnittenen” ausgestellten Grundgestalt beschrieben werden. Hier umfasst die Verkürzung den Abschnitt der “unbeschnittenen” ausgestellten Grundgestalt zwischen einer Normalebene 548 und einer Verkürzungsebene 549.
Die Normalebene 548 ist normal zu der Mittelachse 95 und definiert das gesamte stromabwärtige Ende der “unbeschnittenen” ausgestellten Grundgestalt. Zumindest ein Punkt des stromabwärtigen Endes des schräg verkürzten zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 liegt auf der Normalebene 548. Die Verkürzungsebene 549 ist normal zu der Strömungssymmetrieebene, aber schräg zu der Normalebene 548 in einem Beschnittwinkel 546. Gemäß einer Ausführungsform kann der Beschnittwinkel 546 kleiner als 10 Grad von der Vertikalen sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Beschnittwinkel 546 zwischen 1 Grad und 5 Grad von der Vertikalen betragen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Beschnittwinkel 546 ungefähr 2 Grad von der Vertikalen betragen. Alternativ kann die Verkürzung den Abschnitt der “unbeschnittenen” ausgestellten Grundgestalt zwischen einer Normalebene 548 und einem nicht ebenen Beschnitt umfassen.
Der schräg verkürzte zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 wird in Zusammenwirken mit dem Abgassammlerauslass 551 verkürzt. Insbesondere ist der maximale Beschnitt 545 des schräg verkürzten zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 mit einem Abgassammler-Umlenkbereich 555 ausgerichtet. Der Abgassammler-Umlenkbereich 555 ist allgemein definiert als ein Bereich innerhalb des Abgassammlers 550, der der Abgaberichtung 559 entgegengesetzt ist, wo das Abgas 90 von dem Diffusorauslass 522 in entgegengesetzte umlaufende Strömungen um die umlaufende Wand 553 getrennt ausgestoßen wird. Zum Beispiel befindet sich hier der Abgassammler-Umlenkbereich an dem Boden des Abgassammlers 550. Dementsprechend umfasst hier die äußere Diffusorwand 524 einen maximalen Beschnitt 545 oder dein maximale Verkürzung an ihrem unteren Ende.
Wie oben ist der maximale Beschnitt 545 der Punkt (oder Abschnitt) der äußeren Diffusorwand 524 entsprechend der größten Verkürzung, des größten fehlenden Abschnitts oder “Beschnitts” von der “unbeschnittenen” Grundgestalt, und kann entlang der Mittelachse 95 und/oder einer Radialen 96 gemessen werden. Darüber hinaus kann der maximale Beschnitt 545 relativ zu seinem Ausstellungswinkel gemessen werden. Insbesondere kann der maximale Beschnitt 545 den Punkt (oder Abschnitt) der äußeren Diffusorwand 524 umfassen, der einen Teil des Diffusorauslasses 522 bildet und den kürzesten Ausstellungsradius oder Bogen aufweist. Wie oben beschrieben kann der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 von einer Umdrehungsoberfläche um die Mittelachse 95 herum geschnitten werden. Somit ist der Grad der Ausstellung an jeder axialen Position an der äußeren Diffusorwand 524 konstant. Dementsprechend kann zum Beispiel dann, wenn die Abgaberichtung 559 des Abgassammlers 550 nach oben oder 0 Grad von OT gerichtet ist, die ausgestellte Gestalt an der Oberseite des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 einen maximalen Bogen (z. B. ungefähr 90 Grad) aufweisen, und die ausgestellte Gestalt an dem Boden des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 kann einen minimalen Bogen (z. B. ungefähr 50 Grad) aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die innere Diffusorwand 523 in ähnlicher Weise geformt sein kann wie die äußere Diffusorwand 524. Insbesondere kann der erste ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 541 eine Umdrehungsoberfläche um die Mittelachse 95 herum umfassen, die eine Ausstellung mit zwischen 75 Grad und 105 Grad Bogenlänge umfasst und in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung an dem Diffusorauslass 522 enden. Darüber hinaus kann die Ausstellung des ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 541 durch ungefähr dieselbe Bogenlänge verlaufen wie die maximale Bogenlänge des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543. Zum Beispiel kann die innere Diffusorwand 523 eine Ausstellung umfassen, die konzentrisch mit dem Ausstellungsradius 544 des zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitts 543 ist, und ungefähr 90 Grad Bogenlänge mit dem zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt 543 in einer Ebene teilt, die die Mittelachse 95 und eine Radiale 96 in der Abgaberichtung 559 umfasst. Darüber hinaus kann das stromabwärtige Ende der inneren Diffusorwand 523 tangential zu der hinteren Wand 554 ausgerichtet sein und somit eine glatte Vereinigung an ihrer Schnittstelle ausbilden.
Darüber hinaus können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 zueinander versetzt sein. Insbesondere umfasst die Versetzung eine im Wesentlichen konstante radiale Trennung durch ihre gemeinsame Bogenlänge, gemessen in der Ebene, die die Mittelachse 95 umfasst. Zum Beispiel können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 zueinander durch ihre gemeinsame Bogenlänge um die Länge des Ausstellungsradius 544 versetzt sein. Als weiteres Beispiel können die innere Diffusorwand 523 und die äußere Diffusorwand 524 zueinander durch ihre gemeinsame Bogenlänge um die Länge des Ausstellungsradius 544 +/–25 Prozent versetzt sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann der schräg verkürzte zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 so ausgebildet sein, dass der maximale Beschnitt 545 einen minimalen Spalt 557 zwischen dem Diffusorauslass 522 an dem maximalen Beschnitt 545 und der umlaufenden Wand 553 bereitstellt. Insbesondere kann die schräg verkürzte zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 so verkürzt sein, dass er den minimalen Spalt 557 zwischen der äußeren Diffusorwand 524 und der umlaufenden Wand 553 mit zumindest einer Hälfte des Abstandes zwischen der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 an dem Diffusorauslass 522 bereitstellt, und zwar gemessen in einer Ebene, die die Mittelachse 95 und einen Punkt an dem maximalen Beschnitt 545 umfasst. Zum Beispiel kann, wie auch veranschaulicht, dann, wenn die umlaufende Wand 553 parallel zu der Mittelachse 95 verläuft, der schräg verkürzte, zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt 543 so verkürzt sein, dass der minimale Spalt 557 zwischen der äußeren Diffusorwand 524 und der umlaufenden Wand 553 entlang einer Radiale 96 gemessen wird, die durch den maximale Beschnitt 545 verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abgassammler 550 einen “erweiterten” Abgassammler-Umlenkbereich 555 umfassen. Insbesondere kann die vordere Wand 552 so ausgebildet sein, dass ein minimaler axialer Abstand 558 von der hinteren Wand 554 innerhalb des Abgassammler-Umlenkbereichs 555 und proximal der umlaufenden Wand 553 beibehalten wird. Zum Beispiel kann der minimale axiale Abstand 558 zumindest dem Vierfachen des Mindestabstands 557 entsprechen. Als weiteres Beispiel kann der minimale axiale Abstand 558 zumindest das Doppelte eines Abstandes zwischen der inneren Diffusorwand 523 und der äußeren Diffusorwand 524 an dem Diffusorauslass 522 sein, gemessen in einer Ebene, die die Mittelachse 95 und einen Punkt an dem maximalen Beschnitt 545 umfasst. Als weiteres Beispiel kann der minimale axiale Abstand 558 ungefähr derselbe sein wie ein axialer Abstand zwischen der vorderen Wand 552 und der hinteren Wand 554 gegenüber dem Abgassammler-Umlenkbereich 555 und proximal des Diffusorauslasses 522.
In den Beispielen oben kann die vordere Wand 552 gewinkelt oder nicht vertikal sein. Zum Beispiel kann die vordere Wand 552 gewinkelt sein, um ein Ausdehnungsvolumen in der Abgaberichtung 559 bereitzustellen. Alternativ können die vordere Wand 552 und die hintere Wand 554 im Wesentlichen parallel zueinander sein (z. B. beide vertikal), so dass der minimale axiale Abstand 558 im Wesentlichen gleichförmig proximal des Abgasdiffusors 520 ist. Alternativ kann die vordere Wand 552 im Wesentlichen vertikal sein.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung findet allgemein Anwendung auf ein Abgassystem für einen Gasturbinenmotor, sowie einen Gasturbinenmotor mit einem Abgasdiffusor. Die beschriebenen Ausführungsformen sind nicht auf die Verwendung in Verbindung mit einem bestimmten Typ von Gasturbinenmotor beschränkt, sondern können auf stationäre oder bewegliche Gasturbinenmotoren oder eine beliebige Variante derselben angewendet werden. Je nach Anwendung können Gasturbinenmotoren und somit ihre Komponenten für eine Reihe von Anwendungen geeignet sein, wie etwa, aber ohne darauf begrenzt zu sein, verschiedene Aspekte der Öl- und Erdgasindustrie (einschließlich Transfer, Sammeln, Speichern, Abziehen und Fördern von Öl und Erdgas), der Energieerzeugungsindustrie, der Kraft-Wärme-Kopplung, Luftfahrt und andere Transportindustrien, um nur einige Beispiele zu nennen.
Allgemein sind Ausführungsformen des hier offenbarten Abgassystems für einen Gasturbinenmotor anwendbar auf den Einsatz, den Betrieb, die Wartung und Reparatur und die Verbesserung von Gasturbinenmotoren, und können verwendet werden, um die Leistung und Effizienz zu verbessern und Wartungs- und Reparatur- und/oder weitere Kosten zu verringern. Darüber hinaus können Ausführungsformen des hier offenbarten Abgassystems auf ein beliebiges Stadium der Lebensdauer des Gasturbinenmotors anwendbar sein, von der Konstruktion über den Prototypenbau und die Erstfertigung, weiter bis zum Ende der Lebensdauer. Dementsprechend kann das Abgassystem als Nachrüstung oder Aufwertung eines bestehenden Gasturbinenmotors, als eine präventive Maßnahme, oder sogar in Reaktion auf ein Ereignis verwendet werden. Darüber hinaus können die verschiedenen kombinierten Merkmale angepasst werden, um eine bestehende Konstruktion nachzurüsten. Dies gilt insbesondere deshalb, weil das vorliegend offenbarte Abgassystem in einem Gasturbinenmotor installiert werden kann, der identische Schnittstellen zu einem anderen Abgassystem aufweisen kann, so dass es gegen einen vorhergehenden Typ von Abgassystem austauschbar ist.
Gasturbinenmotoren mit Abgassammlern mit radialer Abgaberichtung können einen Bereich niedriger Strömung an der gegenüberliegenden Seite des Abgassammlerauslasses (Abgassammler-Umlenkbereich) vor dem Diffusorauslass aufweisen. Ausführungsformen des hierin offenbarten Abgassystems können Merkmale umfassen und kombinieren, etwa eine versetzte oder “beschnittene” äußere Diffusorwand, die mit dem Abgassammlerauslass koordiniert ist, eine ausgestellte innere Diffusorwand, und einen “erweiterten” Abgassammler-Umlenkbereich, um den Druck an dem Turbinenauslass zu verringern. Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung einen Abgasdiffusor bereit, bei dem die äußere Diffusorwand verkürzt ist oder sich relativ zu seiner radialen Erstreckung in der Abgaberichtung radial weniger weit in den Niedrigströmungsquerschnitt erstreckt, um dadurch seine Größe und potenzielle Blockierung innerhalb dieses Umlenkbereichs zu verringern.
Die Verwendung des Abgassystems, wie es oben beschrieben wurde, kann zu einem erhöhten Turbinendruckverhältnis führen, was wiederum zu höherer Wellenleistung und höherer Effizienz führt. Insbesondere haben die Erfinder bei substantiellen Analysen und empirischer Prüfung beträchtliche Effizienzgewinne gegenüber bestehenden Konstruktionen beobachtet. Dementsprechend kann die Kombination der vorstehend erwähnten Merkmale eine verbesserte allgemeine Motorleistung bereitstellen.
Die vorangehende detaillierte Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung keinesfalls beschränken. Die beschriebenen Ausführungsformen sind nicht auf die Verwendung in Verbindung mit einem bestimmten Typ von Gasturbinenmotor beschränkt. Obwohl die vorliegenden Ausführungsformen für die praktische Erklärung so abgebildet und beschrieben sind, dass sie durch einen feststehenden Gasturbinenmotor implementiert sind, ist somit klar, dass sie in verschiedenen anderen Typen von Gasturbinenmotoren und in verschiedenen anderen Systemen und Umgebungen implementiert werden können. Darüber hinaus ist nicht beabsichtigt, dass die Offenbarung durch irgendeine Theorie in einem der vorhergehenden Abschnitte gebunden ist. Es ist auch klar, dass die Abbildungen überzogen dargestellte Dimensionen und graphische Darstellungen umfassen können, um die gezeigten Elemente, auf die Bezug genommen wird, besser zu veranschaulichen; die Abbildungen sind daher nicht als einschränkend gedacht, außer dies wird ausdrücklich angemerkt.

Claims

Abgasdiffusor (520) für einen Gasturbinenmotor (100), wobei der Abgasdiffusor (520) umfasst: einen Diffusoreinlass (521); einen Diffusorauslass (522); eine innere Diffusorwand (523) mit einem ersten röhrenförmigen Element um eine Diffusorachse (535) herum, das sich zwischen dem Diffusoreinlass (521) und dem Diffusorauslass (522) erstreckt, wobei das erste röhrenförmige Element einen ersten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt (541) proximal des Diffusorauslasses (522) umfasst, und eine äußere Diffusorwand (524) mit einem zweiten röhrenförmigen Element um die Diffusorachse (535) herum und zumindest zum Teil um die innere Diffusorwand (523) herum, das sich zwischen dem Diffusoreinlass (521) und dem Diffusorauslass (522) erstreckt, wobei die äußere Diffusorwand (524) und die innere Diffusorwand (523) einen Diffusionsströmungspfad zwischen dem Diffusoreinlass (521) und dem Diffusorauslass (522) definieren, wobei das zweite röhrenförmige Element einen zweiten ausgestellten stromabwärtigen Abschnitt (543) umfasst, wobei der zweite ausgestellte stromabwärtige Abschnitt (543) umfasst: einen unteren Bereich (536), und einen oberen Bereich (537), wobei sich der obere Bereich (537) relativ zu der Diffusorachse (535) weiter stromabwärts in eine axiale Richtung erstreckt als der untere Bereich (536).
Abgasdiffusor (520) nach Anspruch 1, wobei die äußere Diffusorwand (524) des Weiteren umfasst: einen gleichförmigen Bereich (538), der sich stromabwärts von dem Diffusoreinlass (521) erstreckt, wobei der gleichförmige Bereich (538) eine Umdrehungsoberfläche umfasst, wobei die Umdrehungsoberfläche durch eine zweidimensionale Kurve definiert wird, die um die Diffusorachse (535) herum gedreht wird, wobei die zweidimensionale Kurve ein lineares Segment (526) und ein gekrümmtes Segment umfasst, und eine versetzte Erweiterung (539), die sich stromabwärts von dem gleichförmigen Bereich (538) zu dem Diffusorauslass (522) erstreckt, wobei die versetzte Erweiterung (539) eine verkürzte Umdrehungsoberfläche umfasst, die in einem versetzten Ende (540) endet, wobei das versetzte Ende (540) im Wesentlichen eine Verkürzungsebene (549) definiert, wobei die Verkürzungsebene (549) einen Beschnittwinkel (546) mit einer Normalebene (548) bildet, wobei die Normalebene (548) normal zu der Diffusorachse (535) ist, wobei der Beschnittwinkel (546) zwischen 1 Grad und 5 Grad von der Normalebene (548) beträgt; und wobei der gleichförmige Bereich (538) und die versetzte Erweiterung (539) zusammen den unteren Bereich (536) und den oberen Bereich (537) umgeben.
Abgasdiffusor (520) nach Anspruch 1, wobei der erste ausgestellte stromabwärtige Abschnitt (541) sich von der Diffusorachse (535) radial nach außen erstreckt und eine Umdrehungsoberfläche um die Diffusorachse (535) herum umfasst, die eine Ausstellung mit zwischen 75 Grad und 105 Grad Bogenlänge umfasst, wobei die Ausstellung in einer im Wesentlichen normalen Richtung zu der Diffusorachse (535) an dem Diffusorauslass (522) endet.
Abgasdiffusor (520) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Vielzahl von Diffusorverstrebungen (525), die in Umfangsrichtung um die Diffusorachse (535) herum verteilt sind und sich zwischen der äußeren Diffusorwand (524) und der inneren Diffusorwand (523) erstrecken.
Abgassystem (500) für einen Gasturbinenmotor (100), wobei das Abgassystem (500) den Abgasdiffusor (520) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, und des Weiteren umfassend einen Abgassammler (550), der dazu ausgebildet ist, Abgas (90) in Umfangsrichtung von dem Diffusorauslass (522) zu empfangen, wobei der Abgassammler (550) umfasst: einen Abgassammlerauslass (551), der relativ zu der Diffusorachse (535) im Wesentlichen dem unteren Bereich (536) entgegengesetzt angeordnet ist, eine vordere Wand (552), eine hintere Wand (554), und eine umlaufende Wand (553), die sich zwischen der vorderen Wand (552) und der hinteren Wand (554) erstreckt, wobei die umlaufende Wand (553) einen Großteil des Diffusorauslasses (522) einkreist.
Abgassystem (500) nach Anspruch 5, wobei der Abgassammler (550) des Weiteren der Abgaberichtung (559) entgegengesetzt einen Abgassammler-Umlenkbereich (555) umfasst; und wobei die vordere Wand (552) in einem minimalen axialen Abstand (558) von der hinteren Wand (554) gehalten wird, wobei der minimale axiale Abstand (558) zumindest das Doppelte eines Abstandes zwischen der inneren Diffusorwand (523) und der äußeren Diffusorwand (524) an dem Diffusorauslass (522) ist, gemessen in einer Ebene, die die Diffusorachse (535) und einen Punkt an einem maximalen Beschnitt (545) des unteren Bereichs (536) umfasst.
Abgasdiffusor (520) nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend einen minimalen Spalt (557) zwischen dem Diffusorauslass (522) an einem maximalen Beschnitt (545) des unteren Bereichs (536) und der umlaufenden Wand (553), wobei der minimale Spalt (557) zumindest einer Hälfte eines Abstandes zwischen der inneren Diffusorwand (523) und der äußeren Diffusorwand (524) an dem Diffusorauslass (522) entspricht, und zwar gemessen in einer Ebene, die die Diffusorachse (535) und einen Punkt an dem maximalen Beschnitt (545) umfasst.
Abgassystem (500) nach Anspruch 5, wobei der Gasturbinenmotor (100) eine Mittelachse (95) umfasst; und wobei der Abgassammlerauslass (551) dazu ausgebildet ist, das Abgas (90) relativ zu dem Gasturbinenmotor (100) in einer Abgaberichtung (559) radial zwischen positiven 135 Grad und negativen 135 Grad von dem oberen Totpunkt um die Mittelachse (95) abzugeben.
Abgassystem (500) nach Anspruch 5, wobei die vordere Wand (552) im Wesentlichen vertikal ist.
Abgasdiffusor (520) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verkürzte Umdrehungsoberfläche zumindest zum Teil durch eine zweidimensionale Kurve definiert wird, die um die Diffusorachse (535) herum gedreht wird, wobei die zweidimensionale Kurve ein lineares Segment an einem stromaufwärtigen Ende und ein gekrümmtes Segment an einem stromabwärtigen Ende aufweist, wobei das lineare Segment mit einer Tangente des gekrümmten Segments an einem Schnittstellenpunkt ausgerichtet ist.