DE19718147C2 - Anordnung zur Überführung des eine Gasturbine verlassenden Abgasstroms zu einem Abhitzekessel und/oder zu einem Abgaskamin - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überführung des eine Gasturbine verlassenden Abgasstroms zu einem Abhit­ zekessel und/oder zu einem Abgaskamin.

Der bei einer solchen Anordnung in den Diverter einge­ gliederte Diverterflügel dient dem Zweck, den die Gastur­ bine verlassenden Abgasstrom entweder dem Abhitzekessel und/oder dem Abgaskamin zuzuführen. Soll der Abgasstrom dem Abhitzekessel zugeleitet werden, wird der Diverter­ flügel nach oben so in die Horizontale verschwenkt, daß er den Übertrittsquerschnitt am Abgang zum Abgaskamin versperrt. Andererseits kann der Diverterflügel um 90° derart in die Vertikale verschwenkt werden, daß er den Übertrittsquerschnitt zum Kessel-Diffusor verschließt, wenn der Abgasstrom in den Abgaskamin geleitet werden soll. Darüber hinaus kann der Diverterflügel aber auch so gezielt zwischen diesen beiden Schließstellungen positio­ niert werden, daß im Umfang einer vorbestimmbaren Re­ gelcharakteristik der vom Übertrittsquerschnitt zum Kes­ sel-Diffusor abgehobene Diverterflügel an seiner freien Flügelkante von einer Gas-Unterströmung des Abgasstroms passiert wird.

Unabhängig von der Größe der Gas-Unterströmung weist die bekannte Anordnung aufgrund der Relativlage des Diverter­ flügels zum Übertrittsquerschnitt zum Kessel-Diffusor einerseits und aufgrund des sich vom Übertrittsquer­ schnitt aus erweiternden Querschnitts des Kessel-Diffu­ sors andererseits die Eigenart auf, daß sich die Gas-Un­ terströmung lediglich im unteren Höhenbereich des Kessel- Diffusors ausbreitet und demzufolge auch der dem Kessel- Diffusor nachgeschaltete Abhitzekessel nur einseitig mit der Wärme aus dem Abgasstrom beaufschlagt wird. Dieser Sachverhalt erweist sich insbesondere im Anfahrbetrieb des Abhitzekessels als nachteilig, da eine lange Aufwärm­ zeit für den Abhitzekessel erforderlich ist. Diese lange Aufwärmzeit führt jedoch nicht nur zu einer Minderung des Wirkungsgrads der Gesamtanlage, sondern bedeutet ferner eine durch den längeren Aufwärmzeitraum bedingten erhöh­ ten Brennstoffeinsatz. Die Wirtschaftlichkeit der Gesamt­ anlage wird hierdurch herabgesetzt.

Im übrigen ist es aus dem im Jahre 1995 erschienenen Buch "Strömungsmaschinen" von Klaus Menny bekannt, einer Gasturbine einen Abhitzekessel nachzuschalten.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Überführung des eine Gasturbine verlassenden Abgasstroms zu einem Abhitzekes­ sel und/oder zu einem Abgaskamin zu schaffen, die bei ge­ ringerem Brennstoffeinsatz, insbesondere in der Aufwärm­ zeit, mit wesentlich verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Kernpunkt der Erfindung bildet die Anordnung und die Größe von Überströmöffnungen im Bereich zwischen der Welle des Diverterflügels und der der Welle benachbarten, das Flügelinnere versperrenden Querwand in einer speziel­ len Relation zu der Größe der Übertrittsquerschnitte zum Kessel-Diffusor einerseits und zum Abgang des Abgaskamins andererseits in Verbindung mit der tragflügelartigen Pro­ filierung des Diverterflügels.

Befindet sich folglich der Diverterflügel in einer vom Übertrittsquerschnitt zum Kessel-Diffusor abgehobenen Re­ gelstellung, so können Mengenanteile des die Gasturbine verlassenden Abgasstroms nicht nur in Form einer Gas- Unterströmung zwischen der freien Flügelkante und der dieser gegenüberliegenden Wand des Diverters in Richtung zum Kessel-Diffusor sowie als Hauptstrom zum Abgaskamin strömen, sondern Teile des Hauptstroms in Form einer Gas- Ablenkströmung auch über die Überströmöffnungen im Diver­ terflügel in den dem Kessel-Diffusor zugewandten Bereich hinter dem Diverterflügel gelangen. Hierbei wird der Übergang des Abgasstroms durch die Überströmöffnungen durch die konvexe Oberfläche des Diverterflügels begün­ stigt. Nach dem Passieren der Überströmöffnungen unter gleichmäßiger Temperierung der Welle des Diverterflügels wird diese Gas-Ablenkströmung vertikal nach unten abge­ leitet. Hierbei gewährleistet die konkave Ausgestaltung der dem Kessel-Diffusor zugewandten Seite des Diverter­ flügels eine gleichmäßige Erwärmung aller Bereiche des Diverterflügels, und zwar bereits dann, wenn der Diver­ terflügel sich nur wenig vom Übertrittsquerschnitt des Kessel-Diffusors entfernt hat und sich in einer Regel­ stellung befindet, in der die Menge der Gas-Unterströmung zwischen der Flügelkante und der gegenüberliegenden Wand des Diverters einen nur geringfügigen Bestandteil des ge­ samten Abgasstroms bildet.

Die Relativgröße der Überströmöffnungen zu jedem Über­ trittsquerschnitt sorgt in Verbindung mit der tragflügel­ artigen Profilierung des Diverterflügels außerdem dafür, daß die hinter den Überströmöffnungen vertikal nach unten abgeleitete Gas-Ablenkströmung im unteren Drittel des Diverterflügels auf die die Flügelkante passierende Gas- Unterströmung trifft. Sie wird dann von der nach dem Passieren der Flügelkante divergierenden Gas-Unterströ­ mung nach oben unter einem Winkel von 30 bis 45° abgelei­ tet. Andererseits sorgt die Gas-Ablenkströmung dafür, daß die Gas-Unterströmung nicht verwirbelt, sondern beruhigt wird. Auf diese Weise entsteht dann hinter dem Diverter­ flügel ein sich über den gesamten Querschnitt des Kessel- Diffusors ausbreitendes gleichmäßiges Gas-Anströmprofil, welches sich in jedem Längenabschnitt des Kessel-Diffu­ sors fortsetzt.

Dieses gleichmäßige Gas-Anströmprofil hat mithin auch eine gleichmäßige Anströmung des dem Kessel-Diffusor nachgeschalteten Abhitzekessels zur Folge und führt da­ durch zu einer gleichmäßigeren und schnelleren Erwärmung mit dem Ergebnis, daß der Anfahrprozeß der Gesamtanlage wesentlich verkürzt werden kann. Ein zeitlich verkürzter Anfahrprozeß hat wiederum eine Verringerung des Brenn­ stoffeinsatzes zur Folge. Außerdem wird der Wirkungsgrad der Gesamtanlage merklich heraufgesetzt, da der Gas- und Dampfbetrieb merklich schneller aufgenommen werden kann.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung zeigt sich unter umwelttechnischen Aspekten. Die Gasturbine kann nämlich während des Aufwärmbetriebs des Abhitzekes­ sels nunmehr in einer Temperaturbandbreite gefahren wer­ den, in der NOx-Minderungen nicht oder nur in einer nicht relevanten Größenordnung wirksam werden. Die verkürzte Anfahrzeit der Gesamtanlage hat somit einen wesentlichen Einfluß auf die NOx-Reduzierung.

Wenn nach Anspruch 2 die Flügelkante auf der dem Kessel- Diffusor zugewandten Seite gerundet ausgebildet ist, wird eine spezielle Strömungsabrißkante für die Gas-Unterströ­ mung erzielt, die dafür Sorge trägt, daß die Gas-Unter­ strömung mit einem Winkel von etwa 30° nach oben diver­ gieren kann. Hiermit wird eine noch bessere Vergleich­ mäßigung des Gas-Anströmprofils im Kessel-Diffusor er­ reicht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Darstellung zeigt im schematischen vertikalen Längs­ schnitt einen einer nicht näher dargestellten Gasturbine nachgeschalteten Gasturbinen-Diffusor 1, an den sich ein Diverter 2 anschließt. Abgangsseitig des Diverters 2 ist in horizontaler Richtung ein Kessel-Diffusor 3 und in vertikaler Richtung ein zu einem nicht näher dargestell­ ten Abgaskamin führender Abgang 5 vorgesehen. Die Übertrittsquerschnitte ÜQU vom Diverter 2 zum Kessel-Dif­ fusor 3 einerseits und ÜQU1 zum Abgang 5 andererseits sind gleich groß ausgebildet.

Im Übergangsbereich 6 von dem Abgang 5 auf den Kessel- Diffusor 3 ist im Diverter 2 ein einarmiger Diverterflü­ gel 7 schwenkbar gelagert. Seine Ausbildung ist so ge­ troffen, daß er in der horizontalen Position den Über­ trittsquerschnitt ÜQU1 zum Abgang 5 und in der vertikalen Position den Übertrittsquerschnitt ÜQU zum Kessel-Diffu­ sor 3 schließt.

Der Diverterflügel 7 besitzt eine tragflügelartige Profi­ lierung mit einer konvexen Oberseite 8 und einer konkaven Unterseite 9. Der dem Kessel-Diffusor 3 zugewandte Be­ reich 10 der freien Flügelkante 11 ist gerundet ausgebil­ det und bildet einen Strömungsabrißkanal.

Zwischen der um eine horizontale Achse 12 schwenkbaren Welle 13 des Diverterflügels 7 und einer eine in den Di­ verterflügel 7 integrierte Isolationskammer 14 begrenzen­ den Querwand 15 sind Überströmöffnungen 16 ausgebildet. Diese Überströmöffnungen 16 stehen in einem definierten Größenverhältnis zu den Übertrittsquerschnitten ÜQU1 des Abgangs 5 bzw. ÜQU des Kessel-Diffusors 3. Aufgrund die­ ses gezielten Querschnittsverhältnisses kann eine Gas- Ablenkströmung GAS eines aus der Gasturbine tretenden und den Gasturbinen-Diffusor 1 verlassenden Abgasstroms AGS in der veranschaulichten Regelstellung des Diverterflü­ gels 7 oberhalb des Diverterflügels 7, also über die Überströmöffnungen 16 in den Bereich 17 hinter dem Diver­ terflügel 7 gelangen. Ferner gelangt eine Gas-Unterströ­ mung GUS zwischen der Flügelkante 11 und der dieser ge­ genüber liegenden Wand 4 des Diverters 2 in Richtung zum Kessel-Diffusor 3.

Die durch die Überströmöffnungen 16 tretende Gas-Ablenk­ strömung GAS wird durch die konvexe Oberseite 8 des Di­ verterflügels 7 begünstigt und nach dem Durchströmen ver­ tikal nach unten abgeleitet. Hierbei wird nicht nur die Welle 13 des Diverterflügels 7 so erwärmt, daß sie keinen schädlichen Beanspruchungen ausgesetzt ist, sondern es wird auch der gesamte Diverterflügel 7 gleichmäßig umlau­ fend erwärmt.

Die vertikal abgeleitete Gas-Ablenkströmung GAS trifft dann im unteren Drittel des Diverterflügels 7 auf die die Flügelkante 11 passierende Gas-Unterströmung GUS. Auf­ grund der gerundeten Strömungsabrißkante 10 kann die Gas- Unterströmung GUS günstig in einem Winkel von 30° nach oben divergierend weiterströmen. Die vertikal von oben abgeleitete Gas-Ablenkströmung GAS trifft auf die Gas-Un­ terströmung GUS und wird von der Gas-Unterströmung GUS in einem Winkel von 30° bis 40° abgeleitet. Diese Ableitung führt dazu, daß die Gas-Unterströmung GUS nach Abriß von der Flügelkante 11 des Diverterflügels 7 nicht verwir­ belt, sondern durch die vertikal abgeleitete Gas-Ablenk­ strömung GAS beruhigt wird. Es entsteht aus diesem Ver­ halten ein gleichmäßiges Gas-Anströmprofil GAP in jedem Längenbereich des Kessel-Diffusors 2, so daß der dem Kes­ sel-Diffusor 3 nachgeschaltete, nicht näher veranschau­ lichte Abhitzekessel gleichmäßig mit Wärme aus der Gas- Unterströmung GUS und der Gas-Ablenkströmung GAS beauf­ schlagt wird.

Bezugszeichenliste

1

- Gasturbinen-Diffusor

2

- Diverter

3

- Kessel-Diffusor

4

- Wand v.

2

5

- Abgang

6

- Übergangsbereich v.

3

n.

5

7

- Diverterflügel

8

- Oberseite v.

7

9

- Unterseite v.

7

10

- Bereich v.

11

11

- Flügelkante

12

- Achse

13

- Welle v.

7

14

- Isolationskammer in

7

15

- Querwand v.

7

16

- Überströmöffnungen zw.

13

u.

15

17

- Bereich hinter

7

AGS- Abgasstrom
GAP- Gas-Anströmprofil
GAS- Gas-Ablenkströmung
GUS- Gas-Unterströmung
ÜQU- Übertrittsquerschnitt v.

2

n.

3

ÜQU1- Übertrittsquerschnitt v.

2

n.

5

Claims (2)

1. Anordnung zur Überführung des eine Gasturbine verlas­ senden Abgasstroms (AGS) zu einem Abhitzekessel und/oder zu einem Abgaskamin, welche einen zwischen einem Gasturbinen-Diffusor (1), einem Kessel-Diffusor (3) und einem Abgang (5) zum Abgaskamin eingeglieder­ ten Diverter (2) mit integriertem einarmigen Diver­ terflügel (7) aufweist, der um eine im Übergangsbe­ reich (6) vom Kessel-Diffusor (3) auf den Abgang (5) angeordnete Achse (12) von einer den Übertrittsquer­ schnitt (ÜQU1) zum Abgang (5) sperrenden Stellung bis zu einer den Übertrittsquerschnitt (ÜQU) zum Kes­ sel-Diffusor (3) verschließenden Dichtposition schwenkbar ist und eine tragflügelartige Profilierung mit konvexer Oberseite (8) und konkaver Unterseite (9) besitzt, wobei zwischen der Welle (13) des Diver­ terflügels (7) und der das Flügelinnere (14) begren­ zenden benachbarten Querwand (15) Überströmöffnungen (16) mit einem in Relation zu den Übertrittsquer­ schnitten (ÜQU und ÜQU1) derart bemessenen Strömungs­ querschnitt vorgesehen sind, daß in der Regelstellung des Diverterflügels (7) hinter den Überströmöffnungen (16) eine abwärtsgerichtete Gas-Ablenkströmung (GAS) entsteht, welche durch die den Bereich zwischen der freien Flügelkante (11) und der gegenüberliegenden Wand (4) des Diverters (2) passierende und danach in Richtung zum Kessel-Diffusor (3) divergierende Gas- Unterströmung (GUS) zum Kessel-Diffusor (3) hin umge­ lenkt wird und in jedem Längenbereich des Kessel-Dif­ fusors (3) zusammen mit der Gas-Unterströmung (GUS) ein gleichmäßiges Gas-Anströmprofil (GAP) über den Querschnitt des Kessel-Diffusors (3) bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelkante (11) auf der dem Kessel-Diffusor (3) zugewandten Seite ge­ rundet ausgebildet ist.