DE19737507A1 - Anordnung zur Beeinflussung des Dralls eines Abgasstroms - Google Patents

Anordnung zur Beeinflussung des Dralls eines Abgasstroms

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Description

Der aus einer Gasturbine tretende Abgasstrom weist einen Drall auf. Der Drallwinkel ist hierbei davon abhängig, ob die Gasturbine einen axialen oder radialen Auspuff hat.
In der Regel wird der aus der Gasturbine tretende Abgas­ strom zunächst einem Gasturbinen-Diffusor zugeleitet. Dem Gasturbinen-Diffusor kann ein Schalldämpfer nachgeschaltet sein. Aus dem Gasturbinen-Diffusor tritt der Abgasstrom in einen Diverter über, wo er je nach Stellung eines schwenkbaren Diverterflügels entweder vollständig oder zum Teil einem nachgeschalteten Kessel-Diffusor bzw. einem zu einem Kamin führenden Bypass zugeleitet wird. Am in Richtung des Abgasstroms hinteren Ende des Kessel-Diffusors ist zumeist ein Wärmeaustauscher oder ein Abhitzekessel angeordnet.
Insbesondere bei einem Gas- und Dampfkraftwerk, wo die Wärmeenergie im Abgasstrom in einem Wärmeaustauscher oder in einem Abhitzekessel in Dampf umgewandelt wird, hat der Drall des Abgasstroms einen erheblichen Einfluß auf den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers oder des Abhitzekes­ sels. Durch den Drall wird nämlich die dem Abgasstrom exponierte Seite des Wärmeaustauschers oder Abhitzekes­ sels nur am äußeren Umfang optimal angeströmt. Der mitt­ lere Bereich der angeströmten Seite wird durch den ver­ drallten Abgasstrom so gut wie gar nicht durchströmt.
Diese Betriebssituation existiert unabhängig davon, ob in dem Gasturbinen-Diffusor ein Schalldämpfer angeordnet ist oder nicht.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Beeinflussung des Dralls eines Abgasstroms zu schaffen, die dazu führt, daß ein von einem Abgasstrom beaufschlagter Wärmeaustauscher oder Abhitzekessel optimal wärmeübertragend angeströmt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Eingliederung eines den Drall des Abgasstroms gleich­ richtenden Einbaus quer in den Abgaskanal führt dazu, daß der Abgasstrom hinter dem Einbau nahezu gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt des auf den Einbau folgenden Längenabschnitts des Abgaskanals verteilt wird. Es ver­ bleibt lediglich ein geringer Restdrall, welcher verhin­ dern soll, daß in einer Regelstellung der Diverterflügel unzulässigen Schwingungen ausgesetzt wird.
Aufgrund der Vergleichmäßigung des Abgasstroms und der damit verbundenen im großen und ganzen ganzflächigen An­ strömung des Wärmeaustauschers oder des Abhitzekessels wird dessen Wirkungsgrad deutlich erhöht. Außerdem ist der Einbau in der Lage, Druck aus der Dynamik des Abgas­ stroms wiederzugewinnen und somit einen eigenen Druckver­ lust zu kompensieren. Je nach Anlage und Art der Gastur­ bine kann aufgrund der verbesserten Abgasführung aus der Gasturbine sogar eine Wirkungsgradsteigerung der Gastur­ bine selber erzielt werden.
Die Konfiguration des Einbaus ist der Querschnittskonfi­ guration des Abgaskanals angepaßt. Danach kann der Einbau rund oder rechteckig ausgebildet sein.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 ist der Einbau umfangsseitig bevorzugt an Isolierkörpern abgestützt. Diese Isolierkörper verhindern folglich sowohl bei einem innen isolierten als auch bei einem innen nicht isolier­ ten Abgaskanal das Entstehen von schädlichen Wärmebrücken zwischen dem Einbau und der Umgebung. Hierbei können die Isolierkörper so aufgebaut sein, daß innere Abschnitte vom Material her an den heißen Einbau und äußere Ab­ schnitte hinsichtlich des Werkstoffs an die kalte Außen­ haut des Abgaskanals angepaßt sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird in den Merkmalen des Anspruchs 3 gesehen. Danach ist der Einbau gitterartig gestaltet. Er weist eine Vielzahl von längsgerichteten ebenen Leitflächen auf, die im Winkel zur Richtung des Abgasstroms angestellt sind. Diese Leit­ flächen können je nach dem Strömungsprofil des Abgas­ stroms mehr oder weniger stark zur Richtung des Abgas­ stroms abgewinkelt sein. Auf jeden Fall bewirken die Leitflächen, daß der auf den umfangsseitigen Bereich des Abgaskanals konzentrierte Drall des Abgasstroms nach dem Verlassen des Einbaus über den gesamten Querschnitt des Abgaskanals gleichmäßig verteilt ist.
Die Leitflächen bilden nach Anspruch 4 bevorzugt Bestand­ teile von in horizontalen und vertikalen Ebenen reihen­ weise nebeneinander vorgesehenen Ablenkkanälen. Diese Ab­ lenkkanäle können bei der Montage des Einbaus sowohl schweiß- als auch schraubtechnisch gefügt werden. Jeder Ablenkkanal weist in bevorzugt rechteckiger Konfiguration vier Leitflächen auf, die mehrere Stromfäden des ver­ drallten Abgasstroms entzerren und vergleichmäßigen.
Der Aufwand für den Einbau wird weiter vereinfacht, wenn entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 die Höhe der Ablenkkanäle etwa ihrer Breite entspricht.
Eine noch bessere Vergleichmäßigung des Abgasstroms wird mit den Merkmalen des Anspruchs 6 erzielt.
Nach den Merkmalen des Anspruchs 7 sind die Ablenkkanäle umfangsseitig eines kanalfreien Zentralbereichs vorgese­ hen. Diese Ausführungsform trifft für die überwiegende Mehrzahl der Einsatzfälle zu. Außerdem wird hierdurch der Aufwand für den Einbau verringert. Da die Leitflächen um­ fangsseitig des Zentralbereichs dem Abgasstrom einen ge­ ringfügigen Widerstand entgegensetzen, erfolgt überdies eine leichtere Durchströmung des kanalfreien Zentralbe­ reichs.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 kann der Einbau aus hitzebeständigem Stahl bestehen.
Denkbar ist aber auch eine Ausführungsform entsprechend Anspruch 9, wonach der Einbau aus einem keramischen Mate­ rial besteht.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 im schematischen vertikalen Längsschnitt eine Abgasstromstrecke zwischen einer Gasturbine und einem Wärmeaustauscher;
Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 1 entlang der Linie II-II;
Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt durch die Dar­ stellung der Fig. 2 entlang der Linie III-III und
Fig. 4 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt IV der Fig. 2.
Mit 1 ist in der Fig. 1 eine Gasturbine bezeichnet. Aus der Gasturbine 1 tritt ein heißer Abgasstrom 2 mit einem Drall 3 und einem Drallwinkel zwischen 15° und 40° aus und in einen Gasturbinen-Diffusor 4 ein. Im Gasturbinen-Diffusor 4 kann ein Schalldämpfer 5 angeordnet sein.
In Richtung des Abgasstroms 2 schließt sich an den Gasturbinen-Diffusor 4 ein Diverter 6 an mit einem darin um eine Achse 7 schwenkbaren Diverterflügel 8. Mit Hilfe des Diverterflügels 8 kann folglich der Abgasstrom 2 vollständig entweder über einen Bypass 9 einem nicht nä­ her dargestellten Kamin oder über einen sich an den Di­ verter 6 anschließenden Kessel-Diffusor 10 einem Wärme­ austauscher 11 zugeführt werden. In der dargestellten Re­ gelstellung des Diverterflügels 8 wird ein Teil des Ab­ gasstroms 2 dem Bypass 9 und ein anderer Teil dem Kessel-Diffusor 10 und damit dem Wärmeaustauscher 11 zugeleitet.
Im Übergang von dem Gasturbinen-Diffusor 4 auf den Diver­ ter 6 ist in den Abgaskanal 12 ein gitterartiger Einbau 13 quer eingegliedert. Dieser aus den Fig. 2 und 3 nä­ her erkennbare Einbau 13 ist umfangsseitig über eine Iso­ lierung 14 durchsetzende Konsolen 15 am kalten Gehäuse­ mantel 16 abgestützt. Die Konsolen 15 sind so aufgebaut, daß keine Wärmebrücke vom Einbau 13 zum kalten Gehäuse­ mantel 16 besteht und somit auch keine Wärmetransmission aus dem Abgaskanal 12 in die Umgebung erfolgen kann.
Der beim Ausführungsbeispiel quadratische Einbau 13 be­ steht aus einer Vielzahl von im Querschnitt rechteckigen Ablenkkanälen 17, die in mehreren Reihen sowohl vertikal als auch horizontal nebeneinander angeordnet sind. Der quadratische Zentralbereich 18 des Einbaus 13 ist kanal­ frei.
Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß die Höhe H der Ablenkkanäle 17 etwa der Breite B entspricht. Indes­ sen ist die Länge L der Ablenkkanäle 17 dreimal so groß wie die Höhe H oder Breite B.
Desweiteren lassen die Fig. 2 bis 4 erkennen, daß die geschlossenen umfangsseitigen Leitflächen 19 der Ab­ lenkkanäle 17 im Winkel α zur Richtung des Abgasstroms 2 angestellt sind. Welchen Anstellwinkel α die einzelnen Leitflächen 19 haben ist von dem Drall 3 und dem Drall­ winkel des jeweiligen Abgasstroms 2 abhängig. Er wird ex­ perimentell ermittelt.
Durch die Vergleichmäßigung des Dralls 3 hinter dem Ein­ bau 13 wird der Abgasstrom 2 über den gesamten Quer­ schnitt des Abgaskanals 12 verteilt und strömt somit ge­ mäß Fig. 1 die komplette Seite 20 des Wärmeaustauschers 11 an.
Statt wie in Fig. 1 in Vollinien dargestellt, kann der den Drall 3 des Abgasstroms 2 gleichrichtende Einbau 13 auch am Übergang von dem Diverter 6 auf den Kessel-Diffu­ sor 10 vorgesehen sein. Dies ist in der Fig. 1 in strichpunktierter Linienführung veranschaulicht.
Bezugszeichenliste
1
Gasturbine
2
Abgasstrom
3
Drall v.
2
4
Gasturbinen-Diffusor
5
Schalldämpfer in
4
6
Diverter
7
Achse v.
8
8
Diverterflügel
9
Bypass
10
Kessel-Diffusor
11
Wärmeaustauscher
12
Abgaskanal
13
Einbau
14
Isolierung v.
12
15
Konsolen f.
13
16
Gehäusemantel
17
Ablenkkanäle in
13
18
Zentralbereich v.
13
19
Leitflächen in
17
20
Seite v.
11
B Breite v.
17
H Höhe v.
17
L Länge v.
17
α Winkel v.
19

Claims (9)

1. Anordnung zur Beeinflussung des Dralls (3) eines aus einer Gasturbine (1) in einen Gasturbinen-Diffusor (4) übertretenden Abgasstroms (2), bei der in Rich­ tung des Abgasstroms (2) hinter dem Gasturbinen-Dif­ fusor (4) ein Diverter (6) angeordnet ist, dem ein den Abgasstrom (2) zu einem Wärmeaustauscher (11) oder einem Abhitzekessel leitender Kessel-Diffusor (10) folgt, wobei am Übergang vom Gasturbinen-Diffu­ sor (4) auf den Diverter (6) oder vom Übergang des Diverters (6) auf den Kessel-Diffusor (10) ein den Drall (3) des Abgasstroms (2) gleichrichtender Einbau (13) quer in den Abgaskanal (12) integriert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (13) um­ fangsseitig an Isolierkörpern (15) abgestützt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (13) git­ terartig gestaltet ist und eine Vielzahl von längsge­ richteten ebenen Leitflächen (19) aufweist, die im Winkel (α) zur Richtung des Abgasstroms (2) ange­ stellt sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (19) Bestandteile von in horizontalen und vertikalen Ebe­ nen reihenweise nebeneinander vorgesehenen Ab­ lenkkanälen (17) bilden.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der Ab­ lenkkanäle (17) etwa der Breite (B) entspricht.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Ablenkkanäle (17) größer als das Zweifache ihrer Höhe (H) bzw. ihrer Breite (B) bemessen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkkanäle (17) umfangsseitig eines kanalfreien Zentralbereichs (18) vorgesehen sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (13) aus hitzebeständigem Stahl besteht.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (13) aus einem keramischen Material besteht.
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