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Abgaskanal für Gas turbinen
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Die Erfindung betrifft einen Abgaskanal für Gasturbinen, insbesondere
für Hochtenperatur-Gasturbinen, mit eines sich an den Turbinenauslaß anschließenden
Ubergangskanal und einen sich an den Ubergangskanal anschließenden Abgaskamin.
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Mit der Entwicklung der Gasturbinen zu höheren Turbineneintrittsteiperaturen
steigen auch die Abgastemperaturen.
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So erreichen stationäre Gasturbinen bereits Abgastemperaturen von
nehr als 6000 C, wobei mit der Verbesserung der Kühltechnologien für die Turbinenbeschaufelung
noch weitere Steigerungen der Abgastemperaturen zu erwarten sind.
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Die Abgaskanine stationärer Gasturbinen werden gewöhnlich in Stahl
ausgeführt. Die bisher vorwiegend eingesetzten gesselbleche sind aber nur bis zu
Teiperaturen von wenig über 5000 C anwendbar. Höhere Abgastemperaturen erfordern
daher entweder den Ubergang zu höherwertigen und sehr teueren austenitischen Werkstoffen
oder eine wirksame Kühlung der Wandung des Abgaskamins.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für hohe Abgastemperaturen
geeigneten Abgaskanal für Gasturbinen zu schaffen, bei welchem mit geringem baulichen
Aufwand eine wirksame Kühlung der Wandung des Abgaskamins erreicht wird. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Abgaskanal der eingangs genannten
Art zwischen dem Turbinenauslaß und dem Ende des Fußbereichs des Abgaskamins mindestens
ein Ejektor für die Zumischung von Kühlluft zum Abgasstrom angeordnet ist. Unter
Ejektor versteht man in der Strömungstechnik eine Einrichtung zur Beschleunigung
von Strouengen aufgrund eines Impulsaustausches in einer turbulenten Mischzone.
Dies bedeutet auf den vorliegenden Fall bezogen, daß durch den Ejektor im Abgaskanal
eine turbulente Mischzone erzeugt wird und im Bereich dieser turbulenten Mischzone
Kühlluft angesaugt wird.
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Durch die Anordnung eines Ejektore oder auch mehrerer Ejektoren zwischen
dem Turbinenauslaß und dem Ende des Fußbereichs des Abgaskamins wird dem heißen
Abgasstrom eine zur Kühlung der Kaminwandung ausreichende Menge kalter Atmosphärenluft
selbsttätig zugemischt. Die Kühlluft wird hierbei dort zugemischt, wo sie gebraucht
wird, nämlich an der Innenseite der Wandung des Abgaskanals.
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Der Leistungsaufwand für die Zumischung der Kühlluft nach dem Ejektorprinzip
ist gering, d.h. der Gegendruck hinter der Gasturbine steigt durch die Zumischung
der Kühlluft nur geringfügig an. Ebenso ist der bauliche Aufwand für die Herstellung
eines Eåektorsoder mehrerer Ejektor gering, wobei insbesondere hervorzuheben ist,
daß die Kühlluftzumischung keinen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert. Andererseits
ergeben sich durch die wirksane Kühlung der Innenwandung des ibgaskamins erhebliche
Kosteneinsparungen. So kann der Abgaskamin auch bei hohen Abgastemperaturen dünnwandig,
d.h. mit wenig Materialaufwand ausgeführt werden. Weiterhin ist die
mögliche
Temperaturabsenkung mit Sicherheit so groß, daß für die Fertigung des Abgaskamins
billige Werkstoffe, wie Kesselbleche, verwendet werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskanales
ist zur Bildung des Ejektors zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kanalteilen verschiedenen
Querschnitts ein Ringspalt vorgesehen. Der bauliche Aufwand ist hierbei besonders
gering, da sich der Ejektor durch das Aneinanderfügen der beiden verschiedene Querschnitte
aufweisenden Kanalteil praktisch von selbst ergibt. Der Ringspalt bildet den Eintrittsquerschnitt
des Ejektors, so daß durch entsprechende Dimensionierung des Ringspaltes die zugemischte
Kühlluftmenge problemlos dosiert und ggf. gesteuert werden kann.
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Bei einem Abgaskanal mit einem zwischen Ubergangskanal und Abgaskamin
angeordneten Krümmer ist es zweckmäßig, wenn der Ejektor zwischen dem Ende des Ubergangskanales
und dem Anfang des Krümmers angeordnet ist oder wenn der Ejektor zwischen dem Ende
des Krümmers und dem Anfang des Abgas kamines angeordnet ist. An diesen Stoßstellen
der für den Abgaskanal verwendeten Bauteile kann der Ejektor besonders einfach realisiert
werden.
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Bei einem Abgaskanal mit einem im Abgaskanal angeordneten Schalldämpfer
ist es zweckmäßig, wenn der Ejektor in Strömungsrichtung des Abgasstromes gesehen
hinter dem Schalldämpf er angeordnet ist. Der durch den Schalldämpfer im Abgaskanal
hervorgerufene Druckanstieg kann sich bei einer derartigen Anordnung nicht erschwerend
auf die Zumischung der Kühlluft nach dem Ejektorprinzip auswirken, da der Druckanstieg
in Strömungsrichtung gesehen vor dem Schalldämpfer auftritt.
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Anhand einer vereinfacht dargestellten schematischen Zeichnung sind
Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert.
Die Figur zeigt dabei einen Längsschnitt durch den Abgaskanal einer Gasturbine.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht der Abgaskanal aus
einem horizontal angeordneten Ubergangskanal 1, einem vertikal angeordneten Abgaskamin
2 und einem zwischen Ubergangskanal 1 und Abgaskamin 2 angeordneten Krümmer 3.
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Der Ubergangskanal 1 schließt sich eingangsseitig an den Auslaß einer
Gasturbine an, was in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist. An seinem dem Krümmer
3 zugewandten Ende besitzt der Ubergangskanal 3 einenzylindrischen Abschnitt 11
geringeren Durchmessers, welcher durch einen konischen Abschnitt 12 angeschlossen
ist. In Strömungsrichtung des durch Pfeile 4 angedeuteten Abgasstrom gesehen, ist
im Ubergangskanal 1 vor dem konischen Abschnitt 12 ein Schalldämpfer 5 angeordnet.
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An den zylindrischen Abschnitt 11 des Ubergangskanals schließt sich
der horizontale Abschnitt 31 des Krümmers 3 an, wobei die Durchmesser des zylindrischen
Abschnittes 11 und des horizontalen Abschnittes 31 so gewählt sind, daß im Anschlußbereich
ein Ringspalt entsteht. Die derart mit einem Ringspalt versehene Anschlußstelle
bildet einen ersten Ejektor 6, durch welchen ein durch die Pfeile 61 angedeuteter
erster Kühlluftstrom dem heißen Abgasstrom 4 zugemischt wird.
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Der Abgasstrom 4 und der erste Kühlluftstrom 61 werden über ein Unlenkgitter
32 in den vertikalen Abschnitt 33 des Krümmers 3 geführt und von dort aus in den
Abgaskamin 2 weitergeleitet. Die Durchmesser des vertikalen Abschnittes 33 und des
Abgaskamins 2 sind so gewählt, daß im Anschlußbereich ein Ringspalt entsteht.
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Die derart mit einem Ringspalt versehene Anschlußstelle bildet einen
zweiten Ejektor 7, durch welchen ein durch die Pfeile 71 angedeuteter zweiter Kühlluftstrom
dem heißen Abgasstrom 4 zugemischt wird.
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Der erste Kühlluftstrom 61 bewirkt bereits eine wirksame Kühlung des
Krümmers 3 und des Abgaskamins 2, so daß auch bei hohen Abgastemperaturen die Anforderungen
an die thermische Beständigkeit des Werkstoffes, aus welchem der Krümmer 3 und der
Abgaskamin gefertigt sind, herabgesetst werden. Durch den zweiten Kühlluftstrom
71 wird die Innenseite der Wandung des Abgaskamins 2 zusätzlich gekühlt, so daß
für die Fertigung des Abgaskamins 2 auch bei extrem hohen Abgastemperaturen billige
Werkstoffe, wie Sesselblech, verwendet werden können.
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Die Abstützung des grünners 3 auf einem Fundament 8 erfolgt über einen
Ständer 34, während der Abgaskamin 2 über einen Kaminstuhl 21 auf dem Fundament
8 abgestützt ist. Aufgrurl dieser Abstützungen kann im Bereich der Ejektor 6 und
7 eine mechanische Verbindung zwischen dem zylindrischen Abschnitt 11 des Ubergangskanals
1 und dem horizontalen Abschnitt 31 des Krümmers 3 bzw. zwischen dem vertikalen
Abschnitt 33 des Krümmers 3 und dem Abgaskamin 2 entfallen.
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Es ist aber auch ohne wesentliche Beeinträchtigung der zugeführten
Kühlluftmenge möglich, im Bereich des Ringspaltes eines Ejektors beispielsweise
durch radial ausgerichtete Stegbleche eine mechanische Verbindung herzustellen.
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Die durch einen Ejektor zugemischte Kühlluftmenge kann durch eine
entsprechende Dimensionierung des Ringspalts des Ejektors dosiert werden. Eine zusätzliche
Regelung der Kühlluftmenge im Betrieb ist ebenfalls möglich. Hierzu muß lediglich
durch geeignete Stellmittel der Querschnitt des Ringspaltes verändert werden.
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Zusammenfassung Abgaskanal für Gasturbinen Die Erfindung betrifft
einen Abgaskamin für Gasturbinen, insbesondere für Hochtemperatur-Gasturbinen, mit
einem sich an den Turbinenauslaß anschließenden Ubergangskanal (1) und einem sich
an den Ubergangskanal (1) anschließenden Abgaskamin (2). Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Turbinenauslaß und dem Ende des Fußbereichs des
Abgaskamins (2) mindestens ein Ejektor (6, 7) für die Zumischung von Kühlluft (61,
71) zum Abgasstrom (4) angeordnet ist. Ist zwischen Ubergangskanal (1) und Abgaskamin
(2) ein Krümmer (3) angeordnet, so kann ein Ejektor (6) am Ende des Ubergangskanals
(1) und ein Ejektor (7) am Ende des Krümmers (3) gebildet werden. Der erfindungsgemäße
Abgaskanal ist insbesondere für den Einsatz bei Gasturbinen mit hohen Abgastemperaturen
geeignet.
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