DE4210542A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Bekannte Druckwellenmaschinen für Gasturbinen dieser Art weisen einen Hochdruckaustrittskanal mit einem einzigen Diffusor auf, in dem sowohl die Druckrückgewinnung der Strömungsschichten oder -anteile mit niedriger Strö­ mungsgeschwindigkeit als auch der Strömungsschichten oder -anteile mit höherer Strömungsgeschwindigkeit erfolgt.

Es ist daher nicht möglich, die Druckrückgewinnung der Strömungsschichten mit höherer Strömungsgeschwindigkeit auf einem höheren Druckniveau durchzuführen als bei den Strömungsschichten mit niedriger Strömungsgeschwindig­ keit.

Die Aufgabe, welche mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht in der Schaffung einer Druckwellen­ maschine für eine Gasturbine, bei welcher der Gesamtwir­ kungsgrad durch eine verbesserte Druckrückgewinnung ins­ besondere eine differenzierte Druckrückgewinnung am Hochdruckaustrittskanal der Druckwellenmaschine, ver­ bessert werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gasturbine außer den Merkmalen im Oberbegriff auch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufweist.

Der Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die am Hochdruckaustrittskanal austretenden Strömungsschichten unterschiedlicher Geschwindigkeit nicht mehr wie bisher miteinander gemischt werden müssen. Insbesondere mußten bisher die an den Randzonen des Hochdruckaustrittskanales auftretenden Strömungsschichten von niedriger Strömungs­ geschwindigkeit mit den übrigen Strömungsschichten von höherer Strömungsgeschwindigkeit miteinander gemischt werden. Die Druckrückgewinnung muß nicht mehr auf einem einheitlichen Druckniveau erfolgen, sondern auf höherem bzw. niedrigerem Druckniveau. Es ist nicht mehr notwen­ dig, die Strömungsschichten an den Randzonen von niedri­ ger Strömungsgeschwindigkeit mit den Strömungsschichten im inneren Bereich des Hochdruckaustrittskanales die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit besitzen, miteinander zu mischen.

Die Druckrückgewinnung kann jetzt auf verschiedenen Druckniveaus durchgeführt werden. Insbesondere ist es nicht mehr notwendig, durch eine isenthalpe Drosselung das auf hohem Druckniveau zurückgewonnene Medium wieder auf ein niedriges Druckniveau abzusenken, was insbeson­ dere bei Luft für Kühlzwecke gilt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Diffusors ist im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung aus­ führlich beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die Abwicklung eines zylinderischen Schnittes durch eine an sich bekannte Druckwellenmaschine;

Fig. 2 einem Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab mit dem erfindungsgemäßen Diffusor;

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III in Fig. 1 durch den erfindungsgemäßen Diffusor.

Gemäß Fig. 1 befindet sich ein Zellenrad 10 zwischen zwei Seitenteilen 11 und 12 des nicht näher dargestellten Gehäuses der Druckwellenmaschine. Das Zellenrad 10 ist durch Trennwände 13 in einzelne Zellen 14 unterteilt, welche sich relativ zu den beiden Seitenteilen 11 und 12 in Richtung des Pfeiles D bewegen. Das Zellenrad 10 weist über seinen ganzen Umfang solche Zellen 14 auf; von denen jedoch in Fig. 1 am unteren Ende bloß drei solcher Zel­ len 14 angedeutet sind. Die beiden Seitenteile 11 und 12 weisen eine Anzahl Eintrittsöffnungen 15, 16, 17, 18 und Austrittsöffnungen 19, 20, 21, 22 auf. Die Eintritts­ öffnungen 15 bis 18 besitzen einen gegen das Zellenrad 10 gerichteten Pfeil E und die Austrittsöffnungen 19 bis 22 besitzen einen von Zellenrad 10 weggerichteten Pfeil F. Insbesondere sind zwei größere Lufteintrittskanäle 15 und 16 vorhanden sowie zwei kleinere Gaseintrittskanäle 17 und 18. Ferner sind zwei Gasaustrittskanäle 19 und 20 von größerem Querschnitt, sowie zwei Luftaustrittskanäle 21 und 22 von kleinerem Querschnitt vorhanden. Die in die Zellen 14 einströmende Luft ist mit ausgezogenen Pfeilen E′ angedeutet. Ebenso ist die aus den Zellen 14 ausströ­ mende, verdichtete Luft mit ausgezogenen Pfeilen F′ be­ zeichnet. Hingegen ist das in die Zelle 14 einströmende Hochdruckgas mit gestrichelten Pfeilen E′′ bezeichnet und ebenso ist das aus den größeren Austrittsöffnungen 19 und 20 austretende entspannte Gas mit gestrichelten Pfeilen F′′ angedeutet. Durch ortsfeste Leitschaufeln 23 wird sowohl bei den Lufteintrittskanälen 15, 16 als auch bei den Gasaustrittskanälen 19, 20 die Strömung bei kleineren Drücken verbessert.

Die in Fig. 1 dargestellte Druckwellenmaschine 24 wird als an sich bekannt vorausgesetzt und soll daher hier nicht ausführlich beschrieben werden.

In Fig. 2 ist einer der Austrittskanäle beispielsweise der Luftaustrittskanal 21 oder 22 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Dieser Luftaustrittskanal ist als ein Diffusor 25 ausgebildet und unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Austrittskanal 21 oder 22 im we­ sentlichen dadurch, daß zwei Trennwände 26 und 27 vor­ handen sind. Dieser Diffusor 25 wird durch zwei Wände 28 und 29 des einen oder anderen Seitenteils 11 oder 12 so­ wie die Trennwände 26 und 27 in drei Kanäle A, B und C unterteilt. Sowohl an die Trennwände 26 und 27 als auch die Wände 28 und 29 der Seitenteile 11 oder 12 sind Diffusorwände 31 bis 35 angeschlossen. Die Diffusorwände 30, 31 bilden einen ersten Diffusor A′; die Diffusorwände 34 und 35 bilden eine zweiten Diffusor C′ und die Dif­ fusorwände 32 und 33 bilden eine dritten Diffusor B′. Die beiden äußeren Diffusoren A′ und C′ sind an die beiden Nebenkanäle A und C angeschlossen und der mittlere Dif­ fusor E′ ist an den Hauptkanal B angeschlossen. Ein Querschnitt durch diese drei Kanäle A, B und C ist in Fig. 3 dargestellt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Trennwände 26 und 27 annähernd parallel zu den Wänden 28, 29 der Seitenteile 11, 12 angeordnet sind.

Das in Fig. 2 dargestellte Geschwindigkeitsprofil 30 zeigt, daß in der Nähe der beiden Wände 28 und 29 die Geschwindigkeit der aus strömenden Luft wesentlich kleiner ist als im dazwischenliegenden Bereich. Die Strömungsge­ schwindigkeit der ausströmenden Luft ist daher in den Nebenkanälen A und C wesentlich kleiner, als die Strö­ mungsgeschwindigkeit dieser ausströmenden Luft im Hauptkanal B.

Der Austritt der verdichteten Luft wird in drei separaten Kanälen A, B und C aufgeteilt, in denen verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten herrschen. In den beiden Ne­ benkanälen A und C wächst die Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Luft von der Wand 28 bzw. 29 gegen die Trennwand 26 bzw. 27 stetig an. Im Hauptkanal B herrscht zwischen den beiden Trennwänden 26 und 27 eine im we­ sentlichen konstante Strömungsgeschwindigkeit.

Es ist aus Theorie und Experiment bekannt, daß bei Druckwellenmaschinen wegen der Öffnungs- und Sehließvorgänge an den Kanten und Wänden der Kanäle die Ge­ schwindigkeit der aus strömenden Luft oder Gase stark vermindert wird, so daß das in Fig. 2 gezeigte, abge­ flächte Geschwindigkeitsprofil entsteht. Ein Diffusor kann jedoch den Druck nur optimal zurückgewinnen, falls am Anfang des Austrittskanals ein ausgeglichenes Ge­ schwindigkeitsprofil vorherrscht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird das durch die Ein­ trittsöffnungen 17 und 18 eintretende Gas entspannt und den Austrittsöffnungen 19 und 20 zugeführt. Ferner wird die durch die Eintrittsöffnungen 15 und 16 eintretende Luft verdichtet und den Austrittsöffnungen 21 und 22 zu­ geführt. Die Druckwellenmaschine 25 bildet somit einen Energieaustauscher, bei dem die Diffusoren einen bedeu­ tenden Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad der Maschine haben. Es muß daher angestrebt werden, für den größten Teil der ausströmenden Luft den Druck in maximaler Weise zurückzugewinnen.

Dies gelingt hier durch die Unterteilung eines Diffusors in zwei Nebendiffusoren A′ und C′ mit niedrigen Luftge­ schwindigkeiten und einem Hauptdiffusor B′ mit möglichst konstanter höherer Luftgeschwindigkeit. Durch Abtrennen der impulsarmen, langsamen Luftschichten entlang den beiden Trennwänden 26 und 27 können am Anfang des Kanals B optimale Randbedingungen für die Strömung geschaffen werden.

Dies hat den Vorteil, daß einerseits der Hauptdiffusor B′ bei richtiger Auslegung mit bestem Wirkungsgrad ar­ beiten kann und daß andererseits in den beiden Neben­ diffusoren A′ und C′ Luft erzeugt wird, die zur Kühlung von Komponenten auf einem tieferen Niveau direkt verwen­ det werden kann. Es wäre aus exergetischer Sicht wenig sinnvoll, Luft für Kühlzwecke auf einem tieferen Druck­ niveau direkt durch isenthalpe Drosselung zu erzeugen.

Bezugsziffern

10 Zellenrad
11 Seitenteil
12 Seitenteil
13 Trennwände
14 Zellen
15 Lufteintrittskanal
16 Lufteintrittskanal
17 Gaseintrittskanal
18 Gaseintrittskanal
19 Gasaustrittskanal (großer Querschnitt)
20 Gasaustrittskanal (großer Querschnitt)
21 Luftaustrittskanal (kleiner Querschnitt)
22 Luftaustrittskanal (kleiner Querschnitt)
23 Leitschaufel
24 Druckwellenmaschine
25 Diffusor
26 Trennwand
27 Trennwand
28 Wand
29 Wand
30 Geschwindigkeitsprofil

Claims (7)

1. Gasturbine mit einer als Energieaustauscher ausge­ bildeten Druckwellenmaschine (24) und einer mit dem Hochdruckaustrittskanal (21, 22) der Druckwellenma­ schine (24) verbundenen Diffusoreinrichtung (25), ge­ kennzeichnet durch Mittel (A, B, C) zur getrennten Druckrückgewinnung aus den Strömungsanteilen hoher Geschwindigkeit und aus den Strömungsanteilen niedri­ ger Geschwindigkeit.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur getrennten Druckrückgewinnung durch mindestens zwei Teilkanäle (A, B und C) für die niedrigere und die größere Strömungsgeschwindigkeit gebildet werden; und jedem Teilkanal (A, B, C) ein separater Diffusor (A′, B′, C′) zugeordnet ist, zur Druckrückgewinnung auf unterschiedlichem Druckniveau.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochdruckaustrittskanal (21, 22) mindestens eine Trennwand (26, 27) angeordnet ist, zur Bildung mindestens eines Hauptkanals (B) für die höhere Strö­ mungsgeschwindigkeit und mindestens eines Nebenkanales (A, C) für die niedrigere Strömungsgeschwindigkeit und daß dem Hauptkanal (B) ein erster Diffusor (B) und dem Nebenkanal (A, C) ein zweiter Diffusor (A, C) zugeordnet ist.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (26, 27) ringförmig ausgebildet ist und daß im Innern der Trennwand (26, 27) ein Haupt­ kanal (B) und außerhalb der Trennwand (26, 27) ein ringförmiger Nebenkanal (A, C) angeordnet ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wänden (28, 29) des Hochdruckaustrittskanals (21, 22) zwei Trennwände (26, 27) angeordnet sind, zur Bildung eines Hauptkanals (B) zwischen den beiden Trennwänden (26, 27) und je eines Nebenkanals (A, C) zu beiden Seiten des Hauptkanals (B) zwischen je einer der Wände (28, 29) und je einer der Trennwände (26, 27); und jedem Kanal (A, B, C) ein Diffusor (A′, B′, C′) zugeordnet ist.

6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkanäle (A, C) mit den zugeordneten Diffusoren (A′, C′) zur Aufnahme impuls­ armer Strömungsschichten und der Hauptkanal (B) mit dem zugeordneten Diffusor (B′) zur Aufnahme impuls­ reicher Strömungsschichten der gesamten Strömung dienen.

7. Gasturbine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Diffusoren (A′, B′, C′) in Umfangsrichtung der Druckwellenmaschine erweitern.