DE69202434T2

DE69202434T2 - Gasabfuhrsystem für eine Gasturbine.

Info

Publication number: DE69202434T2
Application number: DE69202434T
Authority: DE
Inventors: John Malcolm Hannis
Original assignee: Alstom Power UK Holdings Ltd
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-10-23
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2012-10-10
Also published as: GB2261474B; ES2072711T3; DE69202434D1; AU649166B2; US5279358A; GB2261474A; GB9122440D0; EP0539067A1; AU2633292A; EP0539067B1

Description

Diese Erfindung betrifft Gasabfuhrsysteme für Gasturbinen, bei denen ein beträchtlicher Anteil der Energie im Abgas vorliegt. Diese Energie, im wesentlichen Wärme, kann z.B. nutzbringend in kombinierten Kraft-Wärme-Systemen verwendet werden. In solchen Systemen wird die Turbine als Antriebsmaschine zur Erzeugung von Elektrizität verwendet und das Abgas wird durch einen Wärmetauscher geleitet, um Dampf zu erzeugen oder um auf andere Art und Weise die die Wärmeenergie aus dem Abgas wiederzugewinnen.
Es ist eine häufige Anforderung an solche Systeme, daß die Erzeugung von Dampf durch den Anteil des heißen Abgases gesteuert wird, welcher den Wärmetauscher passiert, wobei überschüssiges Gas in einer Bypassvorrichtung durch einen Abgasschacht zur Atmosphäre umgeleitet wird.
Herkömmliche Bypassvorrichtungen verwenden gewöhnlich ein Hauptrohr und ein Bypassrohr, das davon im rechten Winkel abzweigt. Ein Absperrorgan an der Verzweigung erlaubt dem Abgas entweder axial entlang des Hauptrohrs weiterzuströmen oder leitet einen Teil oder alles Gas in das Bypassrohr um, siehe z.B. ältere Druckschrift DE-B-1 035 977. Diese Ablenkung des Abgases verursacht erhebliche Störungen im Gasfluß und die sich ergebenden ungünstigen Kräfte können die Turbinennutzleistung vermindern und können sogar ein vorzeitiges Versagen der Turbinenschaufeln oder des Rohrleitungssystems bewirken.
Solche Rückwirkungen von Flußstörungen auf die Turbinennutzleistung können zumindest teilweise vermindert werden, indem die Länge des Rohrabschnitts vergrößert wird, besonders zwischen dem Maschinenauslaß und dem Bypassabschnitt. Solch eine Vergrößerung der Gesamtabmessungen ist nicht immer möglich und ist auf jeden Fall unerwünscht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deswegen, ein kompaktes Gasabfuhrsystem für Gasturbinen mit einem steuerbaren Bypass vorzustellen, welches einen günstigen Abgasfluß gestattet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Gasabfuhrsystem für Gasturbinen einen geraden Rohrabschnitt mit einem axialen Einlaß, um Abgas von einer Gasturbine aufzunehmen und einen axialen Auslaß, um Abgas an einen Wärmetauscher auszustoßen, eine Kammer, die den Rohrabschnitt umgibt und dicht mit ihm verbunden ist, wobei der Rohrabschnitt an mehreren Positionen entlang seines Umfangs in die Kammer entlüftet wird und die Kammer einen Auslaß quer zur Achse des Rohrabschnitts besitzt, um einen Pfad zu speisen, der den Wärmetauscher umgeht und Absperrvorrichtungen, die angepaßt sind, um das Verhältnis der Abgasflüsse durch den axialen Auslaß und den Kammerauslaß zu steuern.
Es ist eine Vielfalt von Schlitzen in der Wand des Rohrabschnitts denkbar, durch welche der Rohrabschnitt entlang seines Umfangs in die Kammer entlüftet wird. Die Schlitze sind vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Rohrabschnitts verteilt und erstrecken sich parallel zur Achse des Rohrabschnitts.
Der axiale Auslaß und der Kammerauslaß können jeweils steuerbare Absperrabschnitte besitzen, um Abgas selektiv durch den axialen Auslaß und den Kammerauslaß zu leiten. Vorrichtungen können vorgesehen sein, um die Steuerung der Absperrabschnitte zu koppeln.
Alternativ kann eine zylindrische Verschlußvorrichtung montiert sein, die den Rohrabschnitt umschließt, wobei die Verschlußvorrichtung Öffnungen besitzt, die wahlweise mit dem Schlitzen ausgerichtet oder versetzt zu den Schlitzen sein können. In diesem Falle können die Öffnungen der Verschlußvorrichtung annähernd Dreiecksform besitzen und so angeordnet sein, daß die Rotation der Verschlußvorrichtung in eine Richtung ein wachsendes Teilstück von jedem der Schlitze freigibt.
Der axiale Auslaß kann einen Absperrabschnitt besitzen, der in Verbindung mit der Verschlußvorrichtung gesteuert wird, um selektiv Abgas durch den axialen Auslaß und den Kammerauslaß zu leiten.
Der Rohrabschnitt besitzt vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt und die Kammer besitzt zumindest teilweise einen kreisförmigen Querschnitt.
Der Rohrabschnitt und die Kammer können konzentrisch sein oder der Mittelpunkt des Rohrabschnitts kann versetzt sein zum Mittelpunkt der Kammer in Richtung vom Kammerauslaß weg, wobei die Anordnung so ist, daß die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit des Abgasflusses durch die Kammer verbessert wird.
Der axiale Auslaß des geraden Rohrabschnitts beinhaltet vorzugsweise einen Aufteilabschnitt, der unmittelbar der Kammer nachgeschaltet ist, wobei der Aufteilabschnitt eine Vielzahl von Trennplatten umfasst, die in Gasflußrichtung ausgerichtet sind und angepaßt sind, um Störungen des Flusses zu unterdrücken, die durch den Absperrabschnitt am axialen Auslaß entstehen.
Eine Ausführungsform für ein Gasabfuhrsystem für Gasturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhalber und anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
Figuren 1, 2 und 3 jeweils eine Seitenansicht, eine Ansicht von vorn und eine Ansicht von oben eines Abgasbypassabschnittes;
und Figur 4 die Seitenansicht eines modifizierten Bypassabschnittes.
Betrachtet man die Figuren, so sieht man, daß der Hauptabschnitt des Gasabfuhrsystems einen geraden Rohrabschnitt 1 mit kreisförmigem Querschnitt beinhaltet, dessen Achse mit 3 bezeichnet ist. Dieser Rohrabschnitt hat einen Einlaßflansch 5 und einen axialen Auslaß 7, wobei die Richtung des Gasflusses durch den Pfeil angezeigt wird. Der kreisförmige Abschnitt endet an einem Übergangsstück 9 von kreisförmigen auf quadratischen Querschnitt, welchem ein Absperrabschnitt 11 folgt, der Absperrorgane mit drehbaren Flügelklappen 13 in dem quadratischen Absperrabschnitt aufweist.
Der kreisförmige Rohrabschnitt 1 wird von einer Kammer 15 umgeben, die dicht mit dem Rohr 1 verbunden ist und so ein Volumen außerhalb des Rohrs 1 einschließt. Das Rohr 1 wird durch elf Schlitze 17 in der Rohrwand, die parallel zur Achse 3 verlaufen, in diese Kammer entlüftet. Die Schlitze haben eine Länge von ungefähr 80% des Rohrdurchmessers, eine Breite von etwa 7% des Rohrdurchmessers, sind gleichmäßig entlang des Umfangs des Rohrs verteilt und der Länge nach mit der Rohrachse ausgerichtet.
In einer Richtung quer zur Achse 3 geht die Kammer 15 in einen quadratischen Absperrabschnitt 19 über, wie in Fig. 3 in der Ansicht von oben gezeigt. Der Kammerauslaß (bei Flansch 21) wird so durch Flügelklappen 23 gesteuert.
Während des Betriebes wären die Bypassklappen (Flügelklappen) 23 normalerweise geschlossen, falls der Wärmetauscher, der mit dem axialen Auslaß 7 verbunden ist, die gesamte bereitgestellte Wärme annehmen kann. Wenn die Belastung des Wärmetauschers gering ist und die Wärme, mit der er versorgt wird, nicht abgeführt werden kann, dann werden Temperatursensoren und Steuervorrichtungen (nicht gezeigt) wirksam, um die Absperrorgane des Absperrabschnittes 11 zu schließen und diejenigen des Bypassabsperrabschnittes 19 zu öffnen. Diese Operationen werden gleichzeitig durchgeführt, um den Gesamtabgasfluß der Gasturbine so wenig wie möglich zu stören. Der Grad, bis zu dem die Absperrorgane 13 und 23 jeweils geschlossen und geöffnet werden, wird gemäß den Anforderungen des Wärmetauschers gesteuert.
Die Entlüftung des (axialen) Hauptrohrs 1 in die Kammer 15 durch die Schlitze 17 hat sich als geeignet erwiesen, die Störungen des Gasflusses stromaufwärts des Bypassabschnittes zu reduzieren und so nur eine geringfügige Verschlechterung der Turbinennutzleistung zu verursachen. Die Auswahl der Anzahl von elf Schlitzen trägt ebenfalls zur Unterdrückung von schädlichen Resonanzen in der Turbine bei. Dieser Effekt wird ferner durch die Primzahleigenschaft der Schlitzanzahl unterstützt. Solche charakteristischen Merkmale werden wie auch immer von einer Anlage zur anderen variieren.
In dem Übergangsbereich 9, der unmittelbar der Kammer 15 nachgeschaltet ist, ist ein Satz von Trennplatten oder Spaltvorrichtungen 25 zur Unterstützung montiert, um den Fluß stromlinienförmig zu gestalten. Diese Trennplatten sind linear und erstrecken sich quer durch den Übergangsbereich 9 in Ebenen, zu denen die Achse des Bypasses senkrecht steht.
Es hat sich herausgestellt, daß diese Trennplatten im Falle von teilweisem Hauptfluß und teilweisem Fluß durch den Bypass wirksam sind, um Störungen im Fluß stromaufwärts abzuschwächen. Die Trennplatten sind deshalb ein wahlfreies Merkmal, das einbezogen werden kann je nach den bekannten oder erwarteten Betriebsbedingungen.
Als Alternative zu dem Bypassabsperrabschnitt 19 kann eine Verschlußvorrichtung verwendet werden, die direkt mit dem geschlitzten Rohr 1 zusammenarbeitet. Eine solche Anordnung kann eine Verschlußvorrichtung in der Form eines Zylinders beinhalten, die den geschlitzten Bereich des Rohrs 1 umschließt und um sie drehbar ist. Die Verschlußvorrichtung hat eine Reihe von dreieckigen Öffnungen, eine für jeden Schlitz. Die Verschlußvorrichtung kann gedreht werden, so daß jeder der Schlitze 17 vollständig aufgedeckt (offen), vollständig geschlossen oder teilweise geöffnet ist je nach Ausrichtung von Verschlußvorrichtungsöffnung und Schlitz. Solch eine Verschlußvorrichtung wird durch einen Hebelmechanismus synchron zu den Hauptauslaßklappen 13 betätigt. Diese Anordnung verbessert die Gleichförmigkeit der Fließgeschwindigkeit quer durch das Kammerauslaßrohr, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wenn die Absperrorgane teilweise geöffnet sind.
Es ist klar, daß die Schlitze 17 nicht der Länge nach angeordnet sein müssen, wie gezeigt: Sie können einen bestimmten Winkel mit der Achse bilden. Im Falle einer solchen Auslegung könnten die obigen Öffnungen der Verschlußvorrichtung rechteckig sein.
Eine Abänderung der Kammeranordnung relativ zum Hauptrohr 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Achse 3 des Rohrs 1 ist um ein sechstel des Rohrdurchmessers versetzt zur Kammerachse 4 und zwar in der Richtung vom Kammerauslaß 21 weg. Diese versetzte Anordnung bewirkt eine gleichförmigere Fließgeschwindigkeit in der Kammer 15.

Claims

1. Gasabfuhrsystem für Gasturbinen, welches einen geraden Rohrabschnitt (1) mit einem axialen Einlaß (5) aufweist, um Abgas von einer Gasturbine aufzunehmen und einen axialen Auslaß (7), um Abgas an einen Wärmetauscher auszustoßen, wobei das System gekennzeichnet wird durch eine Kammer (15), die den Rohrabschnitt (1) umgibt und dicht mit ihm verbunden ist und wobei der Rohrabschnitt (1) an mehreren Positionen (17) entlang seines Umfangs in die Kammer (15) entlüftet wird und die Kammer einen Auslaß (21) quer zur Achse (3) des Rohrabschnitts besitzt, um einen Pfad zu speisen, der den Wärmetauscher umgeht und Absperrvorrichtungen (13,23), die angepaßt sind, um das Verhältnis der Abgasflüsse durch den axialen Auslaß (7) und den Kammerauslaß (21) zu steuern.

2. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Schlitzen (17) in den Wänden des Rohrabschnitts (1), wobei die Entlüftung des Rohrabschnitts (1) in die Kammer (15) entlang des Umfangs des Rohrabschnitts erfolgt.

3. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 2, wobei die Schlitze (17) in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Rohrabschnitts (1) verteilt sind und sich parallel zur Achse (3) des Rohrabschnitts (1) erstrecken.

4. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der axiale Auslaß (7) und der Kammerauslaß (21) jeweils steuerbare Absperrabschnitte (11,19) haben, um Abgas selektiv durch den axialen Auslaß (7) und den Kammerauslaß (21) zu leiten.

5. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 4, wobei Vorrichtungen vorhanden sind, um die Steuerung der Absperrabschnitte (11,19) zu koppeln.

6. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine zylindrische Verschlußvorrichtung montiert ist, die den Rohrabschnitt 1 umschließt und die Öffnungen besitzt, die wahlweise mit den Schlitzen ausgerichtet oder zu den Schlitzen versetzt sein können.

7. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 6 in Abhängigkeit von Anspruch 3, wobei die Öffnungen annähernd Dreiecksform besitzen und so angeordnet sind, daß die Rotation der Verschlußvorrichtung in eine Richtung ein wachsendes Teilstück von jedem der Schlitze freigibt.

8. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der axiale Auslaß (7) einen Absperrabschnitt besitzt, der in Verbindung mit der Verschlußvorrichtung gesteuert wird, um selektiv Abgas durch den axialen Auslaß (7) und den Kammerauslaß (21) zu leiten.

9. Gasabfuhrsystem nach jedem vorhergehenden Anspruch, wobei der Rohrabschnitt (1) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und die Kammer (15) zumindest teilweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

10. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 9, wobei der Rohrabschnitt (1) und die Kammer (15) konzentrisch sind.

11. Gasabfuhrsystem nach Anspruch 9, wobei der Mittelpunkt (3) des Rohrabschnitts (1) versetzt ist zum Mittelpunkt der Kammer (15) und zwar in Richtung vom Kammerauslaß (21) weg und die Anordnung so gewählt ist, daß die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit des Abgasflusses durch die Kammer verbessert wird.

12. Gasabfuhrsystem nach jedem der Ansprüche 4, 5 und 8, wobei der axiale Auslaß (7) des geraden Rohrabschnitts einen Aufteilabschnitt (9) enthält, der unmittelbar der Kammer (15) nachgeschaltet ist und dieser Aufteilabschnitt (9) eine Vielzahl von Trennplatten (25) umfasst, die in Gasflußrichtung ausgerichtet sind und angepaßt sind, um Störungen des Flusses zu unterdrücken, die durch den Absperrabschnitt am axialen Auslaß (11) entstehen.