DE69302989T2

DE69302989T2 - Gasabfuhrdiffusor für eine Gas Turbine

Info

Publication number: DE69302989T2
Application number: DE69302989T
Authority: DE
Inventors: Liberto Gandia; Jacques Poux; Frederic Rouget
Original assignee: EUROP GAS TURBINES SA
Current assignee: EUROP GAS TURBINES SA
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2013-10-23
Also published as: EP0595692B1; EP0595692A1; US5462088A; DE69302989D1; FR2697287B1; FR2697287A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Auslaßdiffusor einer Gasturbine.
Genauer betrachtet bezieht sich die Erfindung auf einen Auslaßdiffusor für eine Gasturbine, der hinter einer letzten Entspannungsstufe in Form eines Ausgangsmantels mit Kreisquerschnitt und eines zentralen Verdrängungskörpers eingefügt werden soll.
Die Gase verlassen die letzte Entspannungsstufe der Gasturbine mit sehr hoher Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit muß erheblich verringert werden, ehe das Gas in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann, um die Beständigkeit der Bauteile am Auslaß zu gewährleisten, indem Kräfte aufgrund der Strömung verringert werden, um den Wirkungsgrad der Turbomaschine zu verbessern, indem die Strömungsdruckverluste begrenzt werden, und um in geeigneter Weise den Pegel des vom Auslaß der Turbomaschine emittierten Lärms zu verringern.
Die Beherrschung der Diffusion der Auslaßgasströmung ist daher entscheidend für die allgemeinen Leistungen einer Turbomaschine.
Die Abmessung des Mantels und der Diffusionsorgane hat auch einen erheblichen wirtschaftlichen Einfluß, insbesondere wenn, wie derzeit üblich, die Maschinengröße zunimmt, und der kompakte Aufbau des Auslaßmantels ist ein weiteres entscheidendes Kriterium für ein leistungsfähiges Gasauslaßsystem.
Der Ausstoß aus Gasturbinen erfolgt in einem Mantel mit kreisförmigem Querschnitt, und der Auslaß-Luftkanal ist aufgrund des zentralen Verdrängungskörpers bis zu einem gewissen Punkt ringförmig im Querschnitt. Das Ende des zentralen Verdrängungskörpers und damit des ringförmigen Auslaßquerschnitts ist also die kritischste Diffusionszone. An dieser Stelle findet nämlich diese Diffusion ihre Grenzen und stellt eine Quelle für Instabilitäten dar.
Ganz allgemein muß der Ausgang dieses Mantels mit kreisförmigem Querschnitt in einen Mantel mit quadratischem Querschnitt übergehen, damit man einen Querschnitt erreicht, der für das Anbringen von lärmmindernden Vorrichtungen geeignet ist und damit außerdem ein kompakter Gesamtaufbau des Mantels erreicht wird. Dieser Übergang erschwert die Möglichkeit, die Gase korrekt und stabil mit homogenen Geschwindigkeitsprofilen zu verteilen.
Die Druckschrift US-A-3 909 156 schlägt einen Diffusor vor, der zwischen den Ausgang des Mantels mit Kreisquerschnitt und den Eingang eines Mantels mit quadratischem Querschnitt eingefügt werden soll.
Dieser Diffusor enthält einen sich erweiternden Übergangsmantel mit einem gleichen Kreisquerschnitt wie der Ausgangsmantel der letzten Stufe am Eingang und mit einem quadratischen Querschnitt an seinem Ausgang.
Dieser Übergangsmantel löst jedoch nicht die Probleme in Verbindung mit der Instabilität der Strömung im Übergang zwischen einem kreisförmigen und einem quadratischen Querschnitt über kurze Distanz.
Die Erfindung schlägt einen Diffusor der oben beschriebenen Art vor, der die oben erwähnten Probleme der Strömungsinstabilität löst.
Hierzu enthält der oben beschriebene Diffusor außerdem vier ortsfeste Leitbleche in den Mänteln und in der Nähe jeder der Ecken des quadratischen Querschnitts, die die Auslaßgase in die Ecken des quadratischen Querschnitts lenken.
Vorzugsweise wird jedes Leitblech aus einem vierseitigen Blech mit aufeinander senkrecht stehenden Diagonalen gebildet, das entlang der größeren Diagonale zu einem V- Querschnitt gefaltet ist, wobei die Öffnung des V zur Innenwand der Mäntel hin weist.
Vorzugsweise ist der Falz der größeren Diagonale geneigt, wobei sein stromaufwärts gelegenes Ende in der Nähe des Endes des Verdrängungskörpers in einem geringfügig größeren Abstand von der Symmetrieachse des Übergangsmantels als der Radius des Verdrängungskörpers liegt, während sein stromabwärts gelegenes Ende in der Nähe der Ecken des Quadratquerschnitts angeordnet ist.
Die Funktionen und Vorteile dieser Merkmale werden nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt in Perspektive vom Auslaß her gesehen den erfindungsgemäßen Diffusor, der hinter einer letzten Gasturbinenstufe montiert ist.
Figur 2 zeigt in Perspektive und von der Einlaßseite her gesehen den erfindungsgemäßen Diffusor, der hinter einer letzten Gasturbinenstufe montiert ist.
Figur 3 zeigt im Längsschnitt den erfindungsgemäßen Diffusor, der hinter einer letzten Gasturbinenstufe montiert ist, wobei die Gasströmung eingetragen ist.
Der Auslaßdiffusor für eine Gasturbine ist hinter einer letzten Entspannungsstufe eingefügt, die von einem Mantel 1 mit kreisförmigem Querschnitt gebildet wird, in dem sich ein zentraler zylindrischer Verdrängungskörper 2 befindet, dessen Querschnitt zum Auslaß hin abnimmt.
Der Diffusor enthält
- einen sich erweiternden Übergangsmantel 3, der an seinem Eingang einen kreisförmigen Querschnitt gleich dem des Mantels 1 der letzten Stufe und an seinem Ausgang einen quadratischen Querschnitt besitzt,
- vier ortsfeste Leitbleche 4, die in den Mänteln 1 und 3 in der Nähe jeder Ecke des quadratischen Querschnitts liegen und die Auslaßgase in die Ecken des quadratischen Querschnitts lenken.
Die Mäntel 1, 3 sind in bekannter Weise mit Versteifungsstrukturen 9 verstärkt, die auf ihre Außenwand aufgeschweißt sind. Die Leitbleche 4 sind vorzugsweise durch Aufschweißen von in den Figuren 1 und 2 nicht sichtbaren, aber in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 10 versehenen Stäben befestigt, die an jedes Leitblech 4 bzw. die Innenwand des Übergangsmantels 3 angeschweißt sind.
Jedes Leitblech 4 besteht aus einem vierseitigen Blech mit zueinander senkrechten Diagonalen, das entlang seiner größeren Diagonale 5 gemäß einem V-Querschnitt gefaltet ist. Die Öffnung des V weist zur Innenwand der Mäntel 1 und 3 hin. Der Falz der größeren Diagonale 5 verläuft geneigt, wobei das stromaufwärts liegende Ende 6 in der Nähe des Endes des Verdrängungskörpers 2 in einem geringfügig größeren Abstand von der Symmetrieachse 8 des Übergangsmantels 3 als der Radius des Verdrängungskörpers 2 liegt, während das stromabwärts gelegene Ende 7 in der Nähe der Ecken des Quadratquerschnitts liegt.
Die sich daraus ergebende Gasdiffusion ist in Figur 3 angedeutet. Die Auslaßströmung 11 verläuft kreisförmig um den Verdrängungskörper 2. In Höhe des Endes des Körpers 2 gelangt die Strömung nicht in eine besonders instabile Zone, sondern wird durch die die Strömung diffundierenden Leitbleche 4 praktisch vollkommen über die ganze Querschnittsfläche 12 des quadratischen Querschnitts des Übergangsmantels 3 verteilt, indem die Strömung insbesondere in die Ecken dieses Querschnitts gelenkt wird.
Die Verwendung eines Mantels mit einem zum Mantel mit Kreisquerschnitt tangentialen quadratischen Querschnitt verhindert, daß die Diffusion die senkrechten und waagrechten Achsen bevorzugt.
Aufgrund der Leitbleche 4 wird ein Teil des stabilen und energiereichen Fluids in Höhe des Endes des Verdrängungskörpers 2 entnommen und in die Ecken mit maximaler Diffusion gelenkt. Diese Leitbleche 4 lenken das Gas sowohl zunehmend auf die Seiten des quadratischen Querschnitts, als auch einen Teil in die Ecken des quadratischen Querschnitts über den Übergangsmantel 3.
Die Konzeption dieser Leitbleche 4 erlaubt es, einige Meter weiter eine Stabilität des verlangsamten Fluids für einen recht großen Bereich des Einfallswinkels der Strömung von etwa 30º auf die Bleche zu erzielen.
Außerdem ergibt dieser Diffusor bei den am häufigsten vorliegenden Betriebsbedingungen und hinsichtlich des Entwurfs der Gasturbinenanlagen eine ausgezeichnete Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten einige Meter hinter dem Auslaß, wobei das Verhältnis der mittleren Geschwindigkeit zur theoretischen Geschwindigkeit etwa 30% beträgt.
Schließlich erzeugt dieser Diffusor nur geringe Druckverluste, die mit dem Wirkungsgrad der Gasturbine verknüpft sind, und führt zu einem Wirkungsgradgewinn, der bei minimalem Raumaufwand diese Verluste deutlich überschreitet.

Claims

1. Auslaßdiffusor für eine Gasturbine, der hinter einer letzten Entspannungsstufe in Form eines Ausgangsmantels (1) mit Kreisquerschnitt und eines zentralen Verdrängungskörpers (2) eingefügt werden soll und von einem sich erweiternden Übergangsmantel (3) gebildet wird, der an seinem Eingang einen kreisförmigen Querschnitt gleich dem des Ausgangsmantels (1) der letzten Stufe und an seinem Ausgang einen quadratischen Querschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor vier ortsfeste Leitbleche (4) enthält, die in den Mänteln (1, 3), und zwar in der Nähe jeder Ecke des quadratischen Querschnitts angeordnet sind und die Auslaßgase in die Ecken des quadratischen Querschnitts lenken.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitblech (4) aus einem vierseitigen Blech mit aufeinander senkrecht stehenden Diagonalen gebildet wird, das entlang der größeren Diagonale (5) zu einem V-Querschnitt gefaltet ist, wobei die Öffnung des V zur Innenwand der Mäntel (1, 3) hin weist.

3. Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Falz der größeren Diagonale (5) geneigt ist, wobei sein stromaufwärts gelegenes Ende (6) in der Nähe des Endes des Verdrängungskörpers (2) in einem geringfügig größeren Abstand von der Symmetrieachse (8) des Übergangsmantels (3) als der Radius des Verdrängungskörpers (2) liegt, während sein stromabwärts gelegenes Ende (7) in der Nähe der Ecken des Quadratquerschnitts angeordnet ist.