EP2593643B1 - Abgasdiffusor für eine gasturbine und verfahren zum betreiben einer gasturbine mit einem solchen abgasdiffusor - Google Patents

Abgasdiffusor für eine gasturbine und verfahren zum betreiben einer gasturbine mit einem solchen abgasdiffusor Download PDF

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EP2593643B1
EP2593643B1 EP11735628.7A EP11735628A EP2593643B1 EP 2593643 B1 EP2593643 B1 EP 2593643B1 EP 11735628 A EP11735628 A EP 11735628A EP 2593643 B1 EP2593643 B1 EP 2593643B1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
diffuser
wall
flow
guiding element
Prior art date
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EP11735628.7A
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French (fr)
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EP2593643A1 (de
Inventor
Marc Bröker
Tobias Buchal
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
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    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved
    • F05D2250/711—Shape curved convex

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas diffuser for a gas turbine, having an annular outer wall for guiding the diffuser flow, in which an outer wall concentrically arranged annular guide element for influencing the diffuser flow is provided. Furthermore, the invention relates to a method for operating a gas turbine with an exhaust gas diffuser of the aforementioned type.
  • Gas turbines and the exhaust diffusers used for these are known from the prior art for the longest time.
  • This rather large opening angle is achieved by providing in the center of the diffuser channel an axially extending guide body for extending an otherwise short gas turbine hub.
  • the exhaust gas diffuser is designed as a ring diffuser.
  • larger areas are avoided by
  • the known short gas turbine hubs usually end immediately behind the turbine-side bearing of the gas turbine rotor. However, they have particularly large backflow zones. However, the short gas turbine hubs are also particularly inexpensive.
  • an exhaust gas diffuser which has a concentric to the outer wall annular guide element inside.
  • the guide element is designed such that between the outer wall and the guide element, a nozzle channel is formed, by means of which the wall near flow can be accelerated. This makes it possible, downstream of the guide element to avoid near wall flow separation.
  • influencing the flow in the center of the exhaust gas diffuser, where backflow can occur, is not possible with the aid of the guide element.
  • the invention has for its object to provide a space-saving exhaust diffuser for a gas turbine, which avoids flow separation and/strömzonen for each operating condition of the gas turbine and achieve safe operation of the gas turbine downstream boilers and afterburner for each operating state of the gas turbine while achieving the highest possible efficiency of the gas turbine ,
  • Another object of the invention is to provide a method for operating a gas turbine with an exhaust gas diffuser.
  • the exhaust gas diffuser according to the invention for a gas turbine has an annular outer wall for guiding the diffuser flow, in which an annular guide element arranged concentrically to the outer wall is provided for influencing the diffuser flow, wherein a radially inwardly directed surface of the guide element forms a circumferential, convex contour in longitudinal section for formation a displacement element and the guide element is axially displaceable between two positions, such that the guide element in a first position allows a flow between the guide element and the outer wall and in a second position prevents flow between the guide element and the outer wall.
  • the method according to the invention for operating a gas turbine with an exhaust gas diffuser provides that, as the mass flow through the gas turbine increases, the guide element in the direction of the second position or up to the second position and / or when reducing the mass flow, the guide element in the direction of the first position or until is moved to the first position.
  • the invention is based on the finding that at low mass flows, as they occur on hot days and partial load operation in the gas turbine, the main portion of the mass flow in the exhaust gas diffuser of the gas turbine to the outside, ie towards the outer wall, relocated, so that it to a very pronounced and long backflow zone behind the hub comes.
  • For large mass flows, such as occur on cold days or at full load the majority of the mass flow shifts towards the inside, ie to the hub or to the center. This reduces the proportion of the flow, which is close to the outer wall, resulting in flow separation at the Outside wall can lead.
  • the invention combines two measures in an unforeseeable way.
  • the guide element is designed axially displaceable, whereby the distance between the guide element and outer wall is adjustable. As the distance increases, a greater portion of the flow can be diverted toward the outer wall, reducing the likelihood of near-wall flow separation.
  • the guide element on its inwardly directed surface on a circumferential, convex contour in longitudinal section to form a displacement element. This gives the inner contour of the annular guide element in the form of a Laval nozzle.
  • the diffuser flow captured by the guide element is deflected more towards the hub or toward the diffuser center. This applies all the more, the greater the relative area fraction of the circular opening of the guide element is in relation to the position-dependent flow-through cross-sectional area of the exhaust gas diffuser per se.
  • the guide element arranged in the second position-the guide element bears against the outer wall-the cross-sectional area of the exhaust gas diffuser corresponds to the cross-sectional area of the guide element.
  • the ratio is thus equal to 1.
  • the invention is thus based on the unexpected finding that, despite the use of an inwardly directed constriction, strengthening of the near-wall current is possible. Accordingly, with the solution according to the invention the efficiency of the exhaust gas diffuser can be improved independently of the size of the mass flow, since aerodynamic losses, which are due to relatively large backflow zones or based on near-wall flow separation, are largely avoided.
  • the displacement element when the guide element is arranged in the second position, the displacement element is arranged in that axial section of the exhaust gas diffuser, in which a hub body arranged in the center of the exhaust gas diffuser ends axially. Due to the end of the hub body arranged in the center, return flow zones, which can be shortened by means of the constriction arranged on the guide element, are created in its flow shadows. For this purpose, it is necessary that the constriction is located axially immediately downstream of the end of the hub body. Too much axial distance between the end of the hub body and the axial position of the constriction must be avoided in order for the constriction to have the aerodynamically desired effects of displacing a flow rate to the center, i. to the center of the exhaust diffuser - also achieved.
  • a radially outwardly directed surface of the guide element on a portion of the outer wall can be applied flat. Due to the planar contact of the guide element on the outer wall, a minimal gap near the wall is effectively avoided, since the guide element is particularly close to the outer wall is applied. In size too small, and thus ineffective wall currents are thus effectively avoided.
  • the guide element is supported by distributed along the circumference of the outer wall ribs.
  • This arrangement allows a simple construction for supporting the guide element.
  • the ribs are rigidly secured to the outer wall, wherein at the inner end of each rib a drive for axial displacement of the guide element is provided.
  • double-sided acted upon hydraulic piston are provided by means of which the guide element relative to the ribs and thus also with respect to the outer wall can be moved axially.
  • This first variant has the advantage that both ribs and guide element can be designed to be rigid in their dimensions. That neither the diameter of the guide element nor the length of the ribs must be variable in order to ensure the displaceability of the guide element can.
  • the ribs are each articulated on the outer wall and on the guide element, wherein the axis of rotation of the joints extend in the tangential direction of the exhaust gas diffuser.
  • This embodiment has the advantage that the drive for axial displacement of the guide element is displaced from the flow channel of the exhaust gas diffuser in a slightly colder region of the gas turbine, which reduces the requirements for the drive with respect to the temperature resistance.
  • the ribs since the use of a diameter-constant guide element is preferred, in this case, the ribs must be variable in their radial extent. Conveniently, the ribs are then telescopically movable to adjust their length during the displacement of the guide.
  • a stationary gas turbine is equipped with an exhaust diffuser of the aforementioned embodiments.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal partial section. It has inside a rotatably mounted about a machine axis 2 rotor 3, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 3 successive an intake 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with a plurality of rotationally symmetrical to each other arranged burners 7, a turbine unit 8 and an exhaust housing 9.
  • the annular combustion chamber 6 surrounds a combustion chamber 17 which is connected to an annular hot gas duct 16 , There four successively connected blade stages 10 form the turbine unit 8. Each blade stage 10 is formed of two blade rings.
  • a hot gas 11 produced in the annular combustion chamber 6 follows in the hot gas duct 16 each of a row of vanes 13 formed by a blade 15 row 14.
  • the vanes 12 are attached to the stator, whereas the blades 15 a row 14 each by means of a disc 19 on the rotor 3 are attached.
  • a generator or a working machine (not shown) is coupled.
  • the exhaust gas housing 9 adjoins the hot gas duct 16.
  • the exhaust gas housing 9 is the inlet-side part of an exhaust gas diffuser 20 of the gas turbine 1.
  • the hot gas channel 16 merges into the flow channel 22 of the exhaust gas diffuser 20.
  • the arranged in the exhaust housing 9 ribs 24 support the turbine-side end of the rotor 3, which is encapsulated by a hub body 26.
  • the hub body 26 ends axially in the flow channel 22 and is arranged in the center of the exhaust gas diffuser 20.
  • the outer boundary of the exhaust diffuser 20 is formed by an outer wall 28 which is circular and concentric with the machine axis 2.
  • the outer wall 28 extends divergently in the flow direction of the diffuser flow 30, which is referred to as hot gas 11 before expansion in the turbine unit 8.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the inflow-side portion of the exhaust diffuser 20.
  • an axially displaceable guide element 32 is arranged in the axial portion in which the hub body 26 ends axially.
  • the outwardly directed surface of the guide element 32 in this case has the same conicity as the outer wall 28, so that the guide element 32 rests flat against the outer wall 28.
  • the inwardly facing surface 34 of the guide element 32 has a circumferential, concave in longitudinal section contour to form a displacement element. The contour is designed so that the encompassed by the annular guide element 32 flow cross-section is designed in the manner of a Laval nozzle.
  • an inflow-side flow cross-section of the guide element 32 is greater than a minimum flow cross-section of the guide element 32, wherein the outlet-side flow cross section is greater than the inflow-side flow cross section.
  • the minimum flow cross section is located axially between the inflow-side flow cross-section and the outflow-side cross section.
  • the respective flow cross section is always perpendicular to the machine axis 2.
  • FIG. 3 is the identical portion of the exhaust diffuser 20 as in FIG FIG. 2 shown, only the guide element 32 is opposite to in FIG. 2 Position shown shifted in the axial direction.
  • the guide element 32 is located according to FIG. 3 now downstream of the in FIG. 2 shown position. In the FIG. 3 shown position of the guide element 32 is used as the first position of the guide element 32 and in FIG. 2 shown position of the guide element 32 referred to as the second position.
  • annular flow passage 36 through which a part of the diffuser flow 30 can flow, arises between the inner surface of the outer wall 28 and the outwardly facing surface of the guide element 32.
  • the gas turbine 1 is flowed through by rather smaller mass flows of hot gas 11 or exhaust gas 30. Due to the smaller mass flow, a major portion of the exhaust gas flow shifts to the outside, so far it came to a very pronounced and long backflow zone behind the hub body 26. According to the invention it is now provided that the guide element 32 is moved to the second position. As a result, the constriction is comparatively close to the hub body 26. This causes the exhaust gas 30 to be deflected more intensively in the direction of the center axis 2 (30 '), which significantly reduces the backflow region in the axial section behind the hub body 26. This aerodynamically reduces losses, increases the pressure recovery, and even out the velocity and flow profile in the exhaust diffuser 20.
  • the gas turbine is flowed through by a comparatively large mass flow.
  • the guide element 32 in the axial direction moved to a first position. Due to the displacement, the relative obstruction of the flow cross section of the exhaust gas diffuser 20 decreases due to the guide element 32. Furthermore, in this way, the annular flow passage 36 between the outer wall 28 and the outer surface of the guide element 32. The flow through this passage 36 leads downstream of the guide member 32 to a wall jet, which reduces the increased risk of flow separation on the outer wall 28 for this operating condition ,
  • FIG. 4 shows a detail of the drive of the axially displaceable guide element 32.
  • the guide element 32 is held by a plurality of circumferentially distributed along the circumference of the exhaust diffuser 20 ribs 40.
  • Each of the ribs 40 is rigidly secured to the outer wall 28, but in FIG. 4 not shown.
  • the ribs 40 protrude radially into the flow channel 22.
  • hydraulic cylinders 45 are each provided at an inner end 42 of the ribs 40, whose axially displaceable piston 46 are attached to the guide element 32.
  • the piston 46 can be moved in the axial direction, which leads to the displacement of the guide element 32 in the same direction. If necessary, due to the comparatively high Exhaust gas temperatures to be useful cooling of the adjustment and the supply lines for hydraulic oil.
  • the invention provides an exhaust gas diffuser 20 for a gas turbine 1, which has an annular outer wall 28 for guiding the diffuser flow 30, in which an annular guide element 32 arranged concentrically to the outer wall 28 is provided for influencing the diffuser flow 30.
  • the guide element 32 has a radially inwardly directed surface 34 which has a circumferential, in longitudinal section convex contour to form a displacement element and in that the guide element 32 is axially displaceable between two positions, such that the guide element 32 allows a flow between the guide element 32 and the outer wall 28 in a first position and substantially prevents a flow between the guide element 32 and the outer wall 28 in a second position.
  • a method for operating a gas turbine 1 in which, in order to reduce the aerodynamic losses and increase the pressure recovery while increasing the mass flow, the guide element 32 in the direction of the second position or to the second position and / or reducing the mass flow, the guide element 32nd is moved in the direction of the first position or to the first position.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasdiffusor für eine Gasturbine, mit einer ringförmigen Außenwand zur Führung der Diffusorströmung, in der ein zur Außenwand konzentrisch angeordnetes ringförmiges Leitelement zur Beeinflussung der Diffusorströmung vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einem Abgasdiffusor der vorgenannten Art.
  • Gasturbinen und die für diese verwendeten Abgasdiffusoren sind aus dem Stand der Technik längstens bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 198 05 115 A1 ein Abgasdiffusor mit einem vergleichsweise großen Öffnungswinkel von 10° und mehr bekannt. Dieser eher große Öffnungswinkel wird erreicht, indem im Zentrum des Diffusorkanals ein sich in Axialrichtung erstreckender Leitkörper zur Verlängerung einer ansonsten kurzen Gasturbinennabe vorgesehen ist. Durch die Verwendung des Leitkörpers wird der Abgasdiffusor als Ringdiffusor ausgebildet. Dadurch werden größere Gebiete von Rückströmungszonen hinter der Gasturbinennabe vermieden, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des Abgasdiffusors auswirkt. Nachteilig ist jedoch, dass der Leitkörper vergleichsweise lang ist und aufgrund seiner Länge deswegen durch zusätzliche Streben abgestützt werden muss. Weiter sind die aerodynamischen Einflüsse der Lagerstreben unberücksichtigt.
  • Die bekannten kurzen Gasturbinennaben enden zumeist unmittelbar hinter dem turbinenseitigen Lager des Gasturbinenrotors. Sie weisen jedoch besonders große Rückströmzonen auf. Allerdings sind die kurzen Gasturbinennaben auch besonders preiswert.
  • Ferner ist aus der EP 1 970 539 A1 ein Abgasdiffusor bekannt, der im Inneren ein zur Außenwand konzentrisches ringförmiges Leitelement aufweist. Das Leitelement ist dabei derartig ausgestaltet, dass zwischen Außenwand und Leitelement ein Düsenkanal ausgebildet ist, mit Hilfe dessen die wandnahe Strömung beschleunigt werden kann. Dadurch ist es möglich, stromab des Leitelements wandnahe Strömungsablösungen zu vermeiden. Eine Beeinflussung der Strömung im Zentrum des Abgasdiffusors, wo Rückströmungen auftreten können, ist mit Hilfe des Leitelements jedoch nicht möglich.
  • Darüber hinaus offenbart die US 5,209,634 A1 einen Dampfturbinendiagonaldiffusor mit einer verstellbaren Nabengeometrie zur Einstellung des durchströmbaren Diffusorquerschnitts.
  • Weiter besteht das Bestreben, die hinter der Gasturbinennabe angeordnete Rückströmzone nach Möglichkeit zu vermeiden bzw. deren Größe zu minimieren, damit selbst im Teillastbetrieb der Gasturbine eine große Effizienz des Abgasdiffusors erreicht und eine große Betriebssicherheit gewährleistet werden kann. Bei zu weit stromab reichenden Rückströmzonen besteht die Gefahr, dass diese einen dem Abgasdiffusor nachgeordneten Kessel erreichen können, was dessen Arbeitsweise signifikant verschlechtert. Auch im Falle von dort installierten Nachbrennern würde dies zu einem Flammenrückschlag führen, wodurch der kombinierte Betrieb von Gasturbinen und Nachbrennern stark eingeschränkt ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen raumsparenden Abgasdiffusor für eine Gasturbine anzugeben, der unter Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrads der Gasturbine Strömungsablösungen und Rückströmzonen für jeden Betriebszustand der Gasturbine vermeidet und einen sicheren Betrieb von der Gasturbine nachgeordneten Kesseln und Nachbrennern für jeden Betriebszustand der Gasturbine gewährleistet. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dazu ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einem Abgasdiffusor anzugeben.
  • Die auf einen Abgasdiffusor gerichtete Aufgabe wird mit einem Abgasdiffusor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Abgasdiffusor für eine Gasturbine weist eine ringförmige Außenwand zur Führung der Diffusorströmung auf, in der ein zur Außenwand konzentrisch angeordnetes ringförmiges Leitelement zur Beeinflussung der Diffusorströmung vorgesehen ist, wobei eine radial nach innen gerichtete Fläche des Leitelements eine umlaufende, im Längsschnitt konvexe Kontur zur Bildung eines Verdrängungselements aufweist und das Leitelement axial zwischen zwei Positionen verschiebbar ist, derart, dass das Leitelement in einer ersten Position eine Strömung zwischen Leitelement und Außenwand ermöglicht und in einer zweiten Position eine Strömung zwischen Leitelement und Außenwand verhindert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einem Abgasdiffusor sieht vor, dass bei Vergrößerung des die Gasturbine durchströmenden Massenstroms das Leitelement in Richtung der zweiten Position oder bis in die zweite Position und/oder bei Verkleinerung des Massenstroms das Leitelement in Richtung der ersten Position oder bis in die erste Position verschoben wird.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei kleinen Massenströmen, wie sie an heißen Tagen und bei Teillastbetrieb in der Gasturbine vorkommen, sich der Hauptanteil des Massenstroms im Abgasdiffusor der Gasturbine nach außen hin, also zur Außenwand hin, verlagert, so dass es zu einer sehr ausgeprägten und langen Rückstromzone hinter der Nabe kommt. Bei großen Massenströmen, wie sie z.B. an kalten Tagen oder bei Volllastbetrieb vorkommen, verlagert sich der Hauptanteil des Massenstroms eher nach innen, also zur Nabe bzw. zum Zentrum hin. Dadurch reduziert sich der Anteil der Strömung, welcher außenwandnah ist, was zur Strömungsablösung an der Außenwand führen kann. Somit ist es insgesamt wünschenswert, die Massenstromverteilung innerhalb des Abgasdiffusors zu vergleichmäßigen.
  • Zur Vergleichmäßigung muss jedoch je nach Betriebszustand der Gasturbine entweder der Massenstrom mehr zur Außenwand hin verlagert werden oder zum Zentrum des Abgasdiffusors. Um dies zu erreichen, kombiniert die Erfindung zwei Maßnahmen in nicht voraussehbarer Weise. Zur Verschiebung des Massenstroms nach außen wird das Leitelement axial verschieblich ausgestaltet, wodurch der Abstand zwischen Leitelement und Außenwand einstellbar wird. Mit zunehmendem Abstand kann ein größerer Anteil der Strömung zur Außenwand hin umgelenkt werden, was die Wahrscheinlichkeit einer wandnahen Strömungsablösung verringert. Zudem weist das Leitelement an seiner nach innen gerichteten Fläche eine umlaufende, im Längsschnitt konvexe Kontur zur Bildung eines Verdrängungselements auf. Dadurch erhält die innere Kontur des ringförmigen Leitelements die Form einer Laval-Düse. Dies führt dazu, dass die vom Leitelement eingefangene Diffusorströmung mehr zur Nabe bzw. zum Diffusorzentrum hin umgelenkt wird. Dies gilt umso mehr, je größer der relative Flächenanteil der Kreisöffnung des Leitelements ist in Bezug auf die positionsabhängige durchströmbare Querschnittsfläche des Abgasdiffusors an sich. Bei dem in der zweiten Position angeordneten Leitelement - das Leitelement liegt an der Außenwand an - entspricht die Querschnittsfläche des Abgasdiffusors der Querschnittsfläche des Leitelements. Das Verhältnis ist somit gleich 1. Durch axiales Verschieben des Leitelements in stromabwärtiger Richtung der Abgasströmung nimmt der durchströmbare Querschnitt des Abgasdiffusors - an derjenigen axialen Position, an der auch die Einström-Querschnittsfläche des Leitelements angesiedelt ist - zu, wohingegen die Einström-Querschnittsfläche des Leitelements gleich bleibt. Dadurch verkleinert sich der relative Anteil der Querschnittsfläche - das Verhältnis sinkt unter 1 -, so dass die Wirkung der Einschnürung mit zunehmendem Abstand zwischen Leitelement und Außenwand abnimmt, was auch gewünscht ist, da in diesem Fall der Anteil der Strömung eher zur Außenwand hin verlagert werden soll, als zum Zentrum des Abgasdiffusors.
  • Der Erfindung liegt somit die unerwartete Erkenntnis zugrunde, dass trotz der Verwendung einer nach innen gerichteten Einschnürung eine Stärkung der wandnahen Strömung möglich ist. Demnach kann mit der erfindungsgemäßen Lösung der Wirkungsgrad des Abgasdiffusors unabhängig von der Größe des Massenstroms verbessert werden, da aerodynamische Verluste, die auf relativ großen Rückstromzonen zurückzuführen sind oder auf wandnahen Strömungsablösungen basieren, weitgehend vermieden werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist, wenn das Leitelement in der zweiten Position angeordnet ist, das Verdrängungselement in demjenigen axialen Abschnitt des Abgasdiffusors angeordnet, in dem ein im Zentrum des Abgasdiffusors angeordneter Nabenkörper axial endet. Aufgrund des Endes des im Zentrum angeordneten Nabenkörpers entstehen in dessen Strömungsschatten Rückstromzonen, die mit Hilfe der am Leitelement angeordneten Einschnürung verkürzt werden können. Dazu ist es jedoch erforderlich, dass die Einschnürung axial unmittelbar stromab des Endes des Nabenkörpers angesiedelt ist. Ein zu großer axialer Abstand zwischen Ende des Nabenkörpers und der axialen Position der Einschnürung muss vermieden werden, damit die Einschnürung die aerodynamisch gewünschten Effekte - nämlich die Verdrängung eines Strömungsanteils zum Zentrum, d.h. zur Strömungsmitte des Abgasdiffusors hin - auch erzielt.
  • Bevorzugt ist eine radial nach außen gerichtete Fläche des Leitelements an einem Abschnitt der Außenwand flächig anlegbar. Durch die flächige Anlage des Leitelements an der Außenwand wird wirksam eine minimale wandnahe Spaltströmung vermieden, da das Leitelement besonders dicht an der Außenwand anliegt. In ihrer Größe zu kleine, und damit wirkungslose Wandströmungen werden somit wirksam vermieden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Leitelement über von entlang des Umfangs der Außenwand verteilten Rippen getragen. Diese Anordnung ermöglicht eine einfache Konstruktion zum Tragen des Leitelements. Gemäß einer ersten Variante der vorgenannten Ausgestaltung sind die Rippen starr an der Außenwand befestigt, wobei an dem inneren Ende jeder Rippe ein Antrieb zur Axialverschiebung des Leitelements vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise sind dazu doppelseitig beaufschlagbare hydraulische Kolben vorgesehen, mittels denen das Leitelement gegenüber den Rippen und somit auch gegenüber der Außenwand axial verschoben werden kann. Diese erste Variante hat den Vorteil, dass sowohl Rippen als auch Leitelement in ihren Abmaßen starr ausgebildet sein können. D.h. weder der Durchmesser des Leitelements noch die Länge der Rippen müssen variabel sein, um die Verschiebbarkeit des Leitelements gewährleisten zu können.
  • Gemäß einer zweiten Variante sind die Rippen jeweils an der Außenwand und am Leitelement angelenkt, wobei die Drehachse der Gelenke sich in Tangentialrichtung des Abgasdiffusors erstrecken. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Antrieb zum axialen Verschieben des Leitelements aus dem Strömungskanal des Abgasdiffusors in einen etwas kälteren Bereich der Gasturbine verlagert wird, was die Anforderungen an den Antrieb hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit senkt. Da jedoch die Verwendung eines im Durchmesser konstanten Leitelements bevorzugt ist, müssen für diesen Fall die Rippen in ihrer radialen Erstreckung veränderbar sein. Zweckmäßigerweise sind die Rippen dann teleskopisch verfahrbar, um deren Länge während der Verschiebung des Leitelements anzupassen.
  • Bevorzugtermaßen ist eine stationäre Gasturbine mit einem Abgasdiffusor vorgenannter Ausgestaltungen ausgestattet.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail näher erläutert.
  • Es zeigen schematisch:
    • FIG 1
    eine stationäre Gasturbine in einem Längs-/Teilschnitt,
    FIG 2
    den Abgasdiffusor einer stationären Gasturbine im Längsschnitt mit einem an der Außenwand des Abgasdiffusors anliegenden Leitelement,
    FIG 3
    den Abgasdiffusor nach FIG 2, mit einem zur Außenwand beabstandeten Leitelement und
    FIG 4
    das Leitelement mit einem Antrieb zur Axialverschiebung des Leitelements.
  • FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Maschinenachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 umgibt einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 16 verbunden ist. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Schaufelstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Schaufelstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 16 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 jeweils mittels einer Scheibe 19 am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.
  • Stromab der Turbineneinheit 8 schließt sich an den Heißgaskanal 16 das Abgasgehäuse 9 an. Das Abgasgehäuse 9 ist der einlaufseitige Teil eines Abgasdiffusors 20 der Gasturbine 1. Damit geht der Heißgaskanal 16 in den Strömungskanal 22 des Abgasdiffusors 20 über. Die im Abgasgehäuse 9 angeordneten Rippen 24 stützen das turbinenseitige Ende des Rotors 3 ab, wobei dieses von einem Nabenkörper 26 gekapselt ist. Der Nabenkörper 26 endet axial im Strömungskanal 22 und ist im Zentrum des Abgasdiffusors 20 angeordnet.
  • Die äußere Begrenzung des Abgasdiffusors 20 wird von einer Außenwand 28 gebildet, die kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zur Maschinenachse 2 angesiedelt ist. Die Außenwand 28 erstreckt sich divergierend in Strömungsrichtung der Diffusorströmung 30, welches vor der Expansion in der Turbineneinheit 8 als Heißgas 11 bezeichnet ist.
  • Die FIG 2 zeigt einen Längsschnitt durch den einströmseitigen Abschnitt des Abgasdiffusors 20. Im axialen Abschnitt, in dem der Nabenkörper 26 axial endet, ist ein in Axialrichtung verschiebliches Leitelement 32 angeordnet. Die nach außen gerichtete Fläche des Leitelements 32 weist dabei die gleiche Konizität auf, wie die Außenwand 28, so dass das Leitelement 32 flächig an der Außenwand 28 anliegt. Die nach innen gewandte Fläche 34 des Leitelements 32 weist eine umlaufende, im Längsschnitt konkave Kontur zur Bildung eines Verdrängungselements auf. Die Kontur ist dabei so ausgebildet, dass der vom ringförmigen Leitelement 32 umgriffene Strömungsquerschnitt nach Art einer Laval-Düse ausgebildet ist. Mit anderen Worten: ein einströmseitiger Strömungsquerschnitt des Leitelements 32 ist größer als ein minimaler Strömungsquerschnitt des Leitelements 32, wobei der austrittsseitige Strömungsquerschnitt größer ist als der einströmseitige Strömungsquerschnitt. Der minimale Strömungsquerschnitt ist axial zwischen dem einströmseitigen Strömungsquerschnitt und dem ausströmseitigen Querschnitt angesiedelt. Der jeweilige Strömungsquerschnitt liegt stets senkrecht zur Maschinenachse 2.
  • In FIG 3 ist der identische Abschnitt des Abgasdiffusors 20 wie in FIG 2 dargestellt, lediglich das Leitelement 32 ist gegenüber der in FIG 2 dargestellten Position in Axialrichtung verschoben. Das Leitelement 32 befindet sich gemäß FIG 3 nun stromab von der in FIG 2 gezeigten Position. Die in FIG 3 gezeigte Position des Leitelements 32 wird als erste Position des Leitelements 32 und die in FIG 2 gezeigte Position des Leitelements 32 als zweite Position bezeichnet.
  • Durch die Verschiebung des Leitelements 32 in stromabwärtiger Richtung entsteht zwischen der inneren Fläche der Außenwand 28 und der nach außen gewandten Fläche des Leitelements 32 eine ringförmige Strömungspassage 36, durch die ein Teil der Diffusorströmung 30 strömen kann.
  • Im Betrieb der mit einem Abgasdiffusor 20 der gezeigten Art ausgestatteten Gasturbine 1 können folgende Zustände auftreten: Bei variierenden Umgebungsbedingungen und bei Teillastbetrieb wird die Gasturbine 1 von eher kleineren Massenströmen an Heißgas 11 bzw. Abgas 30 durchströmt. Aufgrund des kleineren Massenstroms verlagert sich ein Hauptanteil der Abgasströmung nach außen, so dass es bisher zu einer sehr ausgeprägten und langen Rückstromzone hinter dem Nabenkörper 26 kam. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Leitelement 32 in die zweite Position verfahren wird. Dadurch befindet sich die Einschnürung vergleichsweise nahe am Nabenkörper 26. Dies bewirkt, dass das Abgas 30 in Richtung der Mittelachse 2 verstärkt abgelenkt wird (30'), was das Rückstromgebiet im axialen Abschnitt hinter dem Nabenkörper 26 signifikant verkleinert. Dies reduziert aerodynamisch Verluste, erhöht den Druckrückgewinn und vergleichmäßigt das Geschwindigkeits- und Strömungsprofil im Abgasdiffusor 20.
  • Während eines anderen, zweiten Zustands, der beispielsweise an kalten Tagen und bei Volllast vorkommt, wird die Gasturbine von einem vergleichsweise großen Massenstrom durchströmt. In diesem Fall wird das Leitelement 32 in Axialrichtung in eine erste Position verschoben. Durch die Verschiebung nimmt die relative Versperrung des Strömungsquerschnitts des Abgasdiffusors 20 aufgrund des Leitelements 32 ab. Des Weiteren entsteht auf diese Weise die ringförmige Strömungspassage 36 zwischen der Außenwand 28 und der Außenfläche des Leitelements 32. Die Strömung durch diese Passage 36 führt stromab des Leitelements 32 zu einem Wandstrahl, der das für diesen Betriebszustand erhöhte Risiko der Strömungsablösung an der Außenwand 28 reduziert.
  • Auch dies verhindert aerodynamische Verluste im Abgasdiffusor 20, was zu einem erhöhten Druckrückgewinn führt. Folglich ist vorgesehen, dass bei Vergrößerung des Massenstroms das Leitelement 32 in Richtung der zweiten Position oder bis in die zweite Position (bis zum Anliegen an die Außenwand 28) und/oder bei Verkleinerung des Massenstroms das Leitelement 32 in Richtung der ersten Position oder bis in die erste Position (Leitelement 32 zur Außenwand 28 beabstandet) verschoben wird. Die Verschiebung des Leitelements 32 erfolgt stets parallel zur Maschinenachse 2.
  • Aufgrund der Tatsache, dass das Leitelement 32 lediglich in Axialrichtung verschoben wird, ist es möglich, dieses als Ring mit konstantem Durchmesser auszugestalten.
  • FIG 4 zeigt ein Detail zum Antrieb des axial verschieblichen Leitelements 32. Das Leitelement 32 ist über mehrere entlang des Umfangs des Abgasdiffusors 20 verteilte Rippen 40 gehalten. Jede der Rippen 40 ist starr an der Außenwand 28 befestigt, was aber in FIG 4 nicht dargestellt ist. Die Rippen 40 ragen strahlenförmig in den Strömungskanal 22 hinein. Als Verstelleinrichtung sind an einem inneren Ende 42 der Rippen 40 jeweils Hydraulikzylinder 45 vorgesehen, deren in Axialrichtung verschiebbare Kolben 46 mit dem Leitelement 32 befestigt sind. Durch die Beaufschlagung mit Hydrauliköl kann der Kolben 46 in Axialrichtung bewegt werden, was zur Verschiebung des Leitelements 32 in gleicher Richtung führt. Sofern erforderlich, kann aufgrund der vergleichsweise hohen Abgastemperaturen eine Kühlung der Verstelleinrichtung und der Zuführungsleitungen für Hydrauliköl zweckmäßig sein.
  • Mit der Erfindung wird ein Abgasdiffusor 20 für eine Gasturbine 1 angegeben, die eine ringförmige Außenwand 28 zur Führung der Diffusorströmung 30 aufweist, in der ein zur Außenwand 28 konzentrisch angeordnetes ringförmiges Leitelement 32 zur Beeinflussung der Diffusorströmung 30 vorgesehen ist. Um die aerodynamische Wirkung des Abgasdiffusors 20 zu verbessern und diesen gleichzeitig für mehrere Betriebszustände der Gasturbine optimal einzustellen, wird vorgeschlagen, dass das Leitelement 32 eine radial nach innen gerichtete Fläche 34 aufweist, die eine umlaufende, im Längsschnitt konvexe Kontur zur Bildung eines Verdrängungselements aufweist und dass das Leitelement 32 axial zwischen zwei Positionen verschiebbar ist, derart, dass das Leitelement 32 in einer ersten Position eine Strömung zwischen Leitelement 32 und Außenwand 28 ermöglicht und in einer zweiten Position eine Strömung zwischen Leitelement 32 und Außenwand 28 weitgehend verhindert. Weiter wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine 1 angegeben, bei dem zur Verringerung der aerodynamischen Verluste und Erhöhung des Druckrückgewinns bei Vergrößerung des Massenstroms das Leitelement 32 in Richtung der zweiten Position oder bis in die zweite Position und/oder bei Verkleinerung des Massenstroms das Leitelement 32 in Richtung der ersten Position oder bis in die erste Position verschoben wird.

Claims (8)

  1. Abgasdiffusor (20) für eine Gasturbine (1),
    mit einer ringförmigen Außenwand (28) zur Führung der Diffusorströmung (30), in der ein zur Außenwand (28) konzentrisch angeordnetes ringförmiges Leitelement (32) zur Be-einflussung der Diffusorströmung (30) vorgesehen ist, wobei eine radial nach innen gerichtete Fläche (34) des Leitelements (32) eine umlaufende, im Längsschnitt konvexe Kontur zur Bildung eines Verdrängungselements aufweist dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (32) axial zwischen zwei Positionen verschiebbar ist, und dass das Leitelement (32) in einer ersten Position eine Strömung zwischen Leitelement (32) und Außenwand (28) ermöglicht und in einer zweiten Position eine Strömung zwischen Leitelement (32) und Außenwand (28) verhindert.
  2. Abgasdiffusor (20) nach Anspruch 1,
    bei dem, wenn das Leitelement (32) in der zweiten Position angeordnet ist, das Verdrängungselement in demjenigen axialen Abschnitt des Abgasdiffusors (20) angeordnet ist, in dem ein im Zentrum des Abgasdiffusors (20) angeordneter Nabenkörper (26) axial endet.
  3. Abgasdiffusor (20) nach Anspruch 2,
    bei dem eine radial nach außen gerichtete Fläche des Leitelements (32) an einen Abschnitt der Außenwand (28) flächig anlegbar ist.
  4. Abgasdiffusor (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem das Leitelement (32) über eine Anzahl von entlang des Umfangs der Außenwand (28) verteilten Rippen (40) getragen ist.
  5. Abgasdiffusor (20) nach Anspruch 4,
    bei dem die Rippen (40) starr an der Außenwand (28) befestigt sind und an einem inneren Ende (42) zumindest einer der Rippen (40) ein Antrieb zur Axialverschiebung des Leitelements (32) vorgesehen ist.
  6. Abgasdiffusor (20) nach Anspruch 4,
    bei dem die Rippen an der Außenwand (28) und am Leitelement (32) jeweils angelenkt sind, wobei die Drehachse der Gelenke sich in Tangentialrichtung des Abgasdiffusors (20) erstrecken.
  7. Gasturbine (1) mit einem Abgasdiffusor (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1) nach Anspruch 7,
    die von einem Massenstrom variabler Größe durchströmt wird, wobei
    bei Vergrößerung des Massenstroms das Leitelement (32) in Richtung der zweiten Position oder bis in die zweite Position und/oder
    bei Verkleinerung des Massenstroms das Leitelement (32) in Richtung der ersten Position oder bis in die erste Position verschoben wird.
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