EP2634382A1 - Gas turbine with an exhaust gas diffuser and method for operating such a gas turbine - Google Patents

Gas turbine with an exhaust gas diffuser and method for operating such a gas turbine Download PDF

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Publication number
EP2634382A1
EP2634382A1 EP12157283.8A EP12157283A EP2634382A1 EP 2634382 A1 EP2634382 A1 EP 2634382A1 EP 12157283 A EP12157283 A EP 12157283A EP 2634382 A1 EP2634382 A1 EP 2634382A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffuser
gas turbine
turbine
blow
annular
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12157283.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marc Bröker
Tobias Dr. Buchal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP12157283.8A priority Critical patent/EP2634382A1/en
Publication of EP2634382A1 publication Critical patent/EP2634382A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/30—Exhaust heads, chambers, or the like
    • F01D25/305—Exhaust heads, chambers, or the like with fluid, e.g. liquid injection

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a subsequent to a turbine unit exhaust diffuser, the diffuser channel is bounded by a conical wall and in the at least one pipe comprehensive Abblase effet outflow ends, whose inflow-side end is connected to a compressor of the gas turbine. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a gas turbine.
  • Gas turbines and their modes of operation are well known from the widely available state of the art. They always include an exhaust gas diffuser as part of an exhaust gas line, through which the exhaust gas flowing out of the gas turbine can be continued. The exhaust gas is either led to a chimney, if the gas turbine for single operation, called in English Simple Cycle, is provided.
  • CCGT Combined Cycle
  • the exhaust route leads the exhaust gas to a boiler, with the help of which the thermal energy contained in the exhaust gas is converted into steam for a steam turbine.
  • the operating point of the exhaust diffuser depends primarily on its volume flow. This is known to be mainly influenced by the ambient temperature, the compressor inlet guide blade position and the firing temperature.
  • the exhaust diffuser should meet several requirements: Firstly, a maximum pressure recovery is required for maximum efficiency at the design point. At the same time, the efficiency should drop only slightly at the distance from the design point, if possible. On the other hand, it should have no instationary operating behavior, what else could affect the mechanical integrity of the power plant by vibration excitation. In addition, it should have the most uniform possible speed distribution at the outlet to achieve a good boiler efficiency. Equally important is the avoidance of flip-flop effects when changing the operating point during deep part-load operation. Finally, the exhaust diffuser should also be small-sized and therefore inexpensive.
  • the object of the invention is therefore to provide a gas turbine with a subsequent to a turbine unit exhaust diffuser, which can counteract the problems mentioned in the prior art.
  • the gas turbine is equipped with an exhaust gas diffuser whose diffuser channel is delimited by a conical wall and in which at least one pipe comprehensive Abblase effet outflow ends, whose einström workedes end is connected to a compressor of the gas turbine, wherein a plurality of pipes common annular channel ends, which annular channel opens downstream annular gap-shaped in the boundary wall of the diffuser.
  • the annular channel includes in the mouth region with the boundary wall of the exhaust gas diffuser an angle less than 20 °.
  • the mouth region is designed to be almost parallel to the boundary wall.
  • annular gap is located immediately downstream of the blades of a last turbine stage of the turbine unit.
  • the axial position of the injection into the exhaust gas diffuser has thus been shifted far upstream.
  • the additional benefit is to use an already existing gap between the turbine outlet and the exhaust diffuser inlet for feeding the blow-off air.
  • This is particularly advantageous in the partial load case of the gas turbine, as only during the gap is to block by blowing air against a collection of exhaust gas, but not at full load. By blocking the column, it is avoided that exhaust gas from the hot gas path enters the gas turbine housing in said operating state. This prevents the premature aging of the components involved in the gap and arranged outside thereof and thus obtains their predicted lifetime.
  • the invention will be explained in more detail with reference to a single figure.
  • the single embodiment shows a gas turbine in a longitudinal section.
  • the Axialturbover Noticer 18 includes a ring-shaped compressor duct with cascading successively compressor stages of blade and Leitschaufelkränzen.
  • the rotor blades 14 arranged on the blades 27 are located with their free-ending blade tips of an outer channel wall of the compressor passage opposite.
  • the compressor duct discharges via a compressor outlet diffuser 36 in a plenum 38.
  • the annular combustion chamber 20 is provided with its combustion chamber 28, which communicates with an annular hot gas duct 30 of the turbine unit 24. In the turbine unit 24 four successive turbine stages 32 are arranged.
  • a generator or a working machine (each not shown) is coupled.
  • the axial turbocharger 18 draws in ambient air 34 through the intake housing 16 as a medium to be compressed and compresses it.
  • the compressed air is guided through the compressor outlet diffuser 36 into the plenum 38, from where it flows into the burner 22.
  • Fuel also passes into the combustion space 28 via the burners 22.
  • the fuel is burned to a hot gas M with the addition of the compressed air.
  • the hot gas M then flows into the hot gas duct 30, where it relaxes to perform work on the turbine blades of the turbine unit 24.
  • the energy released during this time is absorbed by the rotor 14 and used on the one hand to drive the axial turbocharger 18 and on the other hand to drive a working machine or electric generator.
  • the turbine exhaust manifold 29 connects to the turbine outlet housing 26 of the gas turbine 10. Both components are part of the gas turbine exhaust diffuser 21. Downstream of the turbine exhaust manifold 29, a not further shown exhaust gas system is provided. This and the gas turbine exhaust diffuser 21 thereby form the exhaust gas diffuser system.
  • the turbine outlet housing 26 is formed by an outer boundary wall 23 and the turbine exhaust manifold 29 is formed by an outer boundary wall 40.
  • an annular channel 31 is provided on the outwardly facing surface of the boundary wall 40.
  • the annular channel 31 extends along the entire circumference of the boundary 40 and is almost completely separated from the diffuser channel 38 via a partition wall 33, which is part of the boundary wall 40.
  • the annular channel 31 has laterally an annular opening 43 which opens into an annular gap 35 arranged in the boundary wall 40.
  • a blow-off line 41 opens into the annular channel 31.
  • the blow-off line 41 comprises three pipes, of which only one pipe 42 is shown. It can also be provided more than three or fewer pipes.
  • the pipes, not shown, are distributed along the circumference of the gas turbine 10.
  • each pipeline also a valve is provided as an actuator 46 for closing and partial or complete opening of the pipes.
  • All pipes 42 connect the compressor 18 or the plenum 38 with the annular channel 31, to this - viewed along the circumference - selectively supplying blow-off air.
  • a further blow-off in an analogous configuration may be provided downstream of the last turbine blade row 47. This is in FIG. 1 indicated only by the annular channel 48.
  • the invention relates to a gas turbine 10 having a subsequent to a turbine unit 24 exhaust diffuser 21, the diffuser channel 38 is bounded by a conical wall 23 and in the at least one pipe 42 comprehensive Abblasetechnisch 41 outflow ends, whose inflow-side end with a compressor 18th the gas turbine 10 is connected.
  • a plurality of pipes 42 in a common annular channel 31, 48 ends, said annular channel 31, 48 downstream ringpaltförmig in the boundary wall 23, 40 opens.

Abstract

The turbine (10) has an exhaust gas diffuser (21) with a diffuser channel (38) defined by conical walls (23, 40). An outlet side of a blow-off line (41) ends in the diffuser channel, and an inflow end of the blow-off line is connected with an axial-flow turbo compressor (18) of the turbine. Ends of multiple pipe lines (42) of the blow-off line are connected in common annular ducts (31, 48), where the annular ducts open downstream in an annular shape in the conical walls. A discharge region of the annular duct includes an angle (alpha) smaller than 20 degrees with respect to the conical walls. An independent claim is also included for a method for operating a gas turbine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem sich an eine Turbineneinheit anschließenden Abgas-Diffusor, dessen Diffusorkanal von einer konischen Wand begrenzt ist und in dem zumindest eine Rohrleitungen umfassende Abblaseleitung ausströmseitig endet, deren einströmseitiges Ende mit einem Verdichter der Gasturbine verbunden ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine.The invention relates to a gas turbine with a subsequent to a turbine unit exhaust diffuser, the diffuser channel is bounded by a conical wall and in the at least one pipe comprehensive Abblaseleitung outflow ends, whose inflow-side end is connected to a compressor of the gas turbine. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a gas turbine.

Gasturbinen und deren Betriebsweisen sind aus dem umfangreich verfügbaren Stand der Technik bestens bekannt. Sie umfassen stets einen Abgas-Diffusor als Teil einer Abgasstrecke, durch den das aus der Gasturbine abströmende Abgas weitergeführt werden kann. Das Abgas wird entweder zu einem Schornstein geführt, sofern die Gasturbine zum Alleinbetrieb, im Englischen Simple Cycle genannt, vorgesehen ist. Bei einem GuD-Kraftwerk - im Englischen Combined Cycle genannt - führt die Abgasstrecke das Abgas zu einem Kessel, mit dessen Hilfe die im Abgas enthaltene thermische Energie in Dampf für eine Dampfturbine umgewandelt wird.Gas turbines and their modes of operation are well known from the widely available state of the art. They always include an exhaust gas diffuser as part of an exhaust gas line, through which the exhaust gas flowing out of the gas turbine can be continued. The exhaust gas is either led to a chimney, if the gas turbine for single operation, called in English Simple Cycle, is provided. In a Combined Cycle (CCGT) power plant, the exhaust route leads the exhaust gas to a boiler, with the help of which the thermal energy contained in the exhaust gas is converted into steam for a steam turbine.

Der Betriebspunkt des Abgas-Diffusors hängt in erster Linie von seinem Volumenstrom ab. Dieser wird bekanntermaßen hauptsächlich von der Umgebungstemperatur, der Verdichter-Einlassleitschaufelstellung sowie der Befeuerungstemperatur beeinflusst.The operating point of the exhaust diffuser depends primarily on its volume flow. This is known to be mainly influenced by the ambient temperature, the compressor inlet guide blade position and the firing temperature.

Der Abgas-Diffusor sollte mehrere Anforderungen erfüllen: Zum Einen ist ein maximaler Druckrückgewinn zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades im Auslegungspunkt erforderlich. Gleichzeitig soll der Wirkungsgrad bei Entfernung vom Auslegungspunkt nach Möglichkeit nur geringfügig abfallen. Zum Anderen sollte er kein instationäres Betriebsverhalten aufweisen, was ansonsten die mechanische Integrität der Kraftwerksanlage durch Schwingungsanregung beeinträchtigen könnte. Darüber hinaus sollte er eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung am Austritt zur Erreichung eines guten Kesselwirkungsgrades aufweisen. Ebenso bedeutsam ist die Vermeidung von Flip-Flop-Effekten bei Änderung des Betriebspunktes während des tiefen Teillastbetriebs. Schlussendlich sollte der Abgas-Diffusor zudem auch kleinbauend und somit kostengünstig sein.The exhaust diffuser should meet several requirements: Firstly, a maximum pressure recovery is required for maximum efficiency at the design point. At the same time, the efficiency should drop only slightly at the distance from the design point, if possible. On the other hand, it should have no instationary operating behavior, what else could affect the mechanical integrity of the power plant by vibration excitation. In addition, it should have the most uniform possible speed distribution at the outlet to achieve a good boiler efficiency. Equally important is the avoidance of flip-flop effects when changing the operating point during deep part-load operation. Finally, the exhaust diffuser should also be small-sized and therefore inexpensive.

Von besonderer Bedeutung für eine optimale Diffusorströmung ist das Vermeiden von Ablöse- und Rückströmzonen, sowohl an der Außenwand als auch am Übergang vom Abgas-Diffusor zum Kesseleinlauf. Sofern diese dennoch auftreten, sollte ihre Größe vergleichsweise klein sein. Die Ablösungen an der Innenfläche der glatten Diffusor-Außenwand sind zumeist verursacht durch eine zu geringe lokale Strömungsenergie, die dem stromab ansteigenden Druck nicht entgegenwirken kann. Ursächlich hierfür ist neben dem Öffnungswinkel des Diffusors die Abströmung an der letzten Turbinenlaufschaufelreihe und insbesondere die Überströmung an deren Schaufelspitzen. Rückstromzonen können sich ggf. im Teillastbetrieb ausbilden, insbesondere hinter der Nabe und an der Außenwand. Dabei können Sie so weit stromab reichen, dass es selbst im Bereich des Kesseleintritts zu Zonen stromauf gerichteter Strömung kommt. Bei der Verwendung von Nachbrennern kann durch Rückströmungen ein Flammenrückschlag erzeugt werden, was die kombinierte Betriebsweise von Gasturbinen und Nachbrennern einschränken könnte.Of particular importance for optimum diffuser flow is the avoidance of separation and backflow zones, both at the outer wall and at the transition from the exhaust gas diffuser to the boiler inlet. If these occur nevertheless, their size should be comparatively small. The separations on the inner surface of the smooth outer wall of the diffuser are mostly caused by a too low local flow energy, which can not counteract the downstream increasing pressure. The reason for this, in addition to the opening angle of the diffuser, is the outflow at the last turbine blade row and in particular the overflow at the blade tips. If necessary, backflow zones can be formed in partial load operation, in particular behind the hub and on the outer wall. In doing so, you can reach downstream so far that even in the area of the boiler inlet zones of upstream flow are created. With the use of after burners, flashbacks can create a flashback, which could limit the combined operation of gas turbines and afterburners.

Um diesen aerodynamischen Phänomenen entgegenzuwirken ist es bekannt, im Teillastbetrieb der Gasturbine der Diffusorströmung Teile des Verdichtermassenstroms über Verdichterentnahmen und mehrere Abblaseleitungen direkt zuzuführen. Dabei sind die Mündungen der Abblaseleitungen in den Diffusor meist kostenmäßig optimiert, so dass diese eher diagonal auf der Mantelfläche des Diffusors angeordnet sind. Durch die Ausblasung an wenigen Umfangsstellen kommt es innerhalb der Diffusorströmung zudem zu kalten Strähnen. Im Zusammenhang mit einer instationären Strömung im Diffusor führt dies zu einer instationären thermischen Beanspruchung der Diffusorwände und begünstigt so die Rissbildung dort.In order to counteract these aerodynamic phenomena, it is known to supply parts of the compressor mass flow directly via compressor discharges and several blow-off lines in the partial load operation of the gas turbine to the diffuser flow. The mouths of the blow-off lines in the diffuser are usually optimized in terms of cost, so that they are arranged rather diagonally on the lateral surface of the diffuser. Due to the blowing at a few circumferential points, it comes within the diffuser flow in addition to cold strands. In connection with a transient flow in the diffuser, this leads to a transient thermal stress on the diffuser walls and thus favors the formation of cracks there.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Gasturbine mit einem sich an eine Turbineneinheit anschließenden Abgas-Diffusor, welcher den im Stand der Technik genannten Problemen entgegenwirken kann.The object of the invention is therefore to provide a gas turbine with a subsequent to a turbine unit exhaust diffuser, which can counteract the problems mentioned in the prior art.

Die auf die Gasturbine gerichtete Aufgabe wird mit einer solchen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben und können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.The object directed to the gas turbine is achieved with such according to the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims and can be combined with one another in any desired manner.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gasturbine mit einem Abgas-Diffusor ausgestattet ist, dessen Diffusorkanal von einer konischen Wand begrenzt ist und in dem zumindest eine Rohrleitungen umfassende Abblaseleitung ausströmseitig endet, deren einsströmseitiges Ende mit einem Verdichter der Gasturbine verbunden ist, wobei mehrere Rohrleitungen in einem gemeinsamen Ringkanal enden, welcher Ringkanal stromab ringspaltförmig in der Begrenzungswand des Diffusors mündet.According to the invention, the gas turbine is equipped with an exhaust gas diffuser whose diffuser channel is delimited by a conical wall and in which at least one pipe comprehensive Abblaseleitung outflow ends, whose einströmseitiges end is connected to a compressor of the gas turbine, wherein a plurality of pipes common annular channel ends, which annular channel opens downstream annular gap-shaped in the boundary wall of the diffuser.

Insofern wendet sich die Erfindung von den bisherigen Konstruktionen ab, bei denen zwei, drei oder vier entlang des Umfangs des Abgas-Diffusors verteilte Rohre einer Abblaseleitung im Diffusor münden und somit bisher eine mehr punktuelle Zuführung der Abblaseluft bewerkstelligen. Vielmehr ist nun vorgesehen, zwischen Abgas-Diffusor und den Rohrleitungen einen Ringkanal zwischenzuschalten, in dem die Rohrleitungen seitlich münden und aus dem seitlich eine ringförmige Strömung als Abblaseluft in den Diffusor einströmen kann. Der Ringkanal dient folglich als Verteilerraum, in dem mehrere punktförmige Strömungen zu einer Ringströmung umgewandelt werden, welche dann über den Ringspalt in den Abgas-Diffusor einströmen kann. Hiermit wird eine über den Umfang wesentlich vergleichmäßigte Zuführung von Abblaseluft herbeigeführt, so dass für alle Umfangspositionen der wandnahen Diffusorströmung eine nahezu gleichgroße Energiemenge in Form von Abblaseluft zugeführt werden kann. Hierdurch verringert sich die Neigung der Diffusorströmung zum Ablösen bzw. wird die Neigung der Diffusorströmung zum Wiederanlegen verbessert. Darüber hinaus wird die Diffusorwand in Umfangsrichtung gleichmäßiger gekühlt, was die Wände des Diffusors vor unzulässig hohen Temperaturunterschieden schützt.In this respect, the invention turns away from the previous constructions, in which two, three or four distributed along the circumference of the exhaust diffuser pipes of a blow-off in the diffuser and thus previously accomplish a more punctual supply of blow-off air. Rather, it is now provided to interpose between the exhaust gas diffuser and the pipes an annular channel in which open the pipes laterally and can flow from the side of an annular flow as blow-off air into the diffuser. The annular channel consequently serves as a distributor space, in which a plurality of punctiform flows are converted into a ring flow, which can then flow into the exhaust gas diffuser via the annular gap. Hereby, a substantially uniform over the circumference supply of blow-off air is brought about, so that for all circumferential positions of the near-wall diffuser flow a nearly equal amount of energy in the form of blow-off air can be supplied. This reduces the inclination of the diffuser flow for detachment or improves the inclination of the diffuser flow for re-application. In addition, the diffuser wall is cooled more uniformly in the circumferential direction, which protects the walls of the diffuser against impermissibly high temperature differences.

Weiter tritt aufgrund des Ringspalts die der Diffusorströmung zugeführte Abblaseluft nunmehr weniger tief in Richtung Zentrum des Diffusors ein, wodurch die Diffursorkernströmung weniger gestört wird. Insbesondere bei Teillastbetrieb begrenzt dies die Wirkungsgradverluste des Abgas-Diffusors.Further occurs due to the annular gap, the blower air supplied to the diffuser now less deep towards the center of the diffuser, whereby the diffuser core flow is less disturbed. Especially at partial load operation, this limits the efficiency losses of the exhaust gas diffuser.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt der Ringkanal im Mündungsbereich mit der Begrenzungswand des Abgas-Diffusors einen Winkel kleiner als 20° ein. Vorzugsweise ist der Mündungsbereich zur Begrenzungswand nahezu parallel ausgestaltet. Die Verwendung der spitzwinkeligen bzw. nahezu parallelen Ausblasung der Ringströmung vermeidet eine unzulässig große Störung der Diffusorströmung, was sich Effizienz erhaltend auf den Abgas-Diffusor ausprägt.According to a first advantageous embodiment of the invention, the annular channel includes in the mouth region with the boundary wall of the exhaust gas diffuser an angle less than 20 °. Preferably, the mouth region is designed to be almost parallel to the boundary wall. The use of the acute-angled or nearly parallel blow-out of the annular flow avoids an unduly large disturbance of the diffuser flow, which results in efficiency maintaining the exhaust gas diffuser.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringspalt unmittelbar stromab von den Laufschaufeln einer letzten Turbinenstufe der Turbineneinheit angesiedelt. Im Vergleich zum Stand der Technik ist somit die axiale Position der Einblasung in den Abgas-Diffusor weit nach stromauf verschoben worden. Hierbei besteht der Zusatznutzen darin, einen ohnehin vorhandenen Spalt zwischen dem Turbinenausgang und dem Abgas-Diffusoreintritt zur Einspeisung der Abblaseluft zu verwenden. Dies ist insbesondere im Teillastfall der Gasturbine von Vorteil, da nur währenddessen der Spalt durch Ausblasen von Luft gegen einen Einzug von Abgas zu sperren ist, nicht aber bei Volllastbetrieb. Durch das Sperren der Spalte wird vermieden, dass im besagten Betriebszustand Abgas aus dem Heißgaspfad in das Gasturbinengehäuse gelangt. Dies verhindert das vorzeitige Altern der am Spalt beteiligten und außerhalb davon angeordneten Komponenten und erhält somit deren prognostizierte Lebensdauer.According to a further advantageous embodiment of the annular gap is located immediately downstream of the blades of a last turbine stage of the turbine unit. In comparison with the prior art, the axial position of the injection into the exhaust gas diffuser has thus been shifted far upstream. Here, the additional benefit is to use an already existing gap between the turbine outlet and the exhaust diffuser inlet for feeding the blow-off air. This is particularly advantageous in the partial load case of the gas turbine, as only during the gap is to block by blowing air against a collection of exhaust gas, but not at full load. By blocking the column, it is avoided that exhaust gas from the hot gas path enters the gas turbine housing in said operating state. This prevents the premature aging of the components involved in the gap and arranged outside thereof and thus obtains their predicted lifetime.

Das Verfahren betreffend ist vorgesehen, dass bei einer Gasturbine nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen und mit in den Abblaseleitungen angeordneten Stellorganen zum Schlie-βen und Öffnen der Abblaseleitung während des Nennlastbetriebs die Stellorgane geschlossen sind und bei dem mit dem Wechsel zu einem Teillastbetrieb und/oder nach dem Wechsel zum Teillastbetrieb die Stellorgane zumindest teilweise geöffnet werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, das Abblasen auch gezielt in Abhängigkeit von Strömungsgrößen der Diffusorströmung einzusetzen. In diesem Fall können kurzzeitige Strömungsstöße oder Impulse nach Art von Coanda-Strahlen ausreichen, um das lokale kurzzeitige Strömungsverhalten im Diffusor zu beeinflussen und damit zu stabilisieren. Letzteres bietet sich insbesondere im Teillastbetrieb an. Zur Erzeugung der kurzzeitigen Strömungsstöße bzw. Impulse sind die Stellorgane kurzzeitig, d. h. für wenige Sekunden schlagartig zu öffnen.With regard to the method, it is provided that in a gas turbine according to one of the aforementioned embodiments and with actuators arranged in the blow-off lines for closing and opening the blow-off line during nominal load operation, the actuators are closed and the changeover to a partial load operation and / or after the changeover to partial load operation, the actuators are at least partially opened. It is particularly advantageous, however, to use the blowing in a targeted manner as a function of the flow variables of the diffuser flow. In this case, short-term flow surges or pulses in the manner of Coanda rays may be sufficient to influence and thus stabilize the local short-term flow behavior in the diffuser. The latter is particularly suitable in partial load operation. To generate the short-term flow surges or pulses, the actuators are short-term, d. H. to open suddenly for a few seconds.

Die Erfindung wird anhand einer einzigen Figur näher erläutert. Das einzige Ausführungsbeispiel zeigt eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt.The invention will be explained in more detail with reference to a single figure. The single embodiment shows a gas turbine in a longitudinal section.

Figur 1 zeigt eine stationäre Gasturbine 10 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 10 weist im Innern einen um eine Rotationsachse 12 drehgelagerten Rotor 14 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 14 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 16, ein Axialturboverdichter 18, eine torusartige Ringbrennkammer 20 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 22, eine Turbineneinheit 24 und ein Turbinenausgangsgehäuse 26. Anstelle der Ringbrennkammer kann die Gasturbine auch mit mehreren Rohrbrennkammern ausgestattet sein. FIG. 1 shows a stationary gas turbine 10 in a longitudinal partial section. The gas turbine 10 has inside a rotatably mounted about an axis of rotation 12 rotor 14, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 14 successively follow an intake housing 16, a Axialturboverdichter 18, a toroidal annular combustion chamber 20 with a plurality of rotationally symmetrical mutually arranged burners 22, a turbine unit 24 and a turbine outlet housing 26. Instead of the annular combustion chamber, the gas turbine can also be equipped with multiple tube combustion chambers.

Der Axialturboverdichter 18 umfasst einen ringförmig ausgebildeten Verdichterkanal mit darin kaskadisch aufeinanderfolgenden Verdichterstufen aus Laufschaufel- und Leitschaufelkränzen. Die am Rotor 14 angeordneten Laufschaufeln 27 liegen mit ihren frei endenden Schaufelblattspitzen einer äußeren Kanalwand des Verdichterkanals gegenüber. Der Verdichterkanal mündet über einen Verdichterausgangsdiffusor 36 in einem Plenum 38. Darin ist die Ringbrennkammer 20 mit ihrem Verbrennungsraum 28 vorgesehen, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 30 der Turbineneinheit 24 kommuniziert. In der Turbineneinheit 24 sind vier hintereinandergeschaltete Turbinenstufen 32 angeordnet. Am Rotor 14 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (jeweils nicht dargestellt) angekoppelt.The Axialturboverdichter 18 includes a ring-shaped compressor duct with cascading successively compressor stages of blade and Leitschaufelkränzen. The rotor blades 14 arranged on the blades 27 are located with their free-ending blade tips of an outer channel wall of the compressor passage opposite. The compressor duct discharges via a compressor outlet diffuser 36 in a plenum 38. The annular combustion chamber 20 is provided with its combustion chamber 28, which communicates with an annular hot gas duct 30 of the turbine unit 24. In the turbine unit 24 four successive turbine stages 32 are arranged. On the rotor 14, a generator or a working machine (each not shown) is coupled.

Im Betrieb der Gasturbine 10 saugt der Axialturboverdichter 18 durch das Ansauggehäuse 16 als zu verdichtendes Medium Umgebungsluft 34 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird durch den Verdichterausgangsdiffusor 36 in das Plenum 38 geführt, von wo aus es in die Brenner 22 einströmt. Über die Brenner 22 gelangt auch Brennstoff in den Verbrennungsraum 28. Dort wird der Brennstoff unter Zugabe der verdichteten Luft zu einem Heißgas M verbrannt. Das Heißgas M strömt anschließend in den Heißgaskanal 30, wo es sich arbeitsleistend an den Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 24 entspannt. Die währenddessen freigesetzte Energie wird vom Rotor 14 aufgenommen und einerseits zum Antrieb des Axialturboverdichters 18 und andererseits zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder elektrischen Generators genutzt.During operation of the gas turbine 10, the axial turbocharger 18 draws in ambient air 34 through the intake housing 16 as a medium to be compressed and compresses it. The compressed air is guided through the compressor outlet diffuser 36 into the plenum 38, from where it flows into the burner 22. Fuel also passes into the combustion space 28 via the burners 22. There, the fuel is burned to a hot gas M with the addition of the compressed air. The hot gas M then flows into the hot gas duct 30, where it relaxes to perform work on the turbine blades of the turbine unit 24. The energy released during this time is absorbed by the rotor 14 and used on the one hand to drive the axial turbocharger 18 and on the other hand to drive a working machine or electric generator.

An das Turbinenausgangsgehäuse 26 der Gasturbine 10 schließt sich der Turbinen-Abgas-Verteiler 29 an. Beide Komponenten sind Teil des Gasturbinen-Abgas-Diffusors 21. Stromab des Turbinen-Abgas-Verteilers 29 ist ein nicht weiter dargestelltes Abgas-Gas-System vorgesehen. Dieses und der Gasturbinen-Abgas-Diffusor 21 bilden dabei das Abgas-Diffusor-System.To the turbine outlet housing 26 of the gas turbine 10, the turbine exhaust manifold 29 connects. Both components are part of the gas turbine exhaust diffuser 21. Downstream of the turbine exhaust manifold 29, a not further shown exhaust gas system is provided. This and the gas turbine exhaust diffuser 21 thereby form the exhaust gas diffuser system.

Der Gasturbinen-Abgas-Diffusor 21 umfasst einen Diffusorkanal 38, welcher aufgrund eines turbinenseitigen Radiallagers 37 einströmseitig ringförmig ausgestaltet ist. Das Radiallager 37 endet axial mit einer Nabe 39.The gas turbine exhaust diffuser 21 comprises a diffuser channel 38, which due to a turbine-side radial bearing 37 on the inflow side is designed ring-shaped. The radial bearing 37 ends axially with a hub 39.

Das Turbinenausgangsgehäuse 26 wird von einer äußeren Begrenzungswand 23 und der Turbinen-Abgas-Verteiler 29 wird von einer äußeren Begrenzungswand 40 gebildet. An der nach außen weisenden Fläche der Begrenzungswand 40 ist ein Ringkanal 31 vorgesehen. Der Ringkanal 31 erstreckt sich entlang des gesamten Umfangs der Begrenzung 40 und ist über eine Trennwand 33, die Teil der Begrenzungswand 40 ist, vom Diffusorkanal 38 nahezu vollständig getrennt. Der Ringkanal 31 weist seitlich eine Ringöffnung 43 auf, die in einem in der Begrenzungswand 40 angeordneten Ringspalt 35 mündet. Von außen mündet in den Ringkanal 31 eine Abblaseleitung 41. Die Abblaseleitung 41 umfasst drei Rohrleitungen, von denen lediglich eine Rohrleitung 42 dargestellt ist. Es können auch mehr als drei oder weniger Rohrleitungen vorgesehen sein. Die nicht dargestellten Rohrleitungen sind entlang des Umfangs der Gasturbine 10 verteilt. In jeder Rohrleitung ist zudem ein Ventil als Stellorgan 46 zum Schließen und teilweisem oder vollständigem Öffnen der Rohrleitungen vorgesehen. Alle Rohrleitungen 42 verbinden den Verdichter 18 oder das Plenum 38 mit dem Ringkanal 31, um diesem - entlang des Umfangs betrachtet - punktuell Abblaseluft zuzuführen.The turbine outlet housing 26 is formed by an outer boundary wall 23 and the turbine exhaust manifold 29 is formed by an outer boundary wall 40. On the outwardly facing surface of the boundary wall 40, an annular channel 31 is provided. The annular channel 31 extends along the entire circumference of the boundary 40 and is almost completely separated from the diffuser channel 38 via a partition wall 33, which is part of the boundary wall 40. The annular channel 31 has laterally an annular opening 43 which opens into an annular gap 35 arranged in the boundary wall 40. From the outside, a blow-off line 41 opens into the annular channel 31. The blow-off line 41 comprises three pipes, of which only one pipe 42 is shown. It can also be provided more than three or fewer pipes. The pipes, not shown, are distributed along the circumference of the gas turbine 10. In each pipeline also a valve is provided as an actuator 46 for closing and partial or complete opening of the pipes. All pipes 42 connect the compressor 18 or the plenum 38 with the annular channel 31, to this - viewed along the circumference - selectively supplying blow-off air.

Zudem ist in Figur 1 eine virtuelle Ebene 44 eingezeichnet, die in der mittleren Strömungslinie 45 der ringförmigen Strömungspassage zwischen Ringöffnung 43 und Ringspalt 35 angesiedelt ist. Im gezeigten Längsschnitt schließt die mittlere Strömungslinie 45 mit der nach innen gerichteten Fläche der Trennwand 33 einen Winkel α ein, der vorzugsweise kleiner als 20° ist, wobei die Zeichnung dies so nicht wiedergibt. Beispielsweise kann der Winkel α 5° oder auch 10° betragen.Moreover, in FIG. 1 a virtual plane 44 is located, which is located in the mean flow line 45 of the annular flow passage between the annular opening 43 and annular gap 35. In the longitudinal section shown, the mean flow line 45 encloses with the inwardly facing surface of the partition wall 33 an angle α, which is preferably less than 20 °, the drawing does not reflect this. For example, the angle α can be 5 ° or even 10 °.

Durch eine derartige Anordnung wird eine über den Umfang des Gasturbinen-Abgas-Diffusors 21 wesentlich vergleichmäßigte Zuführung der Abblaseluft erreicht, so dass für alle Umfangspositionen der wandnahen Diffusorströmung eine weitestgehend vergleichmäßigte Energiemenge in Form von Abblaseluft zugeführt werden kann. Bei Zuführung von Abblaseluft verringert sich die Neigung der Diffusorströmung zum Ablösen und/oder es wird die Neigung der Diffusorströmung zum Wiederanlegen verbessert, was insbesondere für den Teillastbetrieb von Vorteil ist. Darüber hinaus wird die Begrenzungswand 40 in Umfangsrichtung gleichmäßiger gekühlt, was die Begrenzungswände 40 vor thermischer Ungleichbelastung schützt.By such an arrangement a substantially uniform over the circumference of the gas turbine exhaust diffuser 21 supply of blow-off air is achieved, so that for all circumferential positions of the near-wall diffuser flow as far as possible uniformed amount of energy in the form of blow-off air can be supplied. When blown air is supplied, the tendency of the diffuser flow to detach and / or the inclination of the diffuser flow for re-application is improved, which is particularly advantageous for the partial load operation. In addition, the boundary wall 40 is cooled more uniformly in the circumferential direction, which protects the boundary walls 40 from thermal unequal loading.

Aufgrund des Ringspalts 35 und des spitzen Winkels α dringt zudem die der Diffusorströmung zugeführte Ringströmung nunmehr weniger tief in Richtung Zentrum des Diffusors ein als die der punktuell zugeführten Abblaseluft im Stand der Technik. Hierdurch wird die Diffursorkernströmung weniger gestört. Insbesondere bei Teillastbetrieb begrenzt dies die Wirkungsgradverluste des Abgas-Diffusors 21.Due to the annular gap 35 and the acute angle α, moreover, the annular flow supplied to the diffuser flow now penetrates less deeply in the direction of the center of the diffuser than that of the blow-off air supplied selectively in the prior art. As a result, the diffuser core flow is less disturbed. Especially at partial load operation, this limits the efficiency losses of the exhaust gas diffuser 21.

Gleichzeitig oder alternativ zur Abblasung von Verdichterluft in den Gasturbinen-Abgas-Diffusor 21 kann eine weitere Abblasung in analoger Ausgestaltung stromab der letzten Turbinenlaufschaufelreihe 47 vorgesehen sein. Diese ist in Figur 1 lediglich durch den Ringkanal 48 angedeutet.Simultaneously or alternatively to the blow-off of compressor air into the gas turbine exhaust diffuser 21, a further blow-off in an analogous configuration may be provided downstream of the last turbine blade row 47. This is in FIG. 1 indicated only by the annular channel 48.

Insgesamt betrifft die Erfindung eine Gasturbine 10 mit einem sich an eine Turbineneinheit 24 anschließenden Abgas-Diffusor 21, dessen Diffusorkanal 38 von einer konischen Wand 23 begrenzt ist und in dem zumindest eine Rohrleitungen 42 umfassende Abblaseleitung 41 ausströmseitig endet, dessen einströmseitiges Ende mit einem Verdichter 18 der Gasturbine 10 verbunden ist. Um auch im Teillastbetrieb der Gasturbine 10 aerodynamische, die Effizienz des Abgas-Diffusor 21 reduzierende Phänomene zu vermeiden, ist vorgesehen, dass mehrere Rohrleitungen 42 in einem gemeinsamen Ringkanal 31, 48 enden, wobei dieser Ringkanal 31, 48 stromab ringspaltförmig in der Begrenzungswand 23, 40 mündet.Overall, the invention relates to a gas turbine 10 having a subsequent to a turbine unit 24 exhaust diffuser 21, the diffuser channel 38 is bounded by a conical wall 23 and in the at least one pipe 42 comprehensive Abblaseleitung 41 outflow ends, whose inflow-side end with a compressor 18th the gas turbine 10 is connected. In order to avoid 10 aerodynamic, the efficiency of the exhaust gas diffuser 21 reducing phenomena in part-load operation of the gas turbine 10, it is provided that a plurality of pipes 42 in a common annular channel 31, 48 ends, said annular channel 31, 48 downstream ringpaltförmig in the boundary wall 23, 40 opens.

Claims (5)

Gasturbine (10) mit einem sich an eine Turbineneinheit (24) anschließenden Abgas-Diffusor (21), dessen Diffusorkanal (38) von einer konischen Wand (23, 40) begrenzt ist und in dem zumindest eine Rohrleitungen (42) umfassende Abblaseleitung (41) ausströmseitig endet, dessen einströmseitiges Ende mit einem Verdichter (18) der Gasturbine (10) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, das
mehrere Rohrleitungen (42) in einem gemeinsamen Ringkanal (31, 48) enden, welcher Ringkanal (31, 48) stromab ringspaltförmig in der Begrenzungswand (23, 40) mündet.Gas turbine (10) with an exhaust gas diffuser (21) adjoining a turbine unit (24), whose diffuser channel (38) is delimited by a conical wall (23, 40) and in which at least one pipe (42) comprising blow-off line (41 ) outflow ends, whose inflow-side end is connected to a compressor (18) of the gas turbine (10),
characterized, that
a plurality of pipes (42) in a common annular channel (31, 48) terminate, which annular channel (31, 48) downstream annular gap-shaped in the boundary wall (23, 40) opens. Gasturbine (10) nach Anspruch 1,
bei der der Ringkanal (31, 48) im Mündungsbereich mit der Begrenzungswand (23, 40) einen Winkel α kleiner als 20° einschließt.Gas turbine (10) according to claim 1,
wherein the annular channel (31, 48) in the mouth region with the boundary wall (23, 40) forms an angle α smaller than 20 °. Gasturbine (10) nach Anspruch 2,
bei der der Ringspalt (35) unmittelbar stromab von Laufschaufeln (47) einer letzten Turbinenstufe der Turbineneinheit (24) angesiedelt ist.Gas turbine (10) according to claim 2,
in which the annular gap (35) is located directly downstream of blades (47) of a last turbine stage of the turbine unit (24). Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche und mit in den Abblaseleitungen (41) angeordneten Stellorganen (46) zum Schließen und Öffnen der Abblaseleitungen (41),
bei dem während des Nennlastbetriebs die Stellorgane (46) geschlossen sind und bei dem mit dem Wechsel zu einem Teillastbetrieb oder nach dem Wechsel zum Teillastbetrieb die Stellorgane (46) zumindest teilweise geöffnet werden.Method for operating a gas turbine (10) according to one of the preceding claims and with actuators (46) arranged in the blow-off lines (41) for closing and opening the blow-off lines (41),
in which the actuators (46) are closed during nominal load operation and in which the actuators (46) are at least partially opened by the change to a partial load operation or after the change to partial load operation. Verfahren nach Anspruch 4,
bei dem abhängig vom Auftreten von Strömungsablösungen im Diffusorkanal (38) die Stellorgane (46) geöffnet werden.Method according to claim 4,
in which, depending on the occurrence of flow separation in the diffuser channel (38), the actuators (46) are opened.
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