EP2837771A1 - Design of an axial diffuser taking built-in components into account - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Axialdiffusor (3) mit einer sich aufweitenden Diffusorwand (12, 13) und mit Einbauten (4), die sich an gewählten Umfangspositionen des Axialdiffusors (3) befinden, wobei in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) der Axialdiffusor (3) mit einem Mittel zur Minderung der Ablöseneigung so ausgestaltet ist, dass eine Wirkung der Einbauten (4) auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne das Mittel ablösen würde, zu verhindern.The invention relates to an axial diffuser (3) with a widening diffuser wall (12, 13) and internals (4) located at selected circumferential positions of the axial diffuser (3), the axial diffuser (3) being located upstream of the internals (4) ) is designed with a means for reducing the Ablöseabigung so that an effect of the baffles (4) is taken into account a flow to prevent separation of the flow, which would replace without the agent.
Description
Die Erfindung betrifft einen verbesserten Axialdiffusor zur Berücksichtigung von Einbauten.The invention relates to an improved axial diffuser for the consideration of internals.
In einer Gasturbine erfolgt zunächst eine Verdichtung eines Gasgemisches in einem Verdichter. Aus dem Verdichter strömt das Gasgemisch mit einer gewissen Geschwindigkeit. Der dem Verdichter folgende Axialdiffusor bewirkt, dass die aus dem Verdichter kommende Strömung sich verlangsamt und der statische Druck weiter ansteigt. Hierzu hat der Axialdiffusor eine sich aufweitende Diffusorwand, das heißt der Querschnitt wird größer. Dies verlangsamt die Strömung und führt dazu, dass der mit der Geschwindigkeit verbundene dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt wird.In a gas turbine, first a compression of a gas mixture takes place in a compressor. From the compressor, the gas mixture flows at a certain speed. The axial diffuser following the compressor causes the flow coming from the compressor to slow down and the static pressure continues to increase. For this purpose, the axial diffuser has a widening diffuser wall, that is, the cross section is larger. This slows down the flow and causes the dynamic pressure associated with the velocity to be converted to static pressure.
Aus der
Ein generelles Problem bei Axialdiffusoren besteht darin, dass einerseits wirksam die Strömung verlangsamt werden soll und der mit der Strömung verbundene dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt werden soll. Dies spricht zunächst dafür den Strömungsquerschnitt stark zu erhöhen, also dafür sich stark aufweitende Diffusorwände vorzusehen. Andererseits kann eine zu starke Aufweitung dazu führen, dass sich die Strömung von den Wänden ablöst. Mit einer solchen Ablösung der Strömung sind Energieverluste verbunden. Eine Ablösung der Strömung erfolgt mitunter aufgrund von Einbauten in einem Axialdiffusor. Einbauten können für die mechanische Befestigung erforderlich sein. Aufgabe der Erfindung ist es die Umwandlung von dynamischem Druck in statischen Druck bei gleichzeitig möglichst niedrigem Energieverlust bei vorhandenen Einbauten zu verbessern.A general problem with axial diffusers is that on the one hand the flow should be slowed down effectively and the dynamic pressure associated with the flow should be converted into static pressure. This speaks first for the flow cross section to increase greatly, so to provide for greatly expanding diffuser walls. On the other hand, too much expansion can cause the flow to detach from the walls. With such a separation of the flow energy losses are connected. A separation of the flow is sometimes due to installations in an axial diffuser. Built-in components may be required for mechanical fastening. The object of the invention is the conversion of dynamic pressure into static pressure to simultaneously improve the lowest possible energy loss in existing installations.
Die Lösung dieser Aufgabe findet sich insbesondere in den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterentwicklungen an. Weitere Einzelheiten und Erläuterungen der Lösung finden sich in der Beschreibung samt der zugehörigen Zeichnung.The solution to this problem can be found in particular in the independent claims. The dependent claims indicate advantageous developments. Further details and explanations of the solution can be found in the description together with the accompanying drawings.
Es wurde ein Axialdiffusor mit einer sich aufweitenden Diffusorwand bereitgestellt. Der Axialdiffusor kommt im Regelfall in einer Strömungsmaschine, insbesondere in einer Gasturbine, zum Einsatz. Im Axialdiffusor sind Einbauten vorhanden, die sich an bestimmten Umfangspositionen des Axialdiffusors befinden. Derartige Einbauten sind häufig vorhanden und dienen etwa der mechanischen Befestigung des Axialdiffusors, können also nicht ohne weiteres entfallen.An axial diffuser with an expanding diffuser wall was provided. As a rule, the axial diffuser is used in a turbomachine, in particular in a gas turbine. In the axial diffuser internals are present, which are located at certain circumferential positions of the axial diffuser. Such internals are often available and serve as the mechanical attachment of the axial diffuser, so can not be omitted readily.
Die Einbauten bringen aber das Problem mit sich, dass die Strömung verstärkt zur Ablösung neigt. Es versteht sich dabei, dass dies auch von den jeweiligen Druckverhältnissen und Volumenströmen abhängt. Diese sind aber etwa aufgrund der Leistung einer Gasturbine - bei Gasturbinen handelt es sich um ein wesentliches Anwendungsgebiet des vorliegenden Axialdiffusors - weitgehend vorgegeben, zumindest sind die angestrebten Drücke und Volumenströme bekannt. Dabei sollte im Axialdiffusor eine optimale Umwandlung von dynamischem Druck in statischen Druck erfolgen.However, the internals bring with it the problem that the flow tends increasingly to detachment. It goes without saying that this also depends on the respective pressure conditions and volume flows. But these are largely due to the performance of a gas turbine - in gas turbines is an essential field of application of the present axial diffuser - largely predetermined, at least the desired pressures and flow rates are known. In the axial diffuser, an optimal conversion of dynamic pressure into static pressure should take place.
Um dies auch bei vorhandenen Einbauten zu erreichen, ist in Strömungsrichtung vor den Einbauten der Axialdiffusor mit einem Mittel zur Minderung der Ablöseneigung so ausgestaltet, dass eine Wirkung der Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne das Mittel ablösen würde, zu verhindern.In order to achieve this also with existing internals, in the flow direction before the internals of the axial diffuser with a means for reducing the tendency to detachment is designed so that an effect of the internals is taken into account a flow of flow, which would replace without the agent , to prevent.
Es geht also darum die eingangs genannte Ablösung der Strömung durch entsprechende Ausgestaltung zu verhindern. Es muss klar sein, dass dies im Blick auf Strömung erfolgen muss, die ohne das Mittel ablösen würde. Die Ausgestaltung hängt also nicht nur von den Einbauten ab, sondern auch von der Strömung, die ablösungsfrei durch den Axialdiffusor fließen soll. Bei einem schwach durchströmten Diffusor, etwa im Teillastbetrieb einer Gasturbine, tritt mitunter ohnehin keine Ablösung auf. Auch ist darauf hinzuweisen, dass freilich auch Strömungen auftreten können, bei denen trotz der Verwendung der Mittel eine Ablösung nicht verhindert werden kann.It is therefore about the above-mentioned replacement of the flow to prevent by appropriate design. It must be clear that this has to be done in terms of current, which would replace without the means. The design thus depends not only on the internals, but also on the flow, which is to flow without separation through the axial diffuser. In a weakly flowed diffuser, such as in part-load operation of a gas turbine, occurs sometimes no detachment anyway. It should also be noted that, of course, currents can occur in which, despite the use of funds, a replacement can not be prevented.
Zur Vermeidung von Missverständnissen sei erläutert, wie der Begriff Umfangsposition zu verstehen ist. Blickt man in Strömungsrichtung in den Axialdiffusor, so sind wie oben erwähnt die Einbauten an gewählten Umfangspositionen, also etwa vier Einbauten gleichmäßig um den Umfang verteilt. Legt man ein Koordinatensystem in den Axialdiffusor, kann man sich auch vorstellen, dass die Einbauten an bestimmten Winkelpositionen liegen. Am Beispiel vier gleichmäßig um den Umfang verteilter Einbauten beispielweise bei 0°, 90°, 180° und 270°. Auch wenn vorliegend der Begriff Umfangsposition verwendet werden soll, könnte man auch von einer Winkelposition sprechen. Zur genauen Lagebestimmung etwa von Einbauten ist selbstverständlich darüber hinaus noch anzugeben, an welcher Stelle in Strömungsrichtung, also an welcher Längenposition sich die Einbauten befinden.To avoid misunderstandings, it explains how the term circumferential position is to be understood. If one looks in the direction of flow in the axial diffuser, as mentioned above, the internals at selected circumferential positions, so distributed about four internals evenly around the circumference. If you place a coordinate system in the axial diffuser, you can also imagine that the internals are at certain angular positions. For example, four evenly distributed around the circumference internals, for example, at 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. Although the term circumferential position should be used in this case, one could also speak of an angular position. For the exact position determination of internals is of course also specify at which point in the flow direction, ie at which length position the internals are.
Vorliegend wird von Strömungsrichtung im Interesse einer anschaulichen Darstellung auch dann gesprochen, wenn dieser Begriff bei exakter Betrachtungsweise nur beim tatsächlich durchströmten Axialdiffusor korrekt sein mag. Unter Strömungsrichtung ist also nicht nur die Richtung einer tatsächlichen Strömung zu verstehen, sondern allgemein die Richtung, in der die vorgesehene Strömung fließt, also die Richtung vom niedrigen Querschnitt zum hohen Querschnitt.In the present case, the direction of flow in the interest of an illustrative presentation is also spoken of if, with a precise view, this term may only be correct in the case of the axial diffuser actually being flowed through. The flow direction is therefore to be understood as meaning not only the direction of an actual flow, but generally the direction in which the intended flow flows, ie the direction from the low cross section to the high cross section.
Schließlich gilt es darzustellen, dass es sich bei der Diffusorwand nicht um ein einzelnes Bauteil handeln muss. Die Diffusorwand kann sich aus mehreren Bauteilen oder Wandabschnitten zusammensetzen.Finally, it should be stated that the diffuser wall does not have to be a single component. The diffuser wall can be composed of several components or wall sections.
Nach den Klärungen der Begriffe soll eine wesentliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt werden. Dabei wird der Axialdiffusor genau an denjenigen Umfangspositionen, an denen sich die Einbauten befinden, stromauf so ausgestaltet, dass die Wirkung der Einbauten auf die Strömung berücksichtigt ist.After clarifying the terms, an essential embodiment of the invention will be illustrated. At the same time, the axial diffuser is configured upstream at those peripheral positions where the internals are located, so that the effect of the internals on the flow is taken into account.
Eine nähere Analyse zeigt, dass die an gewählten Umfangspositionen befindlichen Einbauten die Strömung in Strömungsrichtung vor den Einbauten eben an jenen Umfangspositionen beeinflussen und dort auch eine Ablösung der Strömung verursachen können. Daher ist der Axialdiffusor für eine optimale Auslegung gerade an diesen Umfangspositionen so ausgestaltet, dass die Wirkung der Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt ist.Closer analysis shows that the internals located at selected circumferential positions influence the flow in the flow direction in front of the internals just at those circumferential positions and can there cause a separation of the flow. Therefore, the axial diffuser is designed for optimal design just at these circumferential positions so that the effect of the internals is taken into account on a flow.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten in Strömungsrichtung vor den Einbauten die Diffusorwand eine geringere Aufweitung als das Mittel zur Minderung der Ablöseneigung auf als in anderen Bereichen. Wie bereits erwähnt hat der Axialdiffusor eine sich aufweitende Diffusorwand, um den Querschnitt zu erhöhen und so die Strömung abzubremsen. Eine zu starke Aufweitung führt generell zur Ablösung der Strömung. Die Erkenntnis, dass die Strömung vor allem an den Umfangspositionen, an denen sich die Einbauten befinden, zur Ablösung neigt, wird nun dahingehend genutzt, dass die Aufweitung in den betroffenen Umfangspositionen geringer ist als in anderen Umfangspositionen.In one embodiment of the invention, in the region of the peripheral positions of the internals in the flow direction in front of the internals, the diffuser wall has a smaller expansion than the means for reducing the tendency to detachment than in other areas. As already mentioned, the axial diffuser has a flared diffuser wall to increase the cross-section and thus decelerate the flow. Excessive expansion generally leads to separation of the flow. The realization that the flow tends to detach primarily at the circumferential positions where the internals are located is now used so that the expansion in the circumferential positions involved is less than in other circumferential positions.
Neben der niedrigeren Aufweitung in den betroffenen Umfangspositionen sind auch andere Mittel denkbar. So könnte durch eine Gestaltung der Diffusorwand, welche zu höherer Turbulenz vor den Einbauten führt, die Ablöseneigung ebenfalls reduziert werden. Konkret könnte die Diffusorwand in den betroffenen Umfangspositionen mit einer turbulenzsteigernden Rauheit oder einem Stolperdraht versehen werden.In addition to the lower expansion in the affected circumferential positions, other means are conceivable. Thus, by a design of the diffuser wall, which leads to higher turbulence before the internals, the tendency to detachment could also be reduced. Specifically, the diffuser wall could be affected in the Circumferential positions are provided with a turbulence-increasing roughness or a trip wire.
Auch eine besonders reibungsarme Ausgestaltung der Diffusorwand in den betroffenen Umfangspositionen könnte als Mittel die Ablöseneigung reduzieren. Insgesamt scheint aber die niedrigere Aufweitung der Diffusorwand in den betroffenen Umfangspositionen die wohl beste Maßnahme zu sein.Even a particularly low-friction embodiment of the diffuser wall in the circumferential positions concerned could reduce the tendency to detach as a means. Overall, however, the lower expansion of the diffuser wall in the circumferential positions concerned seems to be the best option.
Wie bereits erwähnt handelt es bei den Einbauten oft um Stützrippen, die aus konstruktiven Gründen erforderlich sind, bisher aber in ihren strömungstechnischen Auswirkungen nicht hinreichend berücksichtigt worden sind.As already mentioned, the internals are often support ribs, which are required for design reasons, but have not yet been adequately considered in their fluidic effects.
Die oben beschriebenen Maßnahmen führen im Regelfall dazu, dass der Axialdiffusor in Strömungsrichtung vor den Einbauten nicht rotationssymmetrisch ist. Etwa wenn in Strömungsrichtung vor den Einbauten die Diffusorwand eine geringere Aufweitung auf als in anderen Bereichen aufweist, ist der Axialdiffusor nicht rotationssymmetrisch. Im Stand der Technik sind Axialdiffusoren dagegen normalerweise rotationssymmetrisch. Werden besondere Effekte beabsichtigt, wie etwa die in
Theoretisch könnte es auch möglich sein, dass die Überlagerung mehrerer Effekte, also etwa die Berücksichtigung von Einbauten und die Vergleichmäßigung einer ungleichmäßigen Strömung wiederum zu einem rotationssymmetrischen Axialdiffusor führen. Dies ist zwar sehr unwahrscheinlich, es scheint aber bisher nicht gänzlich ausgeschlossen zu sein, dass unter ganz bestimmten Bedingungen auch ein rotationssymmetrischer Axialdiffusor zum Einsatz kommen kann, wenn es gilt Einbauten strömungstechnisch zu berücksichtigen.Theoretically, it might also be possible that the superposition of several effects, such as the consideration of internals and the equalization of uneven flow in turn lead to a rotationally symmetric axial diffuser. Although this is very unlikely, it does not appear to be completely ruled out that, under very specific conditions, a rotationally symmetrical axial diffuser can also be used if it is necessary to consider internals fluidically.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Aufweitung der Diffusorwand an verschiedenen Umfangspositionen so gewählt, dass bei einer gewählten Strömung im Wesentlichen keine Ablösung erfolgt, wobei zugleich eine maximale Verzögerung der Strömung erfolgt. Die Aufweitung ist also so gewählt, dass gerade keine Ablösung erfolgt, während zugleich die unter vorgenannter Bedingung maximal mögliche Aufweitung gewählt ist und damit weitestgehende Verlangsamung der Strömung erreicht wird.In one embodiment of the invention, the expansion of the diffuser wall at different circumferential positions is chosen that at a selected flow substantially no detachment takes place, at the same time there is a maximum delay of the flow. The widening is thus chosen so that no detachment takes place at the same time as the maximum possible expansion under the aforementioned condition is selected and thus the greatest possible slowing down of the flow is achieved.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Auslegung eines Axialdiffusors, wobei die Wirkung von Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt wird, die ohne Berücksichtigung der Einbauten ablösen würde, und der Axialdiffusor so ausgestaltet wird, dass die Strömung nicht ablöst. Dabei geht es insbesondere um die Auslegung eines oben geschilderten Axialdiffusors. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obigen Schilderungen Bezug genommen.The invention also relates to a method for designing an axial diffuser, taking into account the effect of internals on a flow that would detach without consideration of the internals, and the axial diffuser is designed so that the flow does not detach. In particular, this involves the design of an axial diffuser described above. To avoid repetition, reference is made to the above descriptions.
Anhand von Figuren soll nachfolgend die Erfindung näher erklärt werden. Dabei zeigen
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht eines Gasturbinenauf-baus mit einem Axialdiffusor mit Stützrippen
- Fig. 2
- die Geschwindigkeitsverteilung in mehreren Diffusorebenen
- Fig. 3
- die Verschiebung des Ablösungsbereichs durch Einbauten
- Fig. 4
- eine grobschematische Skizze eines Axialdiffusors mit einer Stützrippe und einer niedrigeren Aufweitung stromaufwärts der Stützrippe
- Fig. 1
- a perspective view of a Gasturbinenauf construction with an axial diffuser with support ribs
- Fig. 2
- the velocity distribution in several diffuser planes
- Fig. 3
- the displacement of the detachment area by internals
- Fig. 4
- a rough schematic sketch of an axial diffuser with a support rib and a lower expansion upstream of the support rib
In
In der Kurve 9a ist der Bereich 10 zu erkennen, in dem die Geschwindigkeit niedrig ist. Dort erfolgt eine Ablösung der Strömung. Der oberhalb von Figurbereich 2c befindliche Bereich zeigt die verschiedenen Schraffuren für die Geschwindigkeit von 0 m/s bis 250 m/s.In the
In
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
Claims (7)
wobei in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) der Axialdiffusor (3) mit einem Mittel zur Minderung der Ablöseneigung so ausgestaltet ist, dass eine Wirkung der Einbauten (4) auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne das Mittel ablösen würde, zu verhindern.Axial diffuser (3) having a widening diffuser wall (12, 13) and with internals (4) located at selected circumferential positions of the axial diffuser (3),
wherein in the flow direction in front of the internals (4) of the axial diffuser (3) is designed with a means for reducing the Ablösigeigung that an effect of the internals (4) is taken into account a flow of flow, which replace without the agent would, prevent.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Axialdiffusor (3) an den Umfangspositionen der Einbauten (4) so ausgestaltet ist, dass die Wirkung der Einbauten (4) auf die Strömung berücksichtigt ist.Axial diffuser according to claim 1,
characterized in that
the axial diffuser (3) is designed at the circumferential positions of the internals (4) so that the effect of the internals (4) on the flow is taken into account.
im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten (4) in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) die Diffusorwand (12, 13) eine geringere Aufweitung aufweist als in anderen Bereichen.Axialdiffusor according to one of the preceding claims, characterized in that
in the region of the circumferential positions of the internals (4) in the flow direction in front of the internals (4), the diffuser wall (12, 13) has a smaller expansion than in other areas.
die Einbauten Stützrippen (4) sind.Axialdiffusor according to one of the preceding claims, characterized in that
the internals supporting ribs (4) are.
der Axialdiffusor (3) in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) nicht rotationssymmetrisch ist.Axialdiffusor according to one of the preceding claims, characterized in that
the axial diffuser (3) is not rotationally symmetrical in the flow direction in front of the internals (4).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufweitung der Diffusorwand (12, 13) an verschiedenen Umfangspositionen so gewählt ist, dass bei einer gewählten Strömung im Wesentlichen keine Ablösung erfolgt,
wobei zugleich eine maximale Verzögerung der Strömung erfolgt.Axial diffuser according to one of the preceding claims,
characterized in that
the widening of the diffuser wall (12, 13) at different circumferential positions is selected such that essentially no detachment takes place with a selected flow,
wherein at the same time there is a maximum delay of the flow.
wobei die Wirkung von Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt wird, die ohne Berücksichtigung der Einbauten ablösen würde, und der Axialdiffusor so ausgestaltet wird, dass die Strömung nicht ablöst.Method for designing an axial diffuser, in particular an axial diffuser according to one of the preceding claims,
taking into account the effect of internals on a flow that would detach without consideration of the internals, and the axial diffuser is designed so that the flow does not detach.
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2014
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PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
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STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
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18D | Application deemed to be withdrawn |
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