RU2560131C2

RU2560131C2 - Выхлопной диффузор газовой турбины

Info

Publication number: RU2560131C2
Application number: RU2012149450/06A
Authority: RU
Inventors: Марк БРЕКЕР; Тобиас БУХАЛЬ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2015-08-20
Also published as: RU2012149450A; WO2011131651A1; EP2561187A1; JP2013525669A; CN102844527A; EP2381071A1; JP5592000B2; CN102844527B; US20130170972A1; EP2561187B1

Abstract

Выхлопной диффузор (10) для газовой турбины имеет расширяющийся в направлении выхода (20) диффузора проточный канал (22), в центре которого предусмотрен распространяющийся в осевом направлении направляющий аппарат (14). Направляющий аппарат 14 по меньшей мере на одном осевом участке своей продольной протяженности имеет несколько распределенных по периметру, расположенных между направляющими элементами (32) углублений (30). Вдоль продольной протяженности направляющего аппарата (14) каждый направляющий элемент (32) проходит по спиральной линии. Позволяет получить дополнительно укороченный выхлопной диффузор, направляющий аппарат которого обладает особенно высокой прочностью и склонность которого к вибрации, обусловленной потоком, снижена. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение касается выхлопного диффузора для газовой турбины, имеющего расширяющийся в направлении выхода диффузора проточный канал, в центре которого предусмотрен распространяющийся в осевом направлении направляющий аппарат.

Такого рода выхлопной диффузор служит для замедления течения отработавших газов газовой турбины и для восстановления по меньшей мере части динамического давления. Чтобы предложить выхлопной диффузор со сравнительно большим углом раскрытия, равным 10° и больше, например, из DE 19805115 A1 известно расположение в центре канала диффузора, распространяющегося в осевом направлении направляющего аппарата. Благодаря применению направляющего аппарата выхлопной диффузор выполнен в виде кольцевого диффузора. Благодаря этому предотвращаются большие области зон обратного течения позади втулки газовой турбины, что предпочтительно сказывается на коэффициенте полезного действия выхлопного диффузора. Недостаток, однако, заключается в том, что направляющий аппарат является сравнительно длинным и вследствие своей длины должен опираться посредством дополнительных стоек. Кроме того, не учтены аэродинамические воздействия стоек несущей опоры.

Кроме того, из US 5791136 известен выхлопной диффузор газовой турбины, снабженный центральным барабанным аппаратом, на боковой поверхности которого предусмотрено множество лопаток, установленных без возможности вращения. Лопатки служат для выравнивания потока отработавших газов газовой турбины при низком падении давления.

В основу изобретения положена задача предложить компактный выхлопной диффузор для газовой турбины, который позволяет улучшить восстановление давления с целью достижения как можно более высокого коэффициента полезного действия газовой турбины. Кроме того, выхлопной диффузор должен обеспечивать возможность выравнивания оттока из диффузора, так чтобы в подключенном к газовой турбине утилизационном парогенераторе происходило как можно более гомогенное втекание горячего газа из турбины.

Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью выхлопного диффузора с признаками п.1 формулы изобретения. Для этого направляющий аппарат выхлопного диффузора такого рода по меньшей мере на одном осевом участке своей продольной протяженности имеет некоторое количество распределенных по периметру, расположенных между направляющими элементами углублений, при этом каждый направляющий элемент распространяется по спиральной линии.

Изобретение основано на знании о том, что должны использоваться вторичные потоки, возникающие на стойках несущей опоры задней опорной крестовины при натекании закрученного потока, чтобы усиливать перемешивание за концом втулки и таким образом дополнительно сокращать длину зон обратного потока позади втулки. Для этого направляющий аппарат выхлопного диффузора, который выполнен в виде, по существу, конического или цилиндрического тела, имеет распределенные по периметру углубления и направляющие элементы, чтобы оптимально направлять и усиливать вторичные потоки. Вторичные потоки направляют текучую среду от напорной стороны стоек несущей опоры по спиралеобразным траекториям. Благодаря применению углублений и направляющих элементов вторичные потоки могут, таким образом, попадать ближе к центральной оси диффузора, и направляющий аппарат может быть выполнен более коротким, чем в уровне техники, без уменьшения его эффективности. Благодаря сокращенной длине направляющего аппарата он может быть выполнен также висячим. Особое преимущество изобретения заключается в использовании вторичных потоков, создаваемых на установленных в определенном положении и/или профилированных стойках несущей опоры, чтобы с помощью углублений во втулке направлять текучую среду еще ближе к оси втулки, чтобы таким образом дополнительно сокращать размер и, в частности, длину зоны обратного потока позади втулки. Это приводит к дополнительно повышенной эффективности выхлопного диффузора.

Благодаря установленной в определенном положении относительно центральной оси ориентации направляющих элементов (подъем) обеспечивается как чрезвычайно эффективная, так и компактная конструкция для раскрутки потока. Подъем спиральной линии при этом сравнительно велик, так что спиральные линии только в незначительной степени наклонены относительно центральной оси выхлопного диффузора. Подъем может также уменьшаться по своей протяженности. Предпочтительно он все же увеличивается, чтобы получить вытекание из выхлопного диффузора с наименьшим возможным закручиванием. Эта система предпочтительна, в частности, у осевого выхлопного диффузора, у которого количество направляющих элементов равно количеству стоек несущей опоры, которые предусмотрены для опирания в турбине ротора газовой турбины в выхлопном диффузоре или непосредственно выше по потоку от него.

В предпочтительном варианте осуществления направляющий аппарат имеет контур поперечного сечения, расположенного перпендикулярно центральной оси выхлопного диффузора, звездообразной формы, концы которого образованы соответствующими направляющими элементами. С помощью звездообразного контура поперечного сечения может достигаться гораздо большая прочность внутренней стенки выхлопного диффузора, выполненного теперь в виде кольцевого диффузора. Склонность направляющего аппарата к вибрации, обусловленной потоком, при этом существенно сокращается. Следовательно, можно также выполнить направляющий аппарат закрепленным только с одной стороны, так чтобы его конец, обращенный к выходу диффузора, свободно вися в выхлопном диффузоре, выступал наружу. Создающего аэродинамические помехи, а также повышающего расходы опирания направляющего аппарата со стороны вытекания можно, следовательно, избежать благодаря более высокой жесткости направляющего аппарата.

В целесообразном усовершенствованном варианте осуществления каждый направляющий элемент имеет выступающую от центральной оси выхлопного диффузора наружу наружную вершину, кратчайшее расстояние от которой до центральной оси (то есть в поперечном сечении, расположенном перпендикулярно к центральной оси) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора. При этом каждое углубление имеет расположенное радиально внутри дно, кратчайшее расстояние от которого до центральной оси (то есть в поперечном сечении, расположенном перпендикулярно к центральной оси) также уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора. Благодаря этому достигается расширение проточного поперечного сечения выхлопного диффузора также со стороны втулки, что способствует дополнительному сокращению осевой длины конструкции выхлопного диффузора. Увеличение проточного поперечного сечения должно, таким образом, достигаться не только посредством увеличения диаметра наружной кольцевой стенки выхлопного диффузора. Эта мера также сокращает осевую длину конструкции выхлопного диффузора.

Предпочтительно каждый направляющий элемент, если смотреть в направлении потока выхлопного диффузора, расположен в продолжение линии стоек несущей опоры. В частности, благодаря этому можно использовать вторичные потоки, возникающие на стойках несущей опоры задней опорной крестовины при натекании закрученного потока, чтобы усиливать перемешивание за концом втулки и достигать улучшенного восстановления давления. В частности, завихрения вторичного потока вдоль напорной стороны стоек несущей опоры могут тогда особенно выгодно в аэродинамическом отношении направляться в углубление направляющего аппарата, что сопровождается только сравнительно малыми аэродинамическими потерями. При этом может быть предусмотрено, чтобы уже на том осевом участке выхлопного диффузора, на котором расположены стойки несущей опоры, направляющий аппарат между стоек имел дугообразный в окружном направлении контур внутренней стенки, кратчайшее расстояние от которого до центральной оси выхлопного диффузора уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора. Другими словами, не только примыкающий к стойкам несущей опоры направляющий аппарат может быть выполнен коническим, но и внутренняя стенка кольцеобразного выхлопного диффузора на осевом участке стоек несущей опоры также может быть выполнена уже конической, при этом ее диаметр также уменьшается к выходному концу выхлопного диффузора.

В частности, в случае утилизационного парогенератора, подключенного к газовой турбине со стороны отработавших газов через выхлопной диффузор, достигается экономия материала за счет сокращения сопутствующих паропроводов к утилизационному парогенератору или котлу-утилизатору. Соответствующий утилизационный парогенератор или котел лежачей или стоячей конструкции может быть тогда выполнен с относительно малой поверхностью нагрева, так как вследствие сравнительно гомогенного или более равномерного натекания она используется лучше, чем до сих пор. При этом снижается потеря давления котла со стороны отработавших газов, что, в свою очередь, приводит к выигрышу в коэффициенте полезного действия газовой турбины.

Примеры осуществления изобретения поясняются подробнее с помощью чертежа.

На нем показано:

фиг.1: выхлопной диффузор газовой турбины в частично рассеченном, частично перспективном изображении с расположенным в центре направляющим аппаратом,

фиг.2: поперечное сечение направляющего аппарата, показанного на фиг.1, изображенное в первом сечении и

фиг.3: направляющий аппарат, показанный на фиг.1, во втором сечении.

На фиг.1 изображен выхлопной диффузор 10 для газовой турбины в продольном сечении, при этом расположенная в центре выхлопного диффузора 10 опорная крестовина 12 для опирания на турбину ротора газовой турбины и расположенного на нем направляющего аппарата 14 показаны в перспективном изображении. Выхлопной диффузор 10 имеет находящуюся в его центре центральную ось 16, которая распространяется от расположенного со стороны втекания конца 18 к расположенному со стороны вытекания концу 20. В выхлопном диффузоре 10 предусмотрен проточный канал 22, поперечное сечение которого, расположенное перпендикулярно к центральной оси, имеет кольцевой контур. Проточный канал 22 ограничен при этом расположенной радиально снаружи наружной стенкой 24. В центре выхлопного диффузора 10, то есть в области его центральной оси 16 расположен направляющий аппарат 14, являющийся при этом расположенным радиально внутри ограничением проточного канала 22. Направляющий аппарат 14 опирается при этом на пять равномерно или же неравномерно распределенных по периметру стоек 26 несущей опоры. На осевом участке A выхлопного диффузора 10, на котором также расположены стойки 26 несущей опоры, внутри направляющего аппарата заканчивается обращенный к турбине конец ротора газовой турбины, который в целях наглядности не изображен. Выше по потоку от участка A, то есть в направлении расположенного со стороны втекания конца 18 направляющий аппарат 14 выполнен цилиндрическим. Предусмотрено, что уже на участке A направляющий аппарат 14 между стойками 26 несущей опоры имеет не цилиндрический контур внутренней стенки, а что уже там предусмотрены увеличивающиеся (углубляющиеся) углубления 30. Ниже по потоку от участка A распределенные по периметру направляющего аппарата 14 углубления 30 ограничиваются направляющими элементами 32, так что в тангенциальном направлении поочередно расположены углубления 30 и направляющие элементы 32. Количество направляющих элементов 32 соответствует при этом количеству стоек 26 несущей опоры, в изображенном примере осуществления предусмотрено по пять направляющих элементов 32 и стоек 26 несущей опоры. Может быть также предусмотрено больше или меньше направляющих элементов 32 или соответственно стоек 26 несущей опоры. Поскольку стойки 26 несущей опоры распределены по периметру неравномерно, углубления 30 и направляющие элементы 32 со стороны втекания распределены соответственно неравномерно. Со стороны вытекания, во всяком случае, предпочтительно их равномерное распределение. Известным образом стойки 26 несущей опоры являются аэродинамически профилированными. Таким образом, стойки 26 несущей опоры имеют предварительно заданный угол скоса потока, который также известен у турбинных лопаток и лопаток компрессоров, в аэродинамическом продолжении линии которого направляющие элементы 32 скручиваются с наклоном относительно центральной оси в направлении расположенного со стороны вытекания конца 20 выхлопного диффузора 10. Каждый направляющий элемент 32 имеет выступающую наружу вершину 36, крайняя наружная точка которой находится на кратчайшем расстоянии от центральной оси выхлопного диффузора 10, для каждого произвольного, расположенного перпендикулярно центральной оси 16 поперечного сечения, и это расстояние уменьшается с уменьшением осевого расстояния от поперечного сечения до выхода 20 диффузора. То же самое относится к каждому углублению. Кратчайшее расстояние от расположенного радиально внутри дна 38 до центральной оси 16 уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора. Благодаря этому направляющий аппарат 14 выше по потоку от своего участка A приобретает в целом конический вид, что приводит к тому, что внутренняя поверхность поперечного сечения направляющего элемента, через которую не протекает отработавший газ, постоянно уменьшается. В конце направляющего аппарата остается, таким образом, только сравнительно небольшое поперечное сечение, которое может приводить к областям обратного потока, которые соответственно выполнены сравнительно короче и слабее.

На фиг.2 и 3 изображены расположенные перпендикулярно центральной оси 16 виды поперечного сечения направляющего аппарата 14 в соответствии с сечениями II и III, указанными на фиг.1. При этом идентичные признаки снабжены идентичными ссылочными обозначениями.

В целом изобретение предлагает выхлопной диффузор 10 для газовой турбины, имеющий расширяющийся в направлении выхода 20 диффузора проточный канал 22, в центре которого предусмотрен распространяющийся в осевом направлении направляющий аппарат 14. Чтобы предложить дополнительно укороченный выхлопной диффузор 10, направляющий аппарат 14 которого обладает особенно высокой прочностью и склонность которого к вибрации, обусловленной потоком, снижена, предусмотрено, чтобы направляющий аппарат 14 по меньшей мере на одном осевом участке своей продольной протяженности имел некоторое количество распределенных по периметру, расположенных между направляющими элементами 32 углублений 30.

Claims

1. Выхлопной диффузор (10) для газовой турбины,
имеющий расширяющийся в направлении выхода диффузора проточный канал (22), в центре которого предусмотрен проходящий в осевом направлении направляющий аппарат (14),
при этом направляющий аппарат (14) по меньшей мере на одном осевом участке своей продольной протяженности имеет несколько распределенных по периметру, расположенных между направляющими элементами (32) углублений (30),
отличающийся тем, что
в нем вдоль продольной протяженности направляющего аппарата (14) каждый направляющий элемент (32) проходит по спиральной линии.

2. Выхлопной диффузор (10) по п.1, у которого направляющий аппарат (14) перпендикулярно центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) имеет контур поперечного сечения звездообразной формы, концы которого образованы соответствующими направляющими элементами (32).

3. Выхлопной диффузор (10) по п.1 или 2, у которого каждый направляющий элемент имеет выступающую от центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) наружу вершину (36), кратчайшее расстояние от которой до центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода (20) диффузора.

4. Выхлопной диффузор (10) по п.1 или 2, у которого каждое углубление (30) имеет расположенное радиально внутри дно (38), кратчайшее расстояние от которого до центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода (20) диффузора.

5. Выхлопной диффузор (10) по п.3, у которого каждое углубление (30) имеет расположенное радиально внутри дно (38), кратчайшее расстояние от которого до центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода (20) диффузора.

6. Выхлопной диффузор (10) по любому из пп.1, 2 или 5, у которого осевой участок направляющего аппарата (14), снабженный углублениями (30) и направляющими элементами (32), проходит по всей осевой протяженности направляющего аппарата (14).

7. Выхлопной диффузор (10) по п.3, у которого осевой участок направляющего аппарата (14), снабженный углублениями (30) и направляющими элементами (32), проходит по всей осевой протяженности направляющего аппарата (14).

8. Выхлопной диффузор (10) по п.4, у которого осевой участок направляющего аппарата (14), снабженный углублениями (30) и направляющими элементами (32), проходит по всей осевой протяженности направляющего аппарата (14).

9. Выхлопной диффузор (10) по любому из пп.1, 2, 5, 7 или 8, у которого количество направляющих элементов (32) равно количеству стоек (26) несущей опоры, предусмотренных для обеспечения опоры со стороны турбины ротора газовой турбины.

10. Выхлопной диффузор (10) по п.3, у которого количество направляющих элементов (32) равно количеству стоек (26) несущей опоры, предусмотренных для обеспечения опоры со стороны турбины ротора газовой турбины.

11. Выхлопной диффузор (10) по п.4, у которого количество направляющих элементов (32) равно количеству стоек (26) несущей опоры, предусмотренных для обеспечения опоры со стороны турбины ротора газовой турбины.

12. Выхлопной диффузор (10) по п.6, у которого количество направляющих элементов (32) равно количеству стоек (26) несущей опоры, предусмотренных для обеспечения опоры со стороны турбины ротора газовой турбины.

13. Выхлопной диффузор (10) по п.9, у которого каждый направляющий элемент (32), если смотреть в проточном направлении выхлопного диффузора (10), расположен в продолжении линии стоек (26) несущей опоры.

14. Выхлопной диффузор (10) по любому из пп.10-12, у которого каждый направляющий элемент (32), если смотреть в проточном направлении выхлопного диффузора (10), расположен в продолжении линии стоек (26) несущей опоры.

15. Выхлопной диффузор (10) по любому из пп.10-13, у которого на осевом участке (А) стоек (26) несущей опоры предусмотрен дугообразный в окружном направлении контур внутренней стенки между стойками (26) несущей опоры, кратчайшее расстояние от которого до центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора.

16. Выхлопной диффузор (10) по п.9, у которого на осевом участке (А) стоек (26) несущей опоры предусмотрен дугообразный в окружном направлении контур внутренней стенки между стойками (26) несущей опоры, кратчайшее расстояние от которого до центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора.

17. Выхлопной диффузор (10) по п.14, у которого на осевом участке (А) стоек (26) несущей опоры предусмотрен дугообразный в окружном направлении контур внутренней стенки между стойками (26) несущей опоры, кратчайшее расстояние от которого до центральной оси (16) выхлопного диффузора (10) уменьшается с уменьшением осевого расстояния до выхода диффузора.

18. Газотурбинная установка, снабженная выхлопным диффузором (10) по одному из пп.1-17.

19. Газотурбинная установка по п.18, снабженная подключенным к выхлопному диффузору (10) утилизационным парогенератором.