RU2575212C2

RU2575212C2 - Exhaust gas diffuser for gas turbine, gas turbine with such diffuser, and method of such gas turbine operation

Info

Publication number: RU2575212C2
Application number: RU2013106505/06A
Authority: RU
Inventors: Марк БРЕКЕР; Тобиас БУХАЛЬ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: exhaust gas diffuser for gas turbine contains ring external wall to direct flow, and ring directing element located concentrically to the external wall. Directed radially inside surface of the directing element has circumferential, in longitudinal cross-section convex contour to create the displacement element. The directing element is installed with possibility of shifting in axial direction between two positions. In the first position the directing element ensures possibility of flow passage between the directing element and external wall, and in the second position prevents flow passage between the directing element and external wall. The other invention of the group refers to turbine containing the above diffuser. During the gas turbine operation upon increasing of the mass flow the directing element is shifted in the direction of the second position, and upon mass flow decreasing the directing element is shifted in the direction of the first position.

EFFECT: group of inventions reduces aerodynamic losses in the diffuser at different operation modes.

8 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к диффузору отходящего газа для газовой турбины, содержащему кольцеобразную наружную стенку для направления потока диффузора, в которой предусмотрен расположенный концентрично наружной стенке кольцеобразный направляющий элемент для оказания влияния на поток диффузора. Кроме того, изобретение относится к способу работы газовой турбины с диффузором указанного вида.The invention relates to an exhaust gas diffuser for a gas turbine, comprising an annular outer wall for guiding the diffuser flow, in which an annular guide element arranged concentrically on the outer wall is provided to influence the diffuser flow. In addition, the invention relates to a method for operating a gas turbine with a diffuser of this type.

Газовые турбины и применяемые для них диффузоры отходящего газа давно известны из уровня техники. Например, из DE 19805115 А1 известен диффузор отходящего газа со сравнительно большим углом раскрыва 10° и больше. Такой большой угол раскрыва достигается тем, что в центре канала диффузора предусмотрено проходящее в осевом направлении направляющее тело для удлинения обычно короткой ступицы газовой турбины. За счет применения направляющего тела образуется диффузор отходящего газа в виде кольцевого диффузора. За счет этого предотвращаются большие области зон обратного потока позади ступицы газовой турбины, что предпочтительно сказывается на коэффициенте полезного действия диффузора отходящего газа. Однако недостатком является то, что направляющее тело является сравнительно длинным и поэтому на основании своей длины должно иметь опору с помощью дополнительных распорок. Кроме того, не учитываются аэродинамические влияния опорных распорок.Gas turbines and exhaust gas diffusers used for them have long been known in the art. For example, an exhaust gas diffuser with a relatively large aperture angle of 10 ° or more is known from DE 19805115 A1. Such a large opening angle is achieved in that an axially extending guide body is provided in the center of the diffuser channel to extend the usually short hub of the gas turbine. Through the use of a guide body, an exhaust gas diffuser is formed in the form of an annular diffuser. Due to this, large areas of the zones of the return flow behind the hub of the gas turbine are prevented, which preferably affects the efficiency of the exhaust gas diffuser. However, the disadvantage is that the guide body is relatively long and therefore, based on its length, must be supported by additional struts. In addition, the aerodynamic effects of the struts are not taken into account.

Известные короткие ступицы газовой турбины заканчиваются вFamous short gas turbine hubs end in

большинстве случаев непосредственно после расположенного на стороне турбины подшипника ротора газовой турбины. Однако они имеют особенно большие зоны обратного потока. При этом короткие ступицы газовой турбины являются особенно дешевыми. in most cases, immediately after the gas turbine rotor bearing located on the turbine side. However, they have particularly large backflow zones. However, short hubs of a gas turbine are particularly cheap.

Кроме того, из ЕР 1970539 А1 известен диффузор отходящего газа, который имеет внутри концентричный наружной стенке кольцеобразный направляющий элемент. При этом направляющий элемент выполнен так, что между наружной стенкой и направляющим элементом образуется сопловой канал, с помощью которого ускоряется поток вблизи стенки. За счет этого можно предотвращать отрыв потока после направляющего элемента. Однако с помощью направляющего элемента невозможно оказывать влияние на поток в центре диффузора отходящего газа, где могут возникать обратные потоки.In addition, an exhaust gas diffuser is known from EP 1970539 A1, which has an annular guide element inside the concentric outer wall. In this case, the guide element is designed so that between the outer wall and the guide element a nozzle channel is formed, with the help of which the flow near the wall is accelerated. Due to this, it is possible to prevent separation of the flow after the guide element. However, it is not possible to influence the flow in the center of the flue gas diffuser with a guide element, where reverse flows can occur.

Кроме того, в US 5209634 А1 раскрыт диагональный диффузор паровой турбины с регулируемой геометрией ступицы для установки поперечного сечения диффузора, через которое проходит поток.In addition, US Pat. No. 5,209,634 A1 discloses a diagonal steam turbine diffuser with an adjustable hub geometry for setting a cross-section of a diffuser through which the flow passes.

Кроме того, существует потребность по возможности предотвращения расположенных позади ступицы газовой турбины зон обратного потока, соответственно, минимизации их размера, для того чтобы также в режиме частичной нагрузки газовой турбины достигать высокой эффективности диффузора отходящего газа и обеспечивать высокую надежность работы. При проходящих слишком далеко вниз по потоку зонах обратного потока существует опасность, что они могут достигать расположенный после диффузора отходящего газа котел, что значительно ухудшает рабочие характеристики. Также в случае установленных там форсажных камер это может приводить к обратному удару пламени, за счет чего сильно ограничивается комбинированная работа газовых турбин и форсажных камер.In addition, there is a need for the possibility of preventing backflow zones located behind the hub of the gas turbine, respectively, of minimizing their size, in order to also achieve high efficiency of the flue gas diffuser and ensure high reliability under partial load of the gas turbine. With backflow zones that are too far downstream, there is a risk that they may reach the boiler located after the flue gas diffuser, which significantly degrades performance. Also, in the case of afterburner chambers installed there, this can lead to a backfire, which greatly limits the combined operation of gas turbines and afterburners.

В основу изобретения положена задача создания компактного диффузора отходящего газа, который при достижении возможно более высокого коэффициента полезного действия газовой турбины предотвращает отрыв потока и образование зон обратного потока для каждого рабочего состояния газовой турбины и обеспечивает надежную работу расположенных после газовой турбины котлов и форсажных камер для каждого рабочего состояния газовой турбины. Другой задачей изобретения является создание газовой турбины с диффузором отходящего газа.The basis of the invention is the creation of a compact exhaust gas diffuser, which, when the gas turbine has the highest possible efficiency, prevents flow separation and the formation of reverse flow zones for each operating state of the gas turbine and ensures reliable operation of boilers and afterburners located after the gas turbine working condition of a gas turbine. Another object of the invention is to provide a gas turbine with an exhaust gas diffuser.

Направленная на диффузор отходящего газа задача решена с помощью диффузора отходящего газа с признаками п. 1 формулы изобретения.The problem directed to the flue gas diffuser is solved with the help of the flue gas diffuser with the features of claim 1.

Направленная на способ задача решена с помощью способа с признаками п. 8 формулы изобретения.Directed to the method, the problem is solved using the method with the characteristics of clause 8 of the claims.

Диффузор отходящего газа, согласно изобретению, для газовой турбины имеет кольцеобразную наружную стенку для направления потока диффузора, в которой предусмотрен расположенный концентрично наружной стенке кольцеобразный направляющий элемент для оказания влияния на поток диффузора, при этом направленная радиально внутрь поверхность направляющего элемента имеет окружной, в продольном сечении выпуклый контур для образования вытеснительного элемента, и направляющий элемент установлен с возможностью сдвига между двумя положениями так, что направляющий элемент в первом положении обеспечивает возможность прохождения потока между направляющим элементом и наружной стенкой, а во втором положении предотвращает прохождение потока между направляющим элементом и наружной стенкой.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 to influence the diffuser flow, while the surface of the guiding element radially directed inward has a circumferential longitudinal section convex contour for the formation of the displacing element, and the guide element is mounted with the possibility of shifting between two positions That the guide element in a first position allows fluid flow between the guide element and the outer wall, and in a second position prevents the passage of flow between the guide element and the outer wall.

Способ, согласно изобретению, работы газовой турбины, содержащей диффузор отходящего газа, предусматривает, что при увеличении проходящего через газовую турбину массового потока направляющий элемент сдвигают в направлении второго положения или во второе положение и/или при уменьшении массового потока направляющий элемент сдвигают в направлении первого положения или во второе положение.The method according to the invention for operating a gas turbine comprising an off-gas diffuser provides that, when the mass flow passing through the gas turbine increases, the guide element is shifted towards the second position or to the second position and / or when the mass flow decreases, the guide element is shifted towards the first position or in the second position.

В основе изобретения лежит понимание того, что при небольших массовых потоках, которые имеются в газовой турбине в жаркие дни или в режиме частичной нагрузки, основная часть массового потока в диффузоре отходящего газа газовой турбины смещается наружу, т.е. к наружной стенке, так что образуется очень ярко выраженная и длинная зона обратного потока позади ступицы. При больших массовых потоках, которые имеются, например, в холодные дни или в режиме полной нагрузки, основная часть массового потока смещается внутрь, т.е. к ступице, соответственно, к центру. За счет этого уменьшается доля потока, которая проходит вблизи стенки, что может приводить к отрыву потока от наружной стенки. Таким образом, в целом желательно обеспечивать равномерное распределение массового потока внутри диффузора отходящего газа.The basis of the invention is the understanding that with small mass flows that are present in the gas turbine on hot days or in partial load mode, the bulk of the mass flow in the exhaust gas diffuser of the gas turbine is shifted outward, i.e. to the outer wall, so that a very pronounced and long backflow zone forms behind the hub. For large mass flows, which are, for example, on cold days or in full load mode, the bulk of the mass flow is shifted inward, i.e. to the hub, respectively, to the center. Due to this, the fraction of the flow that passes near the wall is reduced, which can lead to separation of the flow from the outer wall. Thus, in General, it is desirable to ensure uniform distribution of the mass flow inside the exhaust gas diffuser.

Однако для выравнивания распределения необходимо в зависимости от рабочего состояния газовой турбины смещать массовый поток либо больше к наружной стенке, либо к центру диффузора отходящего газа. Для достижения этого в изобретении комбинируются две не очевидные меры. Для сдвига массового потока наружу направляющий элемент выполнен с возможностью сдвига в осевом направлении, за счет чего можно устанавливать расстояние между направляющим элементом и наружной стенкой. С увеличением расстояния большая доля потока может быть отклонена к наружной стенке, что уменьшает вероятность отрыва потока вблизи стенки. Дополнительно к этому, направляющий элемент на своей обращенной внутрь поверхности имеет окружной, в продольном сечении выпуклый контур для образования вытеснительного элемента. За счет этого внутренний контур кольцеобразного направляющего элемента принимает форму сопла Лаваля. Это приводит к тому, что захватываемый направляющим элементом поток отклоняется больше к ступице, соответственно, к центру диффузора. Это происходит тем больше, чем больше относительная доля площади круглого отверстия направляющего элемента относительно зависящей от положения пропускной площади поперечного сечения диффузора отходящего газа. При расположенном во втором положении направляющем элементе, когда направляющий элемент прилегает к наружной стенке, площадь поперечного сечения диффузора отходящего газа соответствует площади поперечного сечения направляющего элемента. Таким образом, соотношение равно 1. За счет осевого сдвига направляющего элемента в направлении потока отходящего газа, пропускное поперечное сечение диффузора отходящего газа в том осевом положении, в котором находится также входная поверхность поперечного сечения направляющего элемента, увеличивается, в то время как входная поверхность поперечного сечения направляющего элемента остается неизменной. За счет этого уменьшается относительная доля поверхности поперечного сечения, соотношение падает ниже 1, так что действие сужения уменьшается при увеличении расстояния между направляющим элементом и наружной стенкой, что является желательным, поскольку в этом случае доля потока смещается скорее к наружной стенке, чем к центру диффузора отходящего газа.However, to equalize the distribution, depending on the operating state of the gas turbine, it is necessary to shift the mass flow either more toward the outer wall or towards the center of the flue gas diffuser. To achieve this, two not obvious measures are combined in the invention. To shift the mass flow outward, the guide element is movable in the axial direction, whereby the distance between the guide element and the outer wall can be set. With increasing distance, a large fraction of the flow can be deflected to the outer wall, which reduces the likelihood of flow separation near the wall. In addition, the guide element on its inwardly facing surface has a circumferential, longitudinal section, convex contour for the formation of a displacing element. Due to this, the inner contour of the annular guide element takes the form of a Laval nozzle. This leads to the fact that the flow captured by the guide element deviates more towards the hub, respectively, towards the center of the diffuser. This occurs the greater, the greater the relative fraction of the area of the circular opening of the guide element relative to the position of the cross-sectional area of the cross-section of the exhaust gas diffuser. With the guide element located in the second position, when the guide element is adjacent to the outer wall, the cross-sectional area of the exhaust gas diffuser corresponds to the cross-sectional area of the guide element. Thus, the ratio is 1. Due to the axial shift of the guide element in the direction of the exhaust gas flow, the flow cross section of the exhaust gas diffuser in the axial position in which the input surface of the cross section of the guide element is also increased, while the input surface of the transverse the cross section of the guide element remains unchanged. Due to this, the relative fraction of the cross-sectional surface decreases, the ratio drops below 1, so that the narrowing effect decreases with increasing distance between the guide element and the outer wall, which is desirable, since in this case the flow fraction shifts more toward the outer wall than to the center of the diffuser off-gas.

Таким образом, в основе изобретения лежит неожиданное понимание того, что, несмотря на применение направленного внутрь сужения, возможно усиление потока вблизи стенки. В соответствии с этим, можно с помощью решения согласно изобретению улучшать коэффициент полезного действия независимо от величины массового потока, поскольку можно максимально предотвращать аэродинамические потери, которые обусловлены относительно большими зонами обратного потока или отрывами потока вблизи стенки.Thus, the invention is based on an unexpected understanding that, despite the use of an inwardly directed constriction, it is possible to enhance the flow near the wall. Accordingly, it is possible with the solution according to the invention to improve the efficiency regardless of the magnitude of the mass flow, since aerodynamic losses due to relatively large areas of the return flow or flow breaks near the wall can be prevented as much as possible.

Предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.Preferred embodiments are indicated in the dependent claims.

Согласно первому предпочтительному варианту выполнения, когда направляющий элемент расположен во втором положении, вытеснительный элемент расположен в том осевом участке диффузора отходящего газа, в котором заканчивается в осевом направлении расположенное в центре диффузора отходящего газа тело ступицы. На основании конца, расположенного в центре тела ступицы, в его аэродинамической тени возникают зоны обратного течения, которые могут быть укорочены с помощью расположенного в направляющем элементе сужения. Однако для этого требуется, чтобы сужение в осевом направлении находилось непосредственно по потоку за концом тела ступицы. Слишком большое расстояние между концом тела ступицы и осевым положением сужения необходимо предотвращать, для того чтобы сужение обеспечивало желаемые аэродинамические эффекты, а именно вытеснение доли потока к центру, т.е. к середине потока диффузора отходящего газа.According to a first preferred embodiment, when the guide element is located in the second position, the displacement element is located in that axial portion of the exhaust gas diffuser in which the hub body located in the center of the exhaust gas diffuser ends in the axial direction. Based on the end located in the center of the hub body, backflow zones arise in its aerodynamic shadow, which can be shortened using the constriction located in the guide element. However, this requires that the narrowing in the axial direction be directly upstream of the end of the hub body. Too great a distance between the end of the hub body and the axial position of the constriction must be prevented in order for the constriction to provide the desired aerodynamic effects, namely the displacement of the flow fraction to the center, i.e. to the middle of the exhaust gas diffuser stream.

Предпочтительно, направленная радиально наружу поверхность направляющего элемента выполнена с возможностью плоского прилегания к участку наружной стенки. За счет плоского прилегания направляющего элемента к наружной стенке эффективно предотвращается минимальный щелевой поток вблизи стенки, поскольку направляющий элемент особенно плотно прилегает к наружной стенке. Таким образом, эффективно предотвращаются небольшие по величине и тем самым неэффективные пристеночные потоки.Preferably, the surface of the guide element directed radially outward is adapted to lie flat against a portion of the outer wall. Due to the flat fit of the guide element to the outer wall, a minimum slit flow near the wall is effectively prevented, since the guide element is especially close to the outer wall. In this way, small and thereby ineffective wall flows are effectively prevented.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, направляющий элемент опирается с помощью распределенных по окружности наружной стенки ребер. Это расположение обеспечивает простую конструкцию опоры направляющего элемента. Согласно первому примеру выполнения указанного выше варианта выполнения, ребра неподвижно закреплены на наружной стенке, при этом на внутреннем конце каждого ребра предусмотрен привод для осевого сдвига направляющего элемента. Целесообразно для этого предусмотрены нагружаемые с обеих сторон гидравлические поршни, с помощью которых направляющий элемент можно сдвигать в осевом направлении относительно ребер и тем самым также относительно наружной стенки. Этот первый пример выполнения имеет то преимущество, что как ребра, так и направляющий элемент можно выполнять неизменными по их размерам. То есть ни диаметр направляющего элемента, ни длина ребер не должны быть изменяемыми для обеспечения возможности сдвига направляющего элемента.According to another preferred embodiment, the guide element is supported by ribs distributed around the circumference of the outer wall. This arrangement provides a simple support structure for the guide member. According to a first exemplary embodiment of the aforementioned embodiment, the ribs are fixedly mounted on the outer wall, with an actuator for axially displacing the guide element provided at the inner end of each rib. Advantageously, hydraulic pistons loaded from both sides are provided with which the guide element can be axially displaced relative to the ribs and thus also relative to the outer wall. This first embodiment has the advantage that both the ribs and the guide element can be made constant in size. That is, neither the diameter of the guide element nor the length of the ribs should be variable to allow the guide element to be shifted.

Согласно другому примеру выполнения, ребра шарнирно соединены с наружной стенкой и с направляющим элементом, при этом поворотные оси шарниров проходят в тангенциальном направлении диффузора отходящего газа. Это выполнение обеспечивает то преимущество, что привод для осевого сдвига направляющего элемента смещается из проточного канала диффузора отходящего газа в немного более холодную зону газовой турбины, что понижает требования к приводу относительно температурной устойчивости. Однако поскольку применение неизменного в диаметре направляющего элемента является предпочтительным, то в этом случае должна обеспечиваться возможность изменения радиальной длины ребер. Целесообразно в этом случае ребра выполнены с возможностью телескопического перемещения, с целью согласования их длины во время сдвигания направляющего элемента.According to another exemplary embodiment, the ribs are pivotally connected to the outer wall and to the guide element, while the rotary axes of the hinges extend in the tangential direction of the exhaust gas diffuser. This embodiment provides the advantage that the drive for axial displacement of the guide element is displaced from the flow channel of the exhaust gas diffuser into a slightly cooler zone of the gas turbine, which reduces the drive requirements regarding thermal stability. However, since the use of a constant-diameter guide element is preferable, then in this case it should be possible to change the radial length of the ribs. It is advisable in this case, the ribs are made with the possibility of telescopic movement, in order to coordinate their lengths during the sliding of the guide element.

Предпочтительно, стационарная газовая турбина снабжена диффузором отходящего газа, согласно указанным выше вариантам выполнения.Preferably, the stationary gas turbine is equipped with an exhaust gas diffuser according to the above embodiments.

Ниже приведено подробное пояснение изобретения на основании примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:The following is a detailed explanation of the invention based on an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings, in which is schematically depicted:

фиг. 1 - частичный продольный разрез стационарной газовой турбины;FIG. 1 is a partial longitudinal section through a stationary gas turbine;

фиг. 2 - продольный разрез диффузора отходящего газа стационарной газовой турбины с прилегающим к наружной стенке диффузора отходящего газа направляющим элементом;FIG. 2 is a longitudinal section through a flue gas diffuser of a stationary gas turbine with a guide element adjacent to the outer wall of the flue gas diffuser;

фиг. 3 - диффузор отходящего газа, согласно фиг. 2, с расположенным на расстоянии от наружной стенки направляющим элементом; иFIG. 3 - exhaust gas diffuser according to FIG. 2, with a guide element located at a distance from the outer wall; and

фиг. 4 - направляющий элемент с приводом для осевого сдвига направляющего элемента.FIG. 4 - a guide element with a drive for axial shift of the guide element.

На фиг. 1 показана в частичном продольном разрезе газовая турбина 1. Она имеет внутри установленный с возможностью вращения вокруг машинной оси 2 ротор 3, который называется также турбинным ротором. Вдоль ротора 3 следуют друг за другом корпус 4 всасывания, компрессор 5, торообразная кольцевая камера 6 сгорания с несколькими расположенными с вращательной симметрией относительно друг друга горелками 7, турбинный блок 8 и корпус 9 отходящего газа. Кольцевая камера 6 сгорания окружает пространство 17 сгорания, которое соединено с кольцеобразным каналом 16 горячего газа. Так, установленные друг за другом четыре лопаточные ступени 10 образуют турбинный блок 8. Каждая лопаточная ступень 10 образована из двух лопаточных колец. При рассматривании в направлении потока образованного в кольцевой камере 6 сгорания горячего газа 11 в канале 16 горячего газа за рядом 13 направляющих лопаток следует образованный из рабочих лопаток ряд 14. Направляющие лопатки 12 закреплены на статоре, в то время как рабочие лопатки 15 каждого ряда 14 установлены с помощью диска 19 на роторе 3. С ротором 3 соединен генератор или рабочая машина (не изображена).In FIG. 1 shows, in partial longitudinal section, a gas turbine 1. It has inside it a rotor 3 mounted also rotatably around the machine axis 2, which is also called a turbine rotor. Along the rotor 3 are followed by a suction casing 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with several burners 7 arranged with rotational symmetry relative to each other, a turbine unit 8 and an exhaust gas casing 9. An annular combustion chamber 6 surrounds the combustion space 17, which is connected to the annular channel 16 of hot gas. So, installed one after the other four blade stages 10 form a turbine block 8. Each blade stage 10 is formed of two blade rings. When looking in the direction of flow of the hot gas formed in the annular chamber 6 of the combustion gas 11 in the hot gas channel 16, a row 14 formed from the working blades follows the guide vanes 13. The guide vanes 12 are fixed to the stator, while the working blades 15 of each row 14 are installed using the disk 19 on the rotor 3. A generator or a working machine (not shown) is connected to the rotor 3.

По потоку после турбинного блока 8 к каналу 16 горячего газа примыкает корпус 9 отходящего газа. Корпус 9 отходящего газа является расположенной на стороне входа частью диффузора 20 отходящего газа газовой турбины 1. Таким образом, канал 16 горячего газа переходит в проточный канал 22 диффузора 20 отходящего газа. Расположенные в корпусе 9 отходящего газа ребра 24 обеспечивают опору расположенного на стороне турбины конца ротора 3, при этом конец ротора заключен в тело 26 ступицы. Тело 26 ступицы заканчивается в осевом направлении в проточном канале 22 и расположено в центре диффузора 20 отходящего газа.The stream after the turbine unit 8 to the channel 16 of the hot gas adjoins the body 9 of the exhaust gas. The exhaust gas body 9 is a part of the exhaust gas diffuser 20 of the gas turbine 1 located on the inlet side. Thus, the hot gas channel 16 is transferred to the flow channel 22 of the exhaust gas diffuser 20. The ribs 24 located in the exhaust gas body 9 provide support for the end of the rotor 3 located on the turbine side, with the end of the rotor enclosed in the hub body 26. The hub body 26 ends axially in the flow channel 22 and is located in the center of the exhaust gas diffuser 20.

Наружное ограничение диффузора 20 отходящего газа образовано наружной стенкой 28, которая выполнена круглой и расположена концентрично машинной оси 2. Наружная стенка 28 проходит с расхождением в направлении потока 30 диффузора, который перед расширением в турбинном блоке 8 назывался горячим газом 11.The outer restriction of the flue gas diffuser 20 is formed by the outer wall 28, which is round and concentric with the machine axis 2. The outer wall 28 extends diverging in the direction of the diffuser stream 30, which was called hot gas 11 before expanding in the turbine unit 8.

На фиг. 2 показан в продольном разрезе расположенный на стороне входа потока участок диффузора 20 отходящего газа. На осевом участке, в котором заканчивается в осевом направлении тело 26 ступицы, расположен сдвигаемый в осевом направлении направляющий элемент 32. При этом направленная наружу поверхность направляющего элемента 32 имеет ту же конусность, что и наружная стенка 28, так что направляющий элемент 32 плоско прилегает к наружной стенке 28. Направленная внутрь поверхность 34 направляющего элемента 32 имеет окружной, в продольном сечении выпуклый контур для образования вытеснительного элемента. При этом контур выполнен так, что окруженное кольцеобразным направляющим элементом 32 проточное поперечное сечение выполнено в виде сопла Лаваля. Другими словами, расположенное на стороне входа потока проточное поперечное сечение направляющего элемента 32 больше минимального проточного поперечного сечения направляющего элемента 32, при этом расположенное на стороне выхода проточное поперечное сечение больше расположенного на стороне входа проточного поперечного сечения. Минимальное проточное поперечное сечение расположено в осевом направлении между входным проточным поперечным сечением и выходным поперечным сечением. Каждое проточное поперечное сечение лежит всегда перпендикулярно машинной оси 2.In FIG. 2 shows in longitudinal section a portion of the off-gas diffuser 20 located on the upstream side of the flow. On the axial portion in which the axial body 26 ends in the axial direction, an axially displaceable guide element 32 is arranged. The outwardly directed surface of the guide element 32 has the same taper as the outer wall 28, so that the guide element 32 is flat against the outer wall 28. The inwardly directed surface 34 of the guide member 32 has a circumferential, longitudinal section, convex contour to form a displacement member. The circuit is designed so that the flow cross section surrounded by an annular guiding element 32 is in the form of a Laval nozzle. In other words, the flow cross-section located on the inlet side of the guide element 32 is larger than the minimum flow cross-section of the guide element 32, while the flow cross-section located on the outlet side is larger than the flow cross section located on the inlet side. The minimum flow cross-section is located in the axial direction between the input flow cross-section and the output cross-section. Each flowing cross section is always perpendicular to the machine axis 2.

На фиг. 3 показан тот же участок диффузора 20 отходящего газа, что и на фиг. 2, лишь направляющий элемент 32 сдвинут в осевом направлении относительно показанного на фиг. 2 положения. Как показано на фиг. 3, направляющий элемент 32 находится по потоку ниже показанного на фиг. 2 положения. Показанное на фиг. 3 положение направляющего элемента 32 называется первым положением направляющего элемента 32, а показанное на фиг. 2 положение направляющего элемента 32 называется вторым положением.In FIG. 3 shows the same portion of the flue gas diffuser 20 as in FIG. 2, only the guide member 32 is axially shifted relative to that shown in FIG. 2 provisions. As shown in FIG. 3, the guide member 32 is located downstream of FIG. 2 provisions. Shown in FIG. 3, the position of the guide member 32 is called the first position of the guide member 32, and shown in FIG. 2, the position of the guide member 32 is called the second position.

За счет сдвига направляющего элемента 32 в направлении ниже по потоку, между внутренней поверхностью наружной стенки 28 и обращенной наружу поверхностью направляющего элемента 32 возникает кольцеобразный проточный проход 36, через который может проходить часть потока 30 диффузора.Due to the shift of the guide element 32 in the downstream direction, between the inner surface of the outer wall 28 and the outward facing surface of the guide element 32, an annular flow passage 36 occurs through which part of the diffuser stream 30 can pass.

При работе снабженной диффузором 20 отходящего газа указанного вида газовой турбины 1 могут возникать следующие состояния: при изменяющихся окружающих условиях и в режиме частичной нагрузки через газовую турбину 1 проходят меньшие массовые потоки горячего газа 11, соответственно, отходящего газа 30. На основании меньшего массового потока основная часть потока отходящего газа смещается наружу, так что до настоящего времени образовывалась очень ярко выраженная и длинная зона обратного потока. Согласно изобретению предусмотрено, что направляющий элемент 32 перемещается во второе положение. За счет этого сужение находится сравнительно близко к телу 26 ступицы. Это приводит к тому, что отходящий газ 30 усиленно отклоняется (30') в направлении средней оси 2, что значительно уменьшает зону обратного потока на осевом участке позади тела 26 ступицы. Это снижает аэродинамические потери, повышает восстановление давления и делает более равномерным профиль скоростей и течений в диффузоре 20 отходящего газа.The following conditions may occur during operation of an exhaust gas of a specified type of gas turbine 1 equipped with a diffuser 20: under changing environmental conditions and in the partial load mode, smaller mass flows of hot gas 11, respectively, of the exhaust gas 30 pass through the gas turbine 1. Based on the lower mass flow, the main part of the off-gas stream is displaced outward, so that a very pronounced and long reverse flow zone has formed up to now. According to the invention, it is provided that the guide member 32 is moved to a second position. Due to this, the narrowing is relatively close to the body 26 of the hub. This leads to the fact that the exhaust gas 30 is strongly deflected (30 ') in the direction of the middle axis 2, which significantly reduces the reverse flow zone in the axial section behind the hub body 26. This reduces aerodynamic losses, increases pressure recovery and makes the profile of velocities and currents in the exhaust gas diffuser 20 more uniform.

Во время другого, второго, состояния, которое возникает, например, в холодные дни и при полной нагрузке, через газовую турбину проходит сравнительно большой массовый поток. В этом случае направляющий элемент 32 сдвигается в осевом направлении в первое положение. За счет сдвига увеличивается относительное перекрытие проточного поперечного сечения диффузора 20 отходящего газа с помощью направляющего элемента 32. Кроме того, за счет этого возникает кольцеобразный проточный проход 36 между наружной стенкой 28 и наружной поверхностью направляющего элемента 32. Поток через проход 32 приводит к образованию позади направляющего элемента 32 пристенной струи, которая уменьшает повышенную для этого рабочего состояния опасность отрыва потока на наружной стенке 28.During another, second, condition that occurs, for example, on cold days and at full load, a relatively large mass flow passes through a gas turbine. In this case, the guide member 32 is axially shifted to the first position. Due to the shift, the relative overlap of the flow cross-section of the exhaust gas diffuser 20 with the guide member 32 is increased. In addition, an annular flow passage 36 arises between the outer wall 28 and the outer surface of the guide member 32. The flow through the passage 32 leads to the formation behind the guide element 32 wall jet, which reduces the increased danger for this working condition, the danger of separation of the flow on the outer wall 28.

Это также предотвращает аэродинамические потери в диффузоре 20 отходящего газа, что приводит к повышенному восстановлению давления. Следовательно, предусмотрено, что при увеличении массового потока направляющий элемент 32 сдвигается в направлении второго положения или во второе положение (до прилегания к наружной стенке 28), и/или при уменьшении массового потока направляющий элемент 32 сдвигается в направлении первого положения или во второе положение (направляющий элемент 32 находится на расстоянии от наружной стенки 28). Сдвиг направляющего элемента 32 происходит всегда параллельно машинной оси 2.It also prevents aerodynamic losses in the exhaust gas diffuser 20, which leads to increased pressure recovery. Therefore, it is envisaged that when the mass flow increases, the guide element 32 is shifted in the direction of the second position or to the second position (until it fits against the outer wall 28), and / or when the mass flow decreases, the guide element 32 is shifted in the direction of the first position or to the second position ( the guide element 32 is located at a distance from the outer wall 28). The shift of the guide element 32 is always parallel to the machine axis 2.

На основании того, что направляющий элемент 32 сдвигается лишь в осевом направлении, его можно выполнять в виде кольца с неизменным диаметром.Based on the fact that the guide element 32 is shifted only in the axial direction, it can be performed in the form of a ring with a constant diameter.

На фиг. 4 показан детально привод сдвигаемого в осевом направлении направляющего элемента 32. Направляющий элемент 32 удерживается с помощью нескольких распределенных по окружности диффузора 20 отходящего газа ребер 40. Каждое из ребер 40 закреплено неподвижно на наружной стенке 28, что, однако, не изображено на фиг. 4. Ребра 40 выступают лучами в проточный канал 22. В качестве перестановочного устройства предусмотрены на внутреннем конце 42 ребер 40 соответствующие гидравлические цилиндры 45, сдвигаемые в осевом направлении поршни 46 которых соединены с направляющим элементом 32. За счет подачи гидравлической жидкости можно перемещать поршни 46 в осевом направлении, что приводит к сдвигу направляющего элемента 32 в том же направлении. При необходимости, может быть целесообразным охлаждение перестановочного устройства и подводящих трубопроводов для гидравлической жидкости на основании сравнительно высокой температуры отходящего газа.In FIG. 4 shows in detail the drive of the axially displaceable guide element 32. The guide element 32 is held by several ribs 40 distributed around the circumference of the exhaust gas diffuser 20. Each of the ribs 40 is fixedly mounted on the outer wall 28, which, however, is not shown in FIG. 4. The ribs 40 project as rays into the flow channel 22. As a permutation device, corresponding hydraulic cylinders 45 are provided on the inner end 42 of the ribs 40, the axially displaceable pistons 46 of which are connected to the guiding element 32. The pistons 46 can be moved by hydraulic fluid axial direction, which leads to a shift of the guide element 32 in the same direction. If necessary, it may be appropriate to cool the transfer device and the supply lines for the hydraulic fluid based on the relatively high temperature of the exhaust gas.

Согласно изобретению, предлагается диффузор 20 отходящего газа для газовой турбины 1, который имеет кольцеобразную наружную стенку 28 для направления потока 30 диффузора, в которой предусмотрен расположенный концентрично наружной стенке 28 кольцеобразный направляющий элемент 32 для оказания влияния на поток 30 диффузора. Для улучшения аэродинамического действия диффузора 20 отходящего газа и одновременно для его оптимальной установки для нескольких рабочих состояний газовой турбины предлагается, что направляющий элемент 32 имеет направленную радиально внутрь поверхность 34, которая имеет окружной, в продольном сечении выпуклый контур для образования вытеснительного элемента, и что направляющий элемент 32 установлен с возможностью сдвига в осевом направлении между двумя положениями так, что направляющий элемент 32 в первом положении обеспечивает возможность прохождения потока между направляющим элементом 32 и наружной стенкой 28, а во втором положении максимально предотвращает поток между направляющим элементом 32 и наружной стенкой 28. Кроме того, предлагается способ работы газовой турбины 1, в котором для уменьшения аэродинамических потерь и повышения восстановления давления при увеличении массового потока направляющий элемент 32 сдвигают в направлении второго положения или во второе положение и/или при уменьшении массового потока направляющий элемент 32 сдвигают в направлении первого положения или во второе положение.According to the invention, an off-gas diffuser 20 is provided for a gas turbine 1, which has an annular outer wall 28 for guiding the diffuser stream 30, in which an annular guide element 32 arranged concentrically on the outer wall 28 is provided to influence the diffuser stream 30. To improve the aerodynamic effect of the exhaust gas diffuser 20 and at the same time to optimally install it for several operating states of the gas turbine, it is proposed that the guide element 32 has a radially inwardly directed surface 34, which has a circumferential longitudinal section of a convex contour for the formation of the displacing element, and that the guide the element 32 is mounted axially movable between two positions so that the guide element 32 in the first position provides the passage of the flow between the guide element 32 and the outer wall 28, and in the second position prevents the flow between the guide element 32 and the outer wall 28 as much as possible. In addition, a method of operating a gas turbine 1 is proposed, in which to reduce aerodynamic losses and increase pressure recovery with increasing the mass flow guide element 32 is shifted in the direction of the second position or in the second position and / or when the mass flow decreases, the guide element 32 is shifted in the direction of the first position or in the second position.

Claims

1. An exhaust gas diffuser (20) for a gas turbine (1) comprising an annular outer wall (28) for guiding the diffuser flow (30), in which an annular guide element (32) arranged concentrically on the outer wall (28) is provided to influence the diffuser flow (30), while the guide element (32) is mounted axially movable between two positions, characterized in that the radially inwardly directed surface (34) of the guide element (32) has a circular convex section the contour for the formation of the displacing element and that the guide element (32) in the first position allows the passage of flow between the guide element (32) and the outer wall (28), and in the second position prevents the passage of flow between the guide element (32) and the outer wall (28 )

2. The flue gas diffuser (20) according to claim 1, wherein, when the guide element (32) is located in the second position, the displacing element is located in that axial portion of the flue gas diffuser (20), in which the axially located center diffuser (20) of the exhaust gas, the body (26) of the hub.

3. The flue gas diffuser (20) according to claim 2, wherein the surface of the guide element (32) directed radially outward is made to fit flat to a portion of the outer wall (28).

4. The diffuser (20) of the exhaust gas according to any one of paragraphs. 1-3, in which the guide element (32) is supported by ribs (40) distributed around the circumference of the outer wall (28).

5. The exhaust gas diffuser (20) according to claim 4, wherein the ribs (40) are fixedly mounted on the outer wall (28), while an axial shift drive is provided at the inner end (42) of at least one of the ribs (40) guide element (32).

6. The flue gas diffuser (20) according to claim 4, wherein the ribs are pivotally connected to the outer wall (28) and to the guiding element (32), wherein the rotary axes of the hinges extend in the tangential direction of the flue gas diffuser (20).

7. A gas turbine (1) containing an exhaust gas diffuser (20) according to any one of paragraphs. 1-6.

8. The method of operation of a gas turbine (1) according to claim 7, through which a mass flow of variable magnitude passes, characterized in that when the mass flow increases, the guide element (32) is shifted in the direction of the second position or to the second position and / or when the mass the flow guide element (32) is shifted towards the first position or to the first position.