WO2015022269A1 - Auslegung eines axialdiffusors unter berücksichtigung von einbauten - Google Patents

Auslegung eines axialdiffusors unter berücksichtigung von einbauten Download PDF

Info

Publication number
WO2015022269A1
WO2015022269A1 PCT/EP2014/067079 EP2014067079W WO2015022269A1 WO 2015022269 A1 WO2015022269 A1 WO 2015022269A1 EP 2014067079 W EP2014067079 W EP 2014067079W WO 2015022269 A1 WO2015022269 A1 WO 2015022269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diffuser
flow
internals
axial
axial diffuser
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/067079
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Cornelius
Jacob William HARDES
Stephan Klumpp
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2015022269A1 publication Critical patent/WO2015022269A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/545—Ducts
    • F04D29/547—Ducts having a special shape in order to influence fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/60—Structure; Surface texture
    • F05D2250/61—Structure; Surface texture corrugated

Definitions

  • the invention relates to an improved axial diffuser for the consideration of internals.
  • a compression of a gas mixture takes place in a compressor. From the compressor, the gas mixture flows at a certain speed.
  • the following axial diffuser of the compressor causes the coming out of the compressor flow slows down and the stati ⁇ specific pressure increases further.
  • 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.
  • EP 2 194 231 A1 it is known to provide an axial diffuser which is not rotationally symmetrical. This is to be evened out in the axial diffuser over the circumference unevenly flowing flow.
  • US 4,512,158 A a diffuser is known in which buildings are ⁇ .
  • a bell-shaped convergent element is attached in the flow direction behind the internals on the diffuser wall.
  • US 2011/0179803 Al a system is known with which the recovery of static pressure in a gas turbine can be modified.
  • the system has a drainage diffuser downstream of a compression section.
  • a discharge line which extends from the discharge diffuser.
  • the bleed line is configured to conduct bleed air from the pressurized airflow exiting the compressor to a second combustion system located downstream of the main combustor. lying system. In this context, flow separation should be avoided.
  • EP 0 581 978 A1 discloses a multizone diffuser for a turbomachine.
  • the bending angles of the diffuser inlet both at the hub and at the cylinder of the turbomachine are determined exclusively to equalize the total pressure profile above the channel height at the outlet of the last row of blades.
  • means are provided for swirl removal of the swirling flow in the form of flow ribs.
  • a first diffusion zone extends from the exit plane of the last row of blades to a plane at the outlet of the flow ribs and is formed as a single channel Glockendiffusor.
  • a second diffusion zone is formed in the form of a multi-channel diffuser part, wherein flow-guiding guide rings are arranged downstream of the flow ribs.
  • the US 2012/0014776 Al discloses a non-axisymmetric flow element, which is attached ⁇ arranged in a channel of a gas turbine. The flow element narrows the surface of a vane to reduce the cross section through which wake flow passes from the vane.
  • a general problem with Axialdiffusoren is that on the one hand effectively, the flow is to be slowed and connected to the flow dynamic pressure in sta ⁇ tables pressure is to be converted. 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 improve simultaneously the lowest possible energy loss in vorhande ⁇ nen fixtures.
  • An axial diffuser with an expanding diffuser wall was provided.
  • the axial diffuser also has an axis.
  • the axial diffuser is normally in a flow machine, in particular in a gas turbine, for a ⁇ set.
  • internals are present, which are located at certain circumferential positions of the axial diffuser.
  • the axial diffuser is designed in the flow direction in front of the internals such that an effect of the internals on a flow is taken into account in order to prevent separation of the flow which would detach without this configuration.
  • 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. Thus, four evenly distributed around the circumference built-in, for example, at 0 °, 90 °, 180 ° and 270 ° are conceivable. 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.
  • the direction of flow is also used in the interest of an illustrative representation, even if this term may only be correct in the case of an exact observation when the axial diffuser actually flows 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.
  • the diffuser wall does not have to be a single component.
  • the dif- Fusor wall can be composed of several components or wall sections.
  • the design of the axial diffuser will now be presented. It is essential that the axial diffuser is configured upstream at precisely those circumferential positions where the internals are located so that the effect of the internals on the flow is taken into account.
  • 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.
  • the diffuser wall in the region of the circumferential ⁇ positions of the internals in the flow direction in front of the installation th lower inclined to the axis than in other areas.
  • the axial diffuser has a flared diffuser wall to increase the cross section and decelerate as the Strö ⁇ tion.
  • Excessive expansion ie an inclination too high towards the axis of the diffuser, generally leads to the separation of the flow.
  • the realization that the flow tends to detach especially at the circumferential positions where the internals are located is now used to the extent that the expansion in the affected circumferential positions, ie the inclination to the axis of the diffuser, is less than in other circumferential positions ,
  • the axial diffuser has in the flow direction in front of the internals in cross section a wavy Um- fang, wherein in the areas of the circumferential positions of the internals the diffuser wall of the axis of the axial diffuser is closer than in other areas.
  • the waviness depends on the circumferential positions of the internals. Baffles are located at only one circumferential position, the extent is generally circular and pressed on the peripheral position of the baffles as it were, because there the diffuser wall Weni ⁇ ger to the axis of the axial diffuser is inclined. In addition to the lower expansion, that is to say the smaller inclination to the axis of the axial diffuser, other means are also conceivable in the circumferential positions concerned.
  • 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.
  • a particularly low-friction embodiment of the diffuser wall in the circumferential positions concerned could also reduce the tendency to detach. Overall, however, the lower expansion of the diffuser wall, ie the smaller inclination to the axis of the axial diffuser, seems to be the best measure in the affected circumferential positions.
  • the measures described above generally lead to the fact that the axial diffuser is not rotationally symmetrical in the flow direction before the internals.
  • the axial diffuser is not rotationally symmetrical.
  • axial diffusers are normally rotationally symmetric. If special effects are intended, such as the equalization of an uneven flow described in EP 2 194 231 A1, non-rotationally symmetrical axial diffusers are already known for this purpose.
  • the widening of the diffuser wall is selected at different circumferential positions in such a way that essentially no detachment takes place with a selected flow, whereby at the same time a maximum delay of the flow takes place.
  • 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.
  • the invention also relates to a method for designing an axial diffuser described above, the effect of baffles is taken into account to a flow, which would replace without Be ⁇ account the internals, and the Axialdif- fusor is designed so that the flow does not come off. To avoid repetition, reference is made to the above descriptions.
  • FIG. 1 is a perspective view of a Gasturbinenauf- construction with an axial diffuser with support ribs
  • Fig. 3 shows the displacement of the separation area by a ⁇ buildings
  • Fig. 4 is a rough schematic sketch of an axial diffuser with a support rib and a lower Aufwei ⁇ tion upstream of the support rib
  • Fig. 5 shows a section of the axial diffuser upstream of four over the circumference largely uniformly distributed internals.
  • FIG. 1 shows a gas turbine construction 1.
  • a hatched area 2 is an inflow.
  • the inflow is widened and slowed down in the axial diffuser 3.
  • a support rib 4 which is one of the buildings ⁇ ⁇ whose effect on the flow is taken into account ⁇ conditions.
  • FIG. 2 has the figure regions 2a, 2b and 2c.
  • a different range planes shows ge 5 to 9 of the axial diffuser 3 ⁇ .
  • the associated axial Geschwin ⁇ speed is shown in the figure area 2b.
  • the speed is represented by a hatching. The closer the hatching, the higher the speed.
  • the highest speed is 250 m / s. This scale is know ⁇ in the character area 2c to it.
  • the curve 5a forms the speed in the plane
  • the area 10 can be seen, in which the speed is low. There is a detachment of the flow.
  • the area above figure area 2c shows the different hatchings for the speed from 0 m / s to 250 m / s.
  • FIGS. 3a and 3b the speeds are shown by corresponding hatching.
  • Figure 3a is a
  • FIG. 4 is a rough schematic representation of an axial diffuser 3 according to the invention.
  • the inflow 2 takes place.
  • an expansion takes place in the direction of the axial diffuser.
  • the expansion is weaker.
  • the diffuser wall is less inclined to the axis, not shown, of the axial diffuser.
  • FIG. 5 shows a section through the axial diffuser 3 in the flow direction in front of four internals designed as support ribs 4, which are distributed uniformly over the circumference. It can be seen that in the regions 12 at the peripheral positions of which there are no support ribs 4, the diffuser wall is closer to the axis of the axial diffuser, not shown, than in the regions 13 at the circumferential positions of which support ribs 4 are located , It can be seen that the
  • Axial diffuser has a wavy shape in cross section.
  • the diffuser wall is at the peripheral positions of the internals 4 as it were pressed.
  • the cross section 14 at the outlet of the diffuser can be rotationally symmetrical and is represented as a circle.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Verbesserter Axialdiffusor zur Berücksichtigung von Einbauten 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) nicht rotationssymmetrisch ist, wobei im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten (4) die Diffusorwand (13) eine geringere Neigung zu der Achse aufweist als in anderen Bereichen (12), derart, dass eine Wirkung der Einbauten (4) auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne die geringere Neigung der Diffusorwand (13) zu der Achse im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten (4) in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) ablösen würde, zu verhindern.

Description

Beschreibung
AUSLEGUNG EINES AXIALDIFFUSORS UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON EINBAUTEN
Die Erfindung betrifft einen verbesserten Axialdiffusor zur Berücksichtigung von Einbauten.
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 stati¬ sche 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. Aus der EP 2 194 231 AI ist bekannt, einen Axialdiffusor vorzusehen, der nicht rotationssymmetrisch ist. Damit soll eine in den Axialdiffusor über den Umfang ungleichmäßig einströmende Strömung vergleichmäßigt werden. Aus der US 4,512,158 A ist ein Diffusor bekannt, bei dem Ein¬ bauten vorhanden sind. Zur Vermeidung von Strömungsablösungen ist in Strömungsrichtung hinter den Einbauten an der Diffu- sorwand ein glockenförmiges konvergentes Element angebracht. Aus der US 2011/0179803 AI ist ein System bekannt, mit dem die Gewinnung von statischem Druck in einer Gasturbine modifiziert werden kann. Das System weist einen Ableitungsdiffu- sor stromabwärts von einem Kompressionsabschnitt auf. Ferner ist eine Ableitungsleitung vorhanden, die sich vom Ablei- tungsdiffusor her erstreckt. Die Ableitungsleitung ist ausgebildet Ableitungsluft vom unter Druck befindlichen Luftstrom, die aus dem Kompressor austritt, zu einem zweiten Verbrennungssystem zu führen, das stromabwärts vom Hauptverbren- nungssystem liegt. In diesem Zusammenhang sind Strömungsablösungen zu vermeiden.
Aus der EP 0 581 978 AI ist ein mehrzoniger Diffusor für eine Turbomaschine bekannt. Bei einem mehrzonigen Diffusor für eine axial durchströmte Turbomaschine sind die Knickwinkel des Diffusoreintritts sowohl an der Nabe als auch am Zylinder der Turbomaschine ausschließlich zur Vergleichmäßigung des Totaldruckprofils über der Kanalhöhe am Austritt der letzten Schaufelreihe festgelegt. Innerhalb der Verzögerungszone des Diffusors sind Mittel zur Drallwegnahme der drallbehafteten Strömung in Form von Strömungsrippen vorgesehen. Eine erste Diffusionszone erstreckt sich von der Austrittsebene der letzten Schaufelreihe bis zu einer Ebene am Austritt der Strömungsrippen und ist einkanalig als Glockendiffusor ausgebildet. Eine zweite Diffusionszone wird in Form eines mehr- kanaligen Diffusorteils gebildet, wobei strömungsführende Leitringe stromabwärts der Strömungsrippen angeordnet sind. Die US 2012/0014776 AI offenbart ein nicht axialsymmetrisches Strömungselement, das in einem Kanal einer Gasturbine ange¬ ordnet ist. Das Strömungselement verengt die Fläche einer Leitschaufel um den Querschnitt zu reduzieren, durch die eine NachlaufStrömung von der Leitschaufel durchtritt.
Ein generelles Problem bei Axialdiffusoren besteht darin, dass einerseits wirksam die Strömung verlangsamt werden soll und der mit der Strömung verbundene dynamische Druck in sta¬ tischen 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 vorhande¬ nen Einbauten zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe findet sich insbesondere in den un- abhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterentwicklungen an. Weitere Einzelheiten und Erläuterungen der Lösung finden sich in der Beschreibung samt der zugehörigen Zeichnung. Es wurde ein Axialdiffusor mit einer sich aufweitenden Diffu- sorwand bereitgestellt. Der Axialdiffusor weist auch eine Achse auf. Der Axialdiffusor kommt im Regelfall in einer Strömungsmaschine, insbesondere in einer Gasturbine, zum Ein¬ satz. 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. Die Einbauten bringen aber das Problem mit sich, dass die
Strömung verstärkt zur Ablösung neigt. Es versteht sich da¬ bei, 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 Axial- diffusors - weitgehend vorgegeben, zumindest sind die ange¬ strebten Drücke und Volumenströme bekannt. Dabei sollte im Axialdiffusor eine optimale Umwandlung von dynamischem Druck in statischen Druck erfolgen.
Um dies auch bei vorhandenen Einbauten zu erreichen, ist in Strömungsrichtung vor den Einbauten der Axialdiffusor so ausgestaltet, dass eine Wirkung der Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne diese Ausgestaltung ablösen würde, zu verhindern.
Es geht also darum die eingangs genannte Ablösung der Strö¬ mung durch entsprechende Ausgestaltung des Axialdiffusors zu verhindern. Es muss klar sein, dass dies im Blick auf Strömung erfolgen muss, die ohne diese Ausgestaltung ablösen würde. Die Ausgestaltung hängt also nicht nur von den Einbau¬ ten 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 Ausgestaltung eine Ablösung nicht verhindert werden kann.
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. So sind vier gleichmäßig um den Umfang verteilte Ein- bauten beispielweise bei 0°, 90°, 180° und 270° denkbar. 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.
Vorliegend wird von Strömungsrichtung im Interesse einer anschaulichen Darstellung auch dann gesprochen, wenn dieser Be- griff 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.
Schließlich gilt es darzustellen, dass es sich bei der Diffu- sorwand nicht um ein einzelnes Bauteil handeln muss. Die Dif- fusorwand kann sich aus mehreren Bauteilen oder Wandabschnitten zusammensetzen.
Nach den Klärungen der Begriffe soll nun die Ausgestaltung des Axialdiffusors dargestellt werden. Wesentlich ist dass der Axialdiffusor genau an denjenigen Umfangspositionen, an denen sich die Einbauten befinden, stromauf so ausgestaltet ist, dass die Wirkung der Einbauten auf die Strömung berücksichtigt ist.
Eine nähere Analyse zeigt, dass die an gewählten Umfangsposi- tionen 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 . Um dies zu erreichen weist im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten in Strömungsrichtung vor den Einbauten die Dif- fusorwand eine geringere Aufweitung auf als in anderen Berei¬ chen. Konkret ist die Diffusorwand im Bereich der Umfangs¬ positionen der Einbauten in Strömungsrichtung vor den Einbau- ten geringer zur Achse geneigt als in anderen Bereichen. Wie bereits erwähnt hat der Axialdiffusor eine sich aufweitende Diffusorwand, um den Querschnitt zu erhöhen und so die Strö¬ mung abzubremsen. Eine zu starke Aufweitung, also eine zu hohe Neigung zur Achse des Diffusors, führt generell zur Ab- lösung 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, also die Neigung zur Achse des Diffusors, geringer ist als in anderen Umfangspositionen .
In einer Ausführungsform hat der Axialdiffusor in Strömungsrichtung vor den Einbauten im Querschnitt einen welligen Um- fang, wobei in den Bereichen der Umfangspositionen der Einbauten die Diffusorwand der Achse des Axialdiffusors näher liegt als in anderen Bereichen. Dabei hängt die Welligkeit von den Umfangspositionen der Einbauten ab. Befinden sich Einbauten nur an einer Umfangsposition, so ist der Umfang im Allgemeinen kreisförmig und an der Umfangsposition der Einbauten gleichsam eingedrückt, da dort die Diffusorwand weni¬ ger zur Achse des Axialdiffusors geneigt ist. Neben der niedrigeren Aufweitung, also der geringeren Neigung zur Achse des Axialdiffusors , in den betroffenen Umfangsposi- tionen 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.
Auch eine besonders reibungsarme Ausgestaltung der Diffusor- wand in den betroffenen Umfangspositionen könnte als Mittel die Ablöseneigung reduzieren. Insgesamt scheint aber die niedrigere Aufweitung der Diffusorwand, also die geringere Neigung zur Achse des Axialdiffusors , in den betroffenen Um- fangspositionen die wohl beste Maßnahme zu sein.
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.
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 Auf- weitung, also eine geringere Neigung zur Achse des Axialdif- fusors, als in anderen Bereichen aufweist, ist der Axialdif- fusor nicht rotationssymmetrisch. Im Stand der Technik sind Axialdiffusoren dagegen normalerweise rotationssymmetrisch. Werden besondere Effekte beabsichtigt, wie etwa die in EP 2 194 231 AI beschriebene Vergleichmäßigung einer ungleichmäßigen Strömung, so sind hierfür nicht rotationssymmetrische Axialdiffusoren bereits bekannt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Aufweitung der Diffusorwand, also die Neigung zur Achse des Axialdiffusors , 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.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Auslegung eines oben beschriebenen Axialdiffusors , wobei die Wirkung von Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt wird, die ohne Be¬ rücksichtigung der Einbauten ablösen würde, und der Axialdif- fusor so ausgestaltet wird, dass die Strömung nicht ablöst. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obigen Schilderungen Bezug genommen.
Anhand von Figuren soll nachfolgend die Erfindung näher er- klärt werden. Dabei zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Gasturbinenauf- baus mit einem Axialdiffusor mit Stützrippen
Fig. 2 die Geschwindigkeitsverteilung in mehreren Diffu- sorebenen
Fig. 3 die Verschiebung des Ablösungsbereichs durch Ein¬ bauten
Fig. 4 eine grobschematische Skizze eines Axialdiffusors mit einer Stützrippe und einer niedrigeren Aufwei¬ tung stromaufwärts der Stützrippe Fig. 5 einen Schnitt des Axialdiffusors stromauf von vier über den Umfang weitgehend gleichmäßig verteilten Einbauten .
In Figur 1 ist ein Gasturbinenaufbau 1 zu erkennen. Durch einen schraffierten Bereich 2 erfolgt eine Zuströmung. Die Zuströmung wird im Axialdiffusor 3 aufgeweitet und verlang- samt. Es ist eine Stützrippe 4 zu erkennen, die zu den Ein¬ bauten zählt, deren Wirkung auf die Strömung zu berücksichti¬ gen ist.
Figur 2 hat die Figurbereiche 2a, 2b und 2c. Im Figurbereich 2a sind verschiedene Ebenen 5 bis 9 des Axialdiffusors 3 ge¬ zeigt. Im Figurbereich 2b ist die zugehörige axiale Geschwin¬ digkeit aufgezeigt. Dabei wird die Geschwindigkeit durch eine Schraffierung dargestellt. Je enger die Schraffur, desto höher ist die Geschwindigkeit. Die höchste Geschwindigkeit ist dabei 250 m/s. Diese Skala ist im Figurbereich 2c zu er¬ kennen. Die Kurve 5a bildet die Geschwindigkeit in der Ebene
5 ab. Entsprechend steht für die Geschwindigkeit in der Ebene
6 die Kurve 6a, für die Ebene 7 die Kurve 7a, für die Ebene 8 die Kurve 8a und für die Ebene 9 die Kurve 9a. Die ermittel- ten Geschwindigkeiten ergaben sich bei einem Axialdiffusor mit 7 Stützrippen.
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 Figuren 3a und 3b sind durch entsprechende Schraffierungen die Geschwindigkeiten dargestellt. Dabei ist Figur 3a eine
Darstellung bei der keine Stützrippe angeordnet ist, während in Figur 3b eine Stützrippe vorhanden ist. Entsprechend er- folgt im Bereich IIa keine Ablösung, während im Bereich IIb eine Ablösung zu erkennen ist.
Figur 4 ist eine grobschematische Darstellung eines erfin- dungsgemäßen Axialdiffusors 3. Im Eingangsbereich erfolgt die Zuströmung 2. An einer Seite 12 erfolgt eine Aufweitung in Richtung des Axialdiffusors . An der gegenüberliegenden Seite 13 ist die Aufweitung schwächer. An der Seite 13 ist also die Diffusorwand weniger zur nicht dargestellten Achse des Axial- diffusors geneigt. Damit erfolgt eine Anpassung an eine sche¬ matisch dargestellte Stützrippe 4.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch den Axialdiffusor 3 in Strömungsrichtung vor vier als Stützrippen 4 ausgebildeten Einbauten, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Es ist erkennbar, dass in den Bereichen 12, an deren Umfangs- positionen sich keine Stützrippen 4 befinden, die Diffusorwand näher an der nicht dargestellten Achse des Axialdiffu- sors liegt, als in den Bereichen 13, an deren Umfangspositio- nen sich Stützrippen 4 befinden. Es ist erkennbar, dass der
Axialdiffusor im Querschnitt eine wellige Form hat. Dabei ist Diffusorwand an den Umfangspositionen der Einbauten 4 gleichsam eingedrückt. Der Querschnitt 14 am Austritt des Diffusors kann rotationssymmetrisch sein und ist entsprechend als Kreis dargestellt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Axialdiffusor (3) mit einer Achse mit einer sich auf- weitenden Diffusorwand (12, 13) und mit Einbauten (4), die sich an gewählten Umfangspositionen des Axialdiffusors (3) befinden,
wobei in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) der Axial- diffusor (3) nicht rotationssymmetrisch ist,
wobei im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten (4) die Diffusorwand (13) eine geringere Neigung zu der Achse aufweist als in anderen Bereichen (12), derart, dass eine Wirkung der Einbauten (4) auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne die geringere Neigung der Diffusorwand (13) zu der Achse im Bereich der
Umfangspositionen der Einbauten (4) in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) ablösen würde, zu verhindern.
2. Axialdiffusor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Axialdiffusor in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) im Querschnitt einen welligen Umfang hat,
wobei in den Bereichen (13) der Umfangspositionen der Einbauten (4) die Diffusorwand der Achse des Axialdiffusors (3) näher liegt als in anderen Bereichen (12) .
3. Axialdiffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einbauten Stützrippen (4) sind.
4. Axialdiffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Neigung der Diffusorwand (12, 13) zu der Achse an ver¬ schiedenen Umfangspositionen so gewählt ist, dass bei einer gewählten Strömung im Wesentlichen keine Ablösung erfolgt, wobei zugleich eine maximale Verzögerung der Strömung erfolgt . Verfahren zur Auslegung eines Axialdiffusors nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
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.
PCT/EP2014/067079 2013-08-16 2014-08-08 Auslegung eines axialdiffusors unter berücksichtigung von einbauten WO2015022269A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13180690.3 2013-08-16
EP13180690.3A EP2837771A1 (de) 2013-08-16 2013-08-16 Auslegung eines Axialdiffusors unter Berücksichtigung von Einbauten

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015022269A1 true WO2015022269A1 (de) 2015-02-19

Family

ID=48998496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/067079 WO2015022269A1 (de) 2013-08-16 2014-08-08 Auslegung eines axialdiffusors unter berücksichtigung von einbauten

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2837771A1 (de)
WO (1) WO2015022269A1 (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3788065A (en) * 1970-10-26 1974-01-29 United Aircraft Corp Annular combustion chamber for dissimilar fluids in swirling flow relationship
US4512158A (en) 1983-06-16 1985-04-23 United Technologies Corporation High blockage diffuser with means for minimizing wakes
EP0410924A2 (de) * 1989-07-25 1991-01-30 United Technologies Corporation Katalytischer Konverter
EP0581978A1 (de) 1992-08-03 1994-02-09 Asea Brown Boveri Ag Mehrzoniger Diffusor für Turbomaschine
EP2194231A1 (de) 2008-12-05 2010-06-09 Siemens Aktiengesellschaft Ringdiffusor für eine Axialturbomaschine
US20110179803A1 (en) 2010-01-27 2011-07-28 General Electric Company Bled diffuser fed secondary combustion system for gas turbines
US20120014776A1 (en) 2006-04-25 2012-01-19 Roy Fulayter Method and apparatus for enhancing compressor performance

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3788065A (en) * 1970-10-26 1974-01-29 United Aircraft Corp Annular combustion chamber for dissimilar fluids in swirling flow relationship
US4512158A (en) 1983-06-16 1985-04-23 United Technologies Corporation High blockage diffuser with means for minimizing wakes
EP0410924A2 (de) * 1989-07-25 1991-01-30 United Technologies Corporation Katalytischer Konverter
EP0581978A1 (de) 1992-08-03 1994-02-09 Asea Brown Boveri Ag Mehrzoniger Diffusor für Turbomaschine
US20120014776A1 (en) 2006-04-25 2012-01-19 Roy Fulayter Method and apparatus for enhancing compressor performance
EP2194231A1 (de) 2008-12-05 2010-06-09 Siemens Aktiengesellschaft Ringdiffusor für eine Axialturbomaschine
US20110179803A1 (en) 2010-01-27 2011-07-28 General Electric Company Bled diffuser fed secondary combustion system for gas turbines

Also Published As

Publication number Publication date
EP2837771A1 (de) 2015-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2378072B1 (de) Nebenstromkanal eines Turbofantriebwerkes
EP0581978B1 (de) Mehrzoniger Diffusor für Turbomaschine
EP2356320B1 (de) Ringdiffusor für eine axialturbomaschine
EP2140112A1 (de) Diffusoranordnung
EP2473743B1 (de) Verdichterlaufschaufel für einen axialverdichter
CH659864A5 (de) Lochplatte zur vergleichmaessigung der geschwindigkeitsverteilung in einem stroemungskanal.
DE102015219556A1 (de) Diffusor für Radialverdichter, Radialverdichter und Turbomaschine mit Radialverdichter
EP0690206A2 (de) Diffusor für Turbomaschine
WO1992021878A1 (de) Verfahren und einrichtung zur erzeugung von nutzbarer energie aus parallelströmungen
WO2011151323A2 (de) Kanal mit strömungsleitfläche
CH704212A1 (de) Axialkompressor.
EP0489193A1 (de) Gasturbinen-Brennkammer
EP1632648A2 (de) Strömungsstruktur für eine Gasturbine
EP2990605A1 (de) Turbinenschaufel
CH703654A2 (de) Einrichtung mit einer Turbine und einem Diffusor.
DE102011012039A1 (de) Kanal mit Strömungsleitfläche
DE102014114798A1 (de) Axialventilator mit Außen- und Innendiffusor
DE102010024091A1 (de) Mischer und Strömungsleitgitter
WO2016001002A1 (de) Abströmbereich einer turbine eines abgasturboladers
EP1153219B1 (de) Diffusor ohne pulsation der stoss-grenzschicht und verfahren zum unterdrücken der stoss-grenzschicht-pulsation von diffusoren
DE102010020379A1 (de) Einstellbarer Radialverdichterdiffusor
DE102014221362A1 (de) Profilierung von Leitschaufeln von Leitapparaten bei Turbomaschinen, insbesondere Verdichtern
WO2015022269A1 (de) Auslegung eines axialdiffusors unter berücksichtigung von einbauten
EP3191692B1 (de) Diffusor einer thermischen energiemaschine sowie thermische energiemaschine
EP3173629B1 (de) Verfahren für und verdichter einer strömungsmaschine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14755604

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14755604

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1