Vorrichtung zur Sekundärluftentnahme aus einem Axialverdichter

Abstract

 Bei einem axialdurchströmten Verdichter ist die Vorrichtung zur Sekundärluftentnahme unter Verwendung eines umlaufenden Entnahmeschlitzes, welcher zumindestens teilweise als Diagonaldiffusor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im oder unmittelbar am Entnahmeschlitz (4) Mittel angeordnet sind, welche die kinetische Energie der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit nutzbar machen. Das kann z.B. ein im Entnahmeschlitz (4) integriertes Mini-Leitgitter (7) sein oder ein als Diagonaldiffusor (8) ausgelegter Entnahmeschlitz (4), welcher in eine Spirale (9) übergeht, wobei die Spirale (9) direkt in das Entnahmerohr (6) mündet. Durch diese Anordnungen wird der Totaldruckverlust miniert und der Wirkungsgrad der Anlage erhöht.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sekundärluftentnahme aus einem Axialverdichter, wobei zur Entnahme ein umlaufender Schlitz dient.

Stand der Technik

[0002] Sekundärluft wird bei Verdichtern zur Kühlluftversorgung der Turbine entnommen. Je nach Kühlaufgabe ist ein bestimmter Totaldruck notwendig. Zur Entnahme der Sekundärluft dient meist ein umlaufender Schlitz. Die entnommene Luft gelangt durch den Entnahmeschlitz in das Entnahmeplenum und von dort aus über das Entnahmerohr in das Kühlsystem der Turbine. Leider geht ein grosser Teil des dynamischen Druckes bei der Entnahme verloren.

[0003] Die Kriterien für die Optimierung des Entnahmeschlitzes sind sehr widersprüchlich, da einerseits die Strömung im Entnahmeschlitz optimiert werden muss, andererseits die Strömung im beschaufelten Ringraum des Verdichters nicht gestört werden darf. Dieses Problem ist besonders gross, wenn der Entnahmeschlitz auch als Ausblasesystem beim An- und Abstellen des Verdichters benutzt wird.

[0004] Es wurden deshalb verschiedene Formen für derartige Verbindungen zwischen dem Hauptkanal und dem Ausblasesystem entwikkelt, so z.B. Schlitze unterschiedlicher Formen, hohle Leitschaufeln und Öffnungen in den Grundplatten an den Leitschaufelfüssen.

[0005] Betrachtet man die am häufigsten verwendeten Entnahmeschlitze, so stellt man fest, dass je nach Geometrie des Schlitzes (vor allem Öffnungswinkel des Entnahmeschlitzes und Neigungswinkel des Schlitzes zur Verdichterachse) zwar ein Teil der Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit genutzt werden kann, jedoch die Umfangskomponente fast vollständig dissipiert. Bei modernen Verdichtern ist aber gerade der Energieinhalt der Umfangskomponente sehr gross, so dass dies zu bedeutenden Totaldruckverlusten führt. Die Druckverluste sind u.a. direkt proportional dem Quadrat der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit im Verdichter.

Darstellung der Erfindung

[0006] Die Erfindung versucht, diesen Nachteil zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Sekundärluftentnahme aus einem Axialverdichter unter Verwendung eines umlaufenden Entnahmeschlitzes, welcher zumindestens teilweise als Diagonaldiffusor ausgebildet ist, zu schaffen, bei der der Totaldruckverlust minimiert wird.

[0007] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei der Vorrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruches 1 im oder unmittelbar am Entnahmeschlitz Mittel angeordnet sind, welche die kinetische Energie der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit nutzbar machen.

[0008] Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass durch Umwandlung der Umfangskomponente der Lauf- oder Leitradabströmung im Verdichter in statischen Druck der Totaldruckverlust minimiert und dadurch der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird.

[0009] Es ist besonders zweckmässig, wenn das Mittel zur Umwandlung der kinetischen Energie der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit ein Mini-Leitgitter ist, welches direkt in dem eine konstante Höhe aufweisenden Eintrittsbereich des Entnahmeschlitzes angeordnet ist. Die Umfangsgeschwindigkeit wird dadurch in statischen Druck umgewandelt und somit der Totaldruckverlust minimiert.

[0010] Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Mini-Leitgitter am Eintritt des Entnahmeschlitzes auf dem Verdichterleitrad angeordnet ist, wobei das Leitgitter des Verdichters und das Mini-Leitgitter unterschiedliche Umlenkwinkel und/oder unterschiedliche Schaufelzahlen aufweisen können.

[0011] Weiterhin ist es zweckmässig, wenn das Mini-Leitgitter am Ende des über die gesamte Länge divergenten Entnahmeschlitzes angeordnet ist.

[0012] Schliesslich wird mit Vorteil der Entnahmeschlitz als Diagonaldiffusor ausgelegt, welcher in eine Spirale übergeht, wobei die Spirale direkt in das Entnahmerohr mündet. Dadurch wird ein Teil der Umfangsgeschwindigkeit in statischen Druck umgewandelt und ein Teil der Umfangsgeschwindigkeit wird zur Transportkomponente.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0013] In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines einwelligen axialdurchströmten Gasturbinen-Verdichters dargestellt.

[0014] Es zeigen:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt des Gasturbinen-Verdichters mit einem Mini-Leitgitter im Einlaufschlitz;

Fig. 2

einen Teillängsschnitt des Gasturbinen-Verdichters mit einem Mini-Leitgitter auf dem Verdichterleitrad;

Fig. 3

einen Teillängschnitt des Gasturbinen-Verdichters mit einem als Diagonaldiffusor ausgelegten Entnahmeschlitz, welcher in eine Spirale übergeht, wobei die Spirale direkt in das Entnahmerohr mündet;

Fig. 4

einen Teilquerschnitt (Schnitt A-B) durch Fig. 3.

[0015] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0016] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen und mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0017] In Fig. 1 ist ein Teillängsschnitt eines Gasturbinen-Verdichters dargestellt. Zwischen dem Leitrad 1 und dem Laufrad 2 des Verdichters ist im Gasturbinengehäuse 3 ein umlaufender Entnahmeschlitz 4 angeordnet, welcher in ein Entnahmeplenum 5 mündet. Das Entnahmeplenum 5 ist wiederum mit dem Entnahmerohr 6 verbunden. Der Eintrittsbereich des Entnahmeschlitzes 4 weist eine konstante Höhe auf. Dort ist ein Mini-Leitgitter 7 angeordnet. Der sich daran anschliessende Teil des Entnahmeschlitzes 4 ist als Diagonaldiffusor 8 ausgebildet.

[0018] Bei Entnahme der Sekundärluft wird die Strömung am Eintritt in den Entnahmeschlitz 4 durch das Mini-Leitgitter 7 axial ausgerichtet. Damit wird die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit in statischen Druck umgewandelt und der Totaldruckverlust wird verringert. Das Mini-Leitgitter wirkt sich besonders günstig aus, wenn in der Strömung ein starker Drall ist.

[0019] Die optimale Position des Mini-Leitgitters ergibt sich bei der Feinauslegung. So kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Entnahmeschlitz 4 über die ganze Länge als divergenter Kanal ausgebildet sein, an dessen Ende das Mini-Leitgitter angeordnet ist.

[0020] Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Das Mini-Leitgitter 7 ist hier zusammen mit dem Leitgitter des Verdichters ausgeführt. Das Leitrad 1 des Verdichters ist geteilt. Der unterer Teil dient der Verdichterumlenkung, während der obere Teil das Mini-Leitgitter 7 für die Umlenkung der Strömung in axiale Richtung darstellt. Da das Leitgitter des Verdichters üblicherweise nicht in axiale Richtung umlenkt, haben das Leitgitter und das Mini-Leitgitter 7 unterschiedliche Umlenkwinkel. Die Schaufelzahlen von Leit- und Mini-Leitgitter 7 können ebenfalls unterschiedlich sein. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Umfangskomponente der Laufradabströmung im Verdichter in statischen Druck umgewandelt und der Totaldruckverlust wird minimiert.

[0021] Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 3 und 4 abgebildet. Der Entnahmeschlitz 4 ist hier nicht wie üblich in der Kombination Entnahmeschlitz 4/Entnahmeplenum 5 (s. Fig. 1 bzw. 2) ausgeführt, sondern der als Diagonaldiffusor 8 ausgelegte Entnahmeschlitz 4 geht in eine Spirale 9 über. Diese Spirale 9 mündet direkt in das Entnahmerohr 6. Auch dadurch wird ein Teil der Umfangkomponente der Strömungsgeschwindigkeit verlustarm in statischen Druck umgewandelt, ein weiterer Teil wird zur Transportkomponente. Der Totaldruckverlust wird verringert und ausserdem entfällt der Auslassverlust der Strömung, der beim Übergang in das Entnahmeplenum 5 entstehen würde. Der Wirkungsgrad der Anlage wird somit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht. Im Falle des Einsatzes einer Spirale 9 kann auf das Mini-Leitgitter 7 verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

[0022] 

1

Leitrad

2

Laufrad

3

Gasturbinengehäuse

4

Entnahmeschlitz

5

Entnahmeplenum

6

Entnahmerohr

7

Mini-Leitgitter

8

Diagonaldiffusor

9

Spirale

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Sekundärluftentnahme aus einem Axialverdichter unter Verwendung eines umlaufenden Entnahmeschlitzes (4), welcher zumindestens teilweise als Diagonaldiffusor (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im oder unmittelbar am Entnahmeschlitz (4) Mittel angeordnet sind, welche die kinetische Energie der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit nutzbar machen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Nutzbarmachung der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit ein Mini-Leitgitter (7) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mini-Leitgitter (7) direkt in dem eine konstante Höhe aufweisenden Eintrittsbereich des Entnahmeschlitzes (4) integriert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mini-Leitgitter (7) am Ende des über die gesamte Länge divergenten Entnahmeschlitzes (4) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mini-Leitgitter (7) am Eintritt des Entnahmeschlitzes (4) auf dem Verdichterleitrad (1) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter des Verdichters und das Mini-Leitgitter (7) unterschiedliche Umlenkwinkel aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter des Verdichters und das Mini-Leitgitter (7) unterschiedliche Schaufelzahlen aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Diagonaldiffusor (8) ausgelegte Entnahmeschlitz (4) in eine Spirale (9) übergeht, wobei die Spirale (9) direkt in das Entnahmerohr (6) mündet.

Zeichnung