Gasturbineanordnung und Verfahren zur Turbinenanströmung

Abstract

 Es wird eine Gasturbinenanordnung offenbart, umfassend zumindest einem Brenner (13) und einer Brennkammer (3) zum Verbrennen von Brennstoff, einem Mischgehäuse (8a,b) sowie einem sich daran anschließenden Innengehäuse (90) und daran nachangeordneten Turbine (5), wobei das durch das verbrennen des Brennstoffs entstehende Verbrennungsabgas durch das Mischgehäuse (8a,8b) in das Innengehäuse (90) strömt, so dass das Verbrennungsabgas im Innengehäuse (90) in Richtung Turbine (5) umgelenkt wird, wobei das Innengehäuse (90) eine Windung aufweist. Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Gasturbine und ein Verfahren zur verbesserten Turbinenanströmung offenbart.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanordnung umfassend zumindest einem Brenner und einer Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff, einem Mischgehäuse sowie einem sich daran anschließenden Innengehäuse und einer im wesentlichen in Bezug auf den zumindest einen Brenner senkrecht angeordneten Turbine, wobei das durch das verbrennen des Brennstoffs entstehende Verbrennungsabgas durch das Mischgehäuse in das Innengehäuse strömt, wobei das Innengehäuse derart ausgestaltet ist, dass das Verbrennungsabgas im Innengehäuse in Richtung Turbine umgelenkt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine und ein Verfahren zur Turbinenanströmung.

[0002] Eine Gasturbinenanlage 1 umfasst im Wesentlichen eine oder mehrere Brennkammern 3 mit Brennern 13 (vgl. FIG 2), in denen ein Brennstoff verbrannt wird, eine Turbine 5, der die heißen und unter Druck stehenden Verbrennungsabgase aus den Brennkammern 3 zugeführt werden und in der die Abgase unter Abkühlung und Entspannung Arbeit leisten und so die Turbine 5 in Rotation versetzen, sowie einen Verdichter 7, der mit der Turbine 5 über eine Welle 12, welche von einer Nabe 17 umgeben ist, gekoppelt ist und über den die für die Verbrennung notwendige Luft eingesaugt und auf einen höheren Druck verdichtet wird.

[0003] Zum Führen der heißen Verbrennungsabgase kommen in Gasturbinenanlagen heißgasführenden Bauteile wie Mischgehäuse und Innengehäuse zum Einsatz. Dies trifft insbesondere für solche Gasturbinenanlagen zu, in denen so genannte Silobrennkammern 3 Verwendung finden, die in der Regel zu beiden Seiten der Turbine 5 angeordnet sind.

[0004] FIG 1 zeigt eine derartige Gasturbinenanlage in einer schematischen Ansicht, wobei FIG1 einen horizontalen Schnitt durch die Anlage zeigt.

[0005] Aus diesen Silobrennkammern 3 strömen die Verbrennungsabgase 2 in einer Richtung aus, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Drehachse A der Turbine 5 verläuft. Zwischen dem Ausgang 18 der Silobrennkammern und der Turbine 5 ist eine Mischgehäuse 8 angeordnet, dem sich turbinenseitig ein im Inneren des Gasturbinengehäuses 2 angeordnetes Innengehäuse 9 anschließt. Das Innengehäuse 9 hat die Aufgabe, die umgebenden Bauteile vor Hitze zu schützen und die aus dem Mischgehäuse 8 austretenden heißen Gase in Richtung auf die Turbine umzulenken. Beim Austritt aus dem Innengehäuse 9, das heißt beim Eintritt in die Turbine 5 der Gasturbinenanlage 1 strömen die Verbrennungsabgase dann im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse A der Turbinenwelle 12.

[0006] Beim Zuführen des Gases zur Turbine 5 wird das Gas im Innengehäuse 9 im Wesentlichen um 90 ° Grad umgelenkt und anschließend über einen gemeinsamen Ringraum der Turbine zugeführt. Bedingt durch die Form des Gehäuses erfolgt keine eindeutige Führung der beiden Gasströme aus den beiden Silobrennkammern 3 auf die Turbine 5, das heißt die Ströme treffen auf die Nabe 17 und verteilen sich dann auf den umlaufenden Raum zum Turbineneintritt. Dadurch ergibt sich eine inhomogene Anströmung der Turbine 5. Daraus ist mit Performanceverlusten zu rechnen.

[0007] Gegenüber diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Gasturbinenanordnung zur Verfügung zu stellen, welche eine verbesserte Turbinenanströmung gewährleistet. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer solchen Gasturbine. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens, welchem eine verbesserte Turbinenanströmung zugrunde liegt.

[0008] Die erste Aufgabe wird durch eine Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die auf die Gasturbine bezogene Aufgabe wird durch die Angabe einer Gasturbine nach Anspruch 10 gelöst. Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0009] Eine erfindungsgemäße Gasturbinenanordnung umfasst zumindest einen Brenner und eine Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff, ein Mischgehäuse sowie ein sich daran anschließendes Innengehäuse und einer im Wesentlichen in Bezug auf den zumindest einen Brenner senkrecht angeordneten Turbine. Dabei strömt das durch das verbrennen des Brennstoffs entstehende Verbrennungsabgas durch das Mischgehäuse in das Innengehäuse, wobei das Innengehäuse derart ausgestaltet ist, dass das Verbrennungsabgas im Innengehäuse in Richtung Turbine umgelenkt wird. Dies ist im Wesentlichen eine Ablenkung um 90 °Grad. Da, bedingt durch die Form des Gehäuses keine eindeutige Führung des Gasstroms auf die Turbine erfolgt, ergibt sich eine inhomogene Anströmung. Daraus resultieren schlechte Performancewerte. Hier greift nun die Erfindung ein, und löst dieses lang bestehende Problem, indem das zumindest Innengehäuse eine Windung aufweist. Dadurch erfährt der Abgasstrom eine klar definierte Führung vom Eintritt in das Innengehäuse bis zum Eintritt in die Turbine. Dadurch resultiert eine Vergleichmäßigung der Abgasströmung im Innengehäuse, wodurch die Turbine besser angeströmt wird. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die einzelnen Turbinenschaufeln gemäß ihrer Auslegung anzuströmen.

[0010] Bevorzugt ist die zumindest eine Windung schneckenförmig ausgebildet.

[0011] In bevorzugter Ausgestaltung sind zumindest zwei Mischgehäuse vorhanden. Diese können an zwei Silobrennkammern angeschlossen sein. Bevorzugt sind zumindest zwei Schneckengänge vorhanden, welche an die zwei Mischgehäuse angeschlossen sind. Somit wird eine eindeutige Führung des rechten und des linken Abgasstroms, das heißt der beiden Ströme, die aus den unterschiedlichen Mischgehäusen austreten, auf die Turbine gewährleistet. Damit erfahren beide aus dem Mischgehäuse austretenden Abgasströme eine eindeutige Anströmung auf die Turbine, was wiederum die Performance der Turbine verbessert. Durch die Ausführung als Scheckengehäuse, also mit zwei Schneckengängen erfolgt eine definierte Zusammenführung der beiden aus dem Mischgehäuse strömenden Abgasströme auf einen gemeinsamen Ringraum zum Turbineneintritt. Durch diese aerodynamische Optimierung werden Strömungsstaupunkte im Innengehäuse beseitigt, wodurch eine Verschleißminderung durch Reduzierung der Oxidation und der Erosion erzielt wird.

[0012] Bevorzugt sind die zumindest zwei Schneckengänge verjüngt. Die gezielte Verjüngung der beiden Schneckengänge bewirkt, dass über den gesamten Weg eine konstante Beschleunigung des Abgases von dem Mischgehäuse bis zur Turbine erzielt wird. Somit erfolgt eine gleichmäßige Anströmung auf die Schaufeln der Turbine, insbesondere auf die erste Leitschaufel der Turbine.

[0013] Bevorzugt ist eine Welle umfasst, an der die Turbine angeordnet ist, wobei das Innengehäuse eine Innengehäusenabe aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Welle angeordnet ist.

[0014] Die Innengehäusenabe ist dabei wenigstens näherungsweise zylindrisch ausgebildet.

[0015] Bevorzugt weist die Windung, insbesondere der Schneckengang beim Mischgehäuse seinen Anfang auf und ist bis zur Innengehäusenabe ausgebildet. Die Windung insbesondere der Schneckengang weist am Anfang die größte Öffnung und bei der Innengehäusenabe die kleinste Öffnung auf. Dadurch kann eine Beschleunigung der Abgase erzielt werden.

[0016] Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Gasturbine offenbart, welche zumindest zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende Brenner und Brennkammern sowie ein sich jeweils daran anschließendes Mischgehäuse und ein sich daran anschließendes Innengehäuse umfasst, sowie weiterhin eine, um eine Welle angeordnete Innengehäusenabe aufweist. Dies können vor allem bekannte Silobrennkammern sein. Erfindungsgemäß ist nun das Innengehäuse durch zumindest zwei Schneckengänge ausgebildet, wobei diese bei den Mischgehäusen beginnen und bei der Innengehäusenabe enden, wobei sich die zumindest zwei Schneckengänge zur Innengehäusenabe hin verjüngen. Dadurch wird eine bessere Umlenkung als auch eine bessere Anströmung der Turbine erzielt.

[0017] Bevorzugt ist durch die beiden Schneckengänge eine eindeutige Führung der aus dem Mischgehäuse austretenden Verbrennungsabgasströme vorhanden. Dadurch werden die beiden Verbrennungsabgasströme definiert zusammengeführt. Strömungsstaupunkte werden somit verhindert.

[0018] Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Turbinenanströmung umfassend zumindest einen Brenner und einer Brennkammer, in welchem Brennstoff zu Verbrennungsabgasen verbrannt wird, offenbart, sowie ein Mischgehäuse und ein sich daran anschließendes Innengehäuse, zum Führen des mindestens einen Verbrennungsabgasstroms zu einer Turbine, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase in der Brennkammer angeordnet ist, wobei im Innengehäuse mittels einer Innengehäusenabe die Verbrennungsabgase in Richtung Turbine abgelenkt werden, wobei mittels einer schneckenartigen Ausbildung des Innengehäuses mit wenigstens einen Schneckengang ausgehend vom Mischgehäuse bis zur Innengehäusenabe, wobei sich der wenigstens eine Schneckengang in Richtung Innengehäusenabe verjüngt, eine konstante Beschleunigung der Verbrennungsabgase bis zum Turbineneintritt erreicht wird. Dadurch wird eine vergleichmäßigte Anströmung über den gesamten Umfang am Turbineneinritt erzeugt, wodurch eine Verbesserung der Turbinenperformance erreicht wird.

[0019] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

FIG 1

zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine Gasturbinenanlage mit zwei Silobrennkammern in einer stark schematisierten Darstellung nach dem Stand der Technik,

FIG 2

zeigt einen vertikalen Schnitt einer Silobrennkammer, dem Mischgehäuse und dem Innengehäuse nach dem Stand der Technik,

FIG 3

zeigt einen Ausschnitt eines Innengehäuses und zugehöriger Innengehäusenabe nach dem Stand der Technik,

FIG 4

zeigt schematisch ein Mischgehäuse mit erfindungsgemäß ausgebildetem Innengehäuse umfassend zweier Schneckengänge.

[0020] Ein Beispiel für Gasturbinenanlage 1 ist in der Figur 1 in einer stark schematisierten Darstellung gezeigt. Die Gasturbinenanlage 1 umfasst zwei Silobrennkammern 3, eine Turbine 5, einen Verdichter 7, zwei Mischgehäuse 8 sowie ein Innengehäuse 9. Die Silobrennkammern 3 dienen zum Verbrennen eines Brennstoffes, wobei die heißen und unter hohem Druck stehenden Abgase 2 über die Mischgehäuse 8 und das Innengehäuse 9 der Turbine 5 zugeführt werden, um diese anzutreiben.

[0021] Die Turbine 5 umfasst stationäre Leitschaufeln 10 sowie mit einer um eine Achse A drehbar gelagerten Welle 12 fest verbundene Laufschaufeln 11. Durch das in der Turbine 5 expandierende heiße Abgas 2 wird Impuls über die Laufschaufeln 11 auf die Welle 12 übertragen, wodurch diese in Rotation versetzt wird.

[0022] Die Welle 12 kann grob in drei Abschnitte unterteilt werden, nämlich einen die Laufschaufeln 11 der Turbine 5 tragenden Abschnitt, einen Laufschaufeln des Verdichters 7 (nicht dargestellt) tragenden Abschnitt sowie einen zwischen diesen beiden Abschnitten angeordneten Wellenabschnitt 16, in dem keine Laufschaufeln angeordnet sind. Die Welle 12 und die daran angebrachten Laufschaufeln 11 bilden den sog. Turbinenläufer.

[0023] Die Welle 12 erstreckt sich durch die gesamte Gasturbinenanlage (nicht vollständig dargestellt) und treibt den Verdichter 7 sowie einen nicht dargestellten Generator an. Der Verdichter 7 dient dabei dazu, Luft zu verdichten, die anschließend den Silobrennkammern 3 für die Verbrennung zugeführt wird.

[0024] FIG 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Silobrennkammer 3 mit Brennern 13 einem sich anschließendem Mischgehäuse 8 und einem Innengehäuses 9. Die Brennkammer 3 wie die Brenner 13 verlaufen vertikal und befinden sich am oberen Ende der gezeigten Figur. An das untere Ende der Brennkammer 3 schließt sich das konische und gekrümmte Mischgehäuse an, das die Verbrennungsabgase zu dem Innengehäuse 9 führt.

[0025] Die Welle 12 ist von einem Wellenschutzmantel 15 (vgl. FIG 3) umgeben, welche selbst von einer Innengehäusenabe 17 des Innengehäuses 9 umgeben ist.

[0026] FIG 3 zeigt das Innengehäuse mit Innengehäusenabe 17 (vertikaler Schnitt durch das Innengehäuse), in dem die Innengehäusenabe 17 des Innengehäuses 9 sowie ein Teil des Wellenschutzmantels 15 zu erkennen sind. Ausschnittsweise ist auch eine Leitschaufel 10 der Turbine 5 zu erkennen, die der turbinenseitigen Öffnung 19 des Innengehäuses 9 gegenüberliegt.

[0027] Die Innengehäusenabe 17 sowie der Wellenschutzmantel 15 haben im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders. Das Innengehäuse 9 dient dazu, das aus den Mischgehäusen 8 in das Innengehäuse 9 einströmende heiße Abgas einerseits abzulenken und andererseits möglichst gleichmäßig um den gesamten Umfang des Turbinenläufers zu verteilen. Hierbei erfolgt die Ablenkung um ca. 90 °Grad. Über einen gemeinsamen Ringraum werden die Gase dann der Turbine 5 zugeführt. Bedingt durch die Form des Mischgehäuses erfolgt keine eindeutige Führung der beiden Abgasströme auf die Turbine 5, das heißt, die Ströme treffen in Höhe einer Teilfuge (nicht gezeigt) auf die Nabe 17 und verteilen sich dann auf den umlaufenden Raum zum Turbineneintritt 20. Dadurch ergibt sich eine inhomogene Anströmung auf die Turbine, wodurch mit Performanceverlusten zu rechnen ist.

[0028] FIG 4 zeigt schematisch die beiden Mischgehäuse 8a, 8b mit erfindungsgemäß ausgebildetem Innengehäuse 90 welches aus zwei Schneckengängen 90a, 90b besteht. Um eine optimale Anströmung auf die Turbine 5 zu erreichen, muss der Abgasstrom aus beiden Mischgehäusen 8a,8b eine definierte Führung vom Eintritt am Innengehäuse 9 bis zum Turbineneintritt 20 erfahren. Das Innengehäuse 9 wird daher als erfindungsgemäßes Innengehäuse 90, sozusagen als Schneckengehäuse mit zwei Schneckengängen 90a,90b ausgeführt. Damit ist eine eindeutige Führung der beiden Abgasströme 22a, 22b, welche aus den beiden Mischgehäusen 8a,8b durch das Innengehäuse 90 auf die Turbine 5 strömen, gewährleistet. Die Schneckengänge 90a, 90b sind dabei verjüngt, und zwar vom Mischgehäuse aus mit der größten Öffnungen der Schneckengänge 90a,90b in Richtung Innengehäusenabe 17, wo die Scheckengänge 90a,90b enden. Die Verjüngung der beiden Schneckengänge 90a,90b ist dabei so ausgestaltet, dass die beiden Ströme 22a,22b über den gesamten Weg eine konstante Beschleunigung bis zum Turbineneintritt 20 erfahren, und somit eine gleichmäßige Anströmung auf die Turbine 5, insbesondere auf die erste Turbinenleitschaufel erfolgt. Dadurch wird der Verbrennungsabgasstrom 22a, 22b besser umgeleitet. Durch die erfindungsgemäße Ausführungen des Innengehäuses 90 als Schneckengehäuse mit zwei Schneckengängen 90a,90b erfolgt somit eine definierte Zusammenführung von zwei Verbrennungsabgasströmen auf einen gemeinsamen Ringraum zum Turbineneintritt 20. Durch diese aerodynamische Optimierung im Innengehäuse 90 werden Strömungsstaupunkte im Innengehäuse 90 und an der Nabe 17 beseitigt, wodurch ein Verschleiß der Bauteile durch Oxidation und Erosion vermindert wird. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Innengehäuses 90, wird zudem eine vergleichmäßigte Anströmung über den gesamten Umfang am Turbineneintritt 20 erzeugt, wodurch die Turbinenperformance verbessert wird.

Ansprüche

1. Gasturbinenanordnung umfassend zumindest einem Brenner (13) und einer Brennkammer (3) zum Verbrennen von Brennstoff, einem Mischgehäuse (8a,b) sowie einem sich daran anschließenden Innengehäuse (90) und daran nachangeordneten Turbine (5), wobei das durch das verbrennen des Brennstoffs entstehende Verbrennungsabgas durch das Mischgehäuse (8a,8b) in das Innengehäuse (90) strömt, so dass das Verbrennungsabgas im Innengehäuse (90) in Richtung Turbine (5) umgelenkt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (90) zumindest eine Windung aufweist.

2. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Windung schneckenförmig ausgebildet ist.

3. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass dass zumindest zwei Mischgehäuse (8a)(8b)vorhanden sind.

4. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass dass zumindest zwei Schneckengänge (90a)(90b) vorhanden sind.

5. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass dass die zumindest zwei Schneckengänge (90a)(90b) verjüngt sind.

6. Gasturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (12) umfasst ist, an der die Turbine (5) angeordnet ist und wobei das Innengehäuse (90) eine Innengehäusenabe (17) aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Welle (12) angeordnet ist.

7. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Innengehäusenabe (17) wenigstens näherungsweise zylindrisch ausgebildet ist.

8. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Windung insbesondere der Schneckengang (90a,90b) beim Mischgehäuse (8a,8b) seinen Anfang aufweist und bis zur Innengehäusenabe (17) ausgebildet ist.

9. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Windung insbesondere der Schneckengang (90a,90b) am Anfang die größte Öffnung aufweist und bei der Innengehäusenabe die kleinste Öffnung aufweist.

10. Gasturbine (5) umfassend zumindest zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Brenner und Brennkammern sowie einem sich jeweils daran anschließenden Mischgehäuse (8a),(8b) und ein sich daran anschließendes Innengehäuse (90) sowie einer um eine Welle angeordneten Innengehäusenabe (17),
dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (90) durch zumindest zwei Schneckengänge (90a)(90b) ausgebildet ist, wobei diese bei den Mischgehäuse (8a),(8b) beginnen und bei der Innengehäusenabe (17) enden, wobei sich die zumindest zwei Schneckengänge(90a)(90b) zur Innengehäusenabe (17) hin verjüngen.

11. Gasturbine (5) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die beiden Schneckengänge (90a)(90b) eine eindeutige Führung der aus dem Mischgehäuse (8a), (8b) austretenden Verbrennungsabgasströme (22a ),(22b) vorhanden ist.

12. Verfahren zur Turbinenanströmung umfassend zumindest einem Brenner und einer Brennkammer, in welchem Brennstoff zu Verbrennungsabgasen verbrannt wird, und einem Mischgehäuse (8a,8b) sowie ein sich daran anschließendes Innengehäuse (90) zum Führen des mindestens einen Verbrennungsabgasstroms zu einer Turbine (5), die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase in der Brennkammer (3) angeordnet ist, wobei im Innengehäuse (9) mittels einer Innengehäusenabe die Verbrennungsabgase in Richtung Turbine (5) abgelenkt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels einer schneckenartigen Ausbildung des Innengehäuses (90) mit wenigstens einen Schneckengang (90a,90b) ausgehend vom Mischgehäuse (8a,8b) bis zur Innengehäusenabe (17), wobei sich der wenigstens eine Schneckengang (90a,90b) in Richtung Innengehäusenabe (17) verjüngt, eine konstante Beschleunigung der Verbrennungsabgase bis zum Turbineneintritt (20) erreicht wird.

Zeichnung