Gasturbine mit angewinkeltem Mischgehäuse und Verfahren zur Turbinenanströmung

Abstract

 Es wird eine Gasturbine offenbart umfassend zumindest einem Brenner (13) und einer Brennkammer (3) zum Verbrennen von Brennstoff, einem Mischgehäuse (80a,b) sowie einem sich daran anschließenden Innengehäuse (9) und eine im wesentlichen in Bezug auf den zumindest einen Brenner (13) senkrecht angeordneten Turbine (5), wobei das durch das verbrennen des Brennstoffs entstehende Verbrennungsabgas durch das Mischgehäuse (80a,b) in das Innengehäuse (9) strömt, wobei das Innengehäuse (9) derart ausgestaltet ist, dass das Verbrennungsabgas im Innengehäuse (9) in Richtung Turbine (5) umgelenkt wird, wobei das Mischgehäuse (80a,b) gegenüber dem Innengehäuse (9) angewinkelt ist, so dass eine bessere Umlenkung des Verbrennungsabgases in Richtung Turbine (5) bewirkt ist. Weiterhin wird 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 (vgl. FIG 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 3 und der Turbine 5 ist ein 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 Abgase in Richtung auf die Turbine 5 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 5 gelöst. Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch Anspruch 6 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 eine, 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 Mischgehäuse gegenüber dem Innengehäuse angewinkelt ist, so dass eine bessere Umlenkung des Verbrennungsabgases in Richtung Turbine bewirkt ist. Durch das Anwinkeln des Mischgehäuses nämlich wird das Abgas im Innengehäuse besser umgeleitet. 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] Die Gasturbinenanordnung umfasst dabei eine Welle an der die Turbine angeordnet ist. Das Innengehäuse weist eine Innengehäusenabe auf, welche im Wesentlichen parallel zur Welle angeordnet ist. Diese Innengehäusenabe ist bevorzugt wenigstens näherungsweise zylindrisch ausgebildet. Bevorzugt ist der Winkel zwischen Innengehäuse und Mischgehäuse derart ausgebildet, dass Strömungsstaupunkte im Innengehäuse und an der Innengehäusenabe vermieden sind. Dadurch wird der Verschleiß dieser Bauteile durch Oxidation und Erosion vermieden.

[0011] Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Gasturbine offenbart, welche zumindest zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende Brenner und Brennkammern umfasst. Dies können vor allem bekannte Silobrennkammern sein. An diese schließen sich jeweils die Mischgehäuse a und b sowie ein Innengehäuse mit einer um eine Welle angeordneten geschlossenen Innengehäusenabe an. Durch das Innengehäuse und die Nabe wird ein Ringraum mit einem Umfang ausgebildet. Erfindungsgemäß sind nun das Mischgehäuse a und b in Umfangsrichtung angewinkelt. Dadurch wird sowohl eine bessere Umlenkung als auch eine verbesserte Anströmung der Turbine erzielt.

[0012] Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Turbinenanströmung offenbart, welche einen Brenner und eine Brennkammer, in welcher Brennstoff zu Verbrennungsabgasen verbrannt wird, umfasst, und ein Mischgehäuse sowie ein sich daran anschließendes Innengehäuse zum Führen der Verbrennungsabgase zu einer Turbine, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase in der Brennkammer angeordnet ist, wobei im Innengehäuse die Verbrennungsabgase in Richtung Turbine abgelenkt werden, wobei mittels anwinkeln des Mischgehäuses gegenüber dem Innengehäuse die Strömungsumleitung im Innengehäuse verbessert wird, so dass eine verbesserte Turbinenanströmung erzielt wird. Dadurch wird die Strömungsumleitung der Abgase im Innengehäuse verbessert, was zu einer Vergleichmäßigung der Heißgasströmung im Innengehäuse führt. Dadurch vergleichmäßigt sich die Anströmung auf die Turbine, wodurch eine Verbesserung der Performancewerte der Maschine erzielt wird. Auch werden Strömungsstaupunkte im Innengehäuse und an der Nabe vermieden, was zu einem geringeren Verschleiß führt.

[0013] 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 das erfindungsgemäße angewinkelte Mischgehäuse mit Innengehäuse.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] Die Welle 12 ist von einem Wellenschutzmantel 15 (vgl. FIG 3) umgeben, welche selbst von einer Innengehäusenabe 17 des Innengehäuses 9 umgeben ist.

[0020] 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.

[0021] 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 8 erfolgt keine eindeutige Führung der beiden Abgasströme auf die Turbine, 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 5, wodurch mit Performanceverlusten zu rechnen ist.

[0022] FIG 4 zeigt schematisch ein Innengehäuse 9 sowie die Innengehäusenabe 17 und den Turbineneintritt 20. Das Innengehäuse 9 und die Nabe 17 bilden dabei einen Ringraum mit einem Umfang in dem die Strömung einströmt. Das erfindungsgemäße Mischgehäuse 80a und 80b ist gegenüber dem Innengehäuse 9 angewinkelt hier gezeigt in Umfangsrichtung angewinkelt. Dadurch wird der Verbrennungsabgasstrom 22 besser umgeleitet. Durch das Anwinkeln der Mischgehäuse 80a,b wird die Strömungsumleitung im Innengehäuse 9 verbessert, was zur Vermeidung von Strömungsstaupunkten im Innengehäuse 9 und an der Nabe 17 führt. Dadurch wird der Verschleiß der Bauteile durch Oxidation und Erosion vermindert. Weiterhin wird die Verbrennungsabgasströmung 22 im Innengehäuse 9 verbessert, was zu einer Vergleichmäßigung der Strömung im Innengehäuse 9 führt. Dadurch verbessert sich die Anströmung der Turbine 5 und es kommt zu einer Verbesserung der Performancewerte. Mittels der Erfindung ist es nun möglich, die einzelnen Turbinenschaufeln (10,11) gemäß ihrer Auslegung anzuströmen.

Ansprüche

1. Gasturbinenanordnung umfassend zumindest einem Brenner (13) und einer Brennkammer (3) zum Verbrennen von Brennstoff, einem Mischgehäuse (80a,b) sowie einem sich daran anschließenden Innengehäuse (9) und eine im wesentlichen in Bezug auf den zumindest einen Brenner (13) senkrecht angeordneten Turbine (5), wobei das durch das verbrennen des Brennstoffs entstehende Verbrennungsabgas durch das Mischgehäuse (80a,b) in das Innengehäuse (9) strömt, wobei das Innengehäuse (9) derart ausgestaltet ist, dass das Verbrennungsabgas im Innengehäuse (9) in Richtung Turbine (5) umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgehäuse (80a,b) gegenüber dem Innengehäuse (9) angewinkelt ist, so dass eine bessere Umlenkung des Verbrennungsabgases in Richtung Turbine (5) bewirkt ist.

2. 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 (9) eine Innengehäusenabe (17) aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Welle (12) angeordnet ist.

3. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Innengehäusenabe (17) wenigstens näherungsweise zylindrisch ausgebildet ist.

4. Gasturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Innengehäuse (9) und Mischgehäuse (80a,b) derart ausgebildet ist, dass Strömungsstaupunkte im Innengehäuse (9) und an der Innengehäusenabe (17) vermieden sind.

5. Gasturbine (5) umfassend zumindest zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende Brenner und Brennkammern sowie einem sich jeweils daran anschließenden Mischgehäuse (80 a) und (80b) und einem sich daran anschließenden Innengehäuse (9) sowie einer um eine Welle (12) angeordneten Innengehäusenabe (17) wobei durch das Innengehäuse (9) und die Innengehäusenabe (17) ein Ringraum mit einem Umfang ausgebildet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Mischgehäuse (80a) und (80b) in Umfangsrichtung angewinkelt sind.

6. Verfahren zur Turbinenanströmung umfassend zumindest einem Brenner und einer Brennkammer, in welchem Brennstoff zu Verbrennungsabgasen verbrannt wird, und einem Mischgehäuse (80a,b) sowie ein sich daran anschließendes Innengehäuse (9) zum Führen der Verbrennungsabgase zu einer Turbine (5), die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsabgase in der Brennkammer (3) angeordnet ist, wobei im Innengehäuse (9) die Verbrennungsabgase in Richtung Turbine (5) abgelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels anwinkeln des Mischgehäuses (80a,b) gegenüber dem Innengehäuse (9) die Strömungsumleitung im Innengehäuse (9) verbessert wird, so dass eine bessere Turbinenanströmung erzielt wird.

7. Verfahren zur Turbinenanströmung dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Turbinenschaufeln (10,11) gemäß ihrer Auslegung angeströmt werden.

Zeichnung