Auslegung eines Axialdiffusors unter Berücksichtigung von Einbauten

Abstract

 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) mit einem Mittel zur Minderung der Ablöseneigung so ausgestaltet ist, dass eine Wirkung der Einbauten (4) auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne das Mittel ablösen würde, zu verhindern.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen verbesserten Axialdiffusor zur Berücksichtigung von Einbauten.

[0002] 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 statische 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.

[0003] Aus der EP 2 194 231 A1 ist bekannt, einen Axialdiffusor vorzusehen, der nicht rotationssymmetrisch ist. Damit soll eine in den Axialdiffusor über den Umfang ungleichmäßig einströmende Strömung vergleichmäßigt werden.

[0004] Ein generelles Problem bei Axialdiffusoren besteht darin, dass einerseits wirksam die Strömung verlangsamt werden soll und der mit der Strömung verbundene dynamische Druck in statischen 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 vorhandenen Einbauten zu verbessern.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe findet sich insbesondere in den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterentwicklungen an. Weitere Einzelheiten und Erläuterungen der Lösung finden sich in der Beschreibung samt der zugehörigen Zeichnung.

[0006] Es wurde ein Axialdiffusor mit einer sich aufweitenden Diffusorwand bereitgestellt. Der Axialdiffusor kommt im Regelfall in einer Strömungsmaschine, insbesondere in einer Gasturbine, zum Einsatz. 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.

[0007] Die Einbauten bringen aber das Problem mit sich, dass die Strömung verstärkt zur Ablösung neigt. Es versteht sich dabei, 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 Axialdiffusors - weitgehend vorgegeben, zumindest sind die angestrebten Drücke und Volumenströme bekannt. Dabei sollte im Axialdiffusor eine optimale Umwandlung von dynamischem Druck in statischen Druck erfolgen.

[0008] Um dies auch bei vorhandenen Einbauten zu erreichen, ist in Strömungsrichtung vor den Einbauten der Axialdiffusor mit einem Mittel zur Minderung der Ablöseneigung so ausgestaltet, dass eine Wirkung der Einbauten auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne das Mittel ablösen würde, zu verhindern.

[0009] Es geht also darum die eingangs genannte Ablösung der Strömung durch entsprechende Ausgestaltung zu verhindern. Es muss klar sein, dass dies im Blick auf Strömung erfolgen muss, die ohne das Mittel ablösen würde. Die Ausgestaltung hängt also nicht nur von den Einbauten 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 Verwendung der Mittel eine Ablösung nicht verhindert werden kann.

[0010] 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. Am Beispiel vier gleichmäßig um den Umfang verteilter Einbauten beispielweise bei 0°, 90°, 180° und 270°. 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.

[0011] Vorliegend wird von Strömungsrichtung im Interesse einer anschaulichen Darstellung auch dann gesprochen, wenn dieser Begriff 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.

[0012] Schließlich gilt es darzustellen, dass es sich bei der Diffusorwand nicht um ein einzelnes Bauteil handeln muss. Die Diffusorwand kann sich aus mehreren Bauteilen oder Wandabschnitten zusammensetzen.

[0013] Nach den Klärungen der Begriffe soll eine wesentliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt werden. Dabei wird der Axialdiffusor genau an denjenigen Umfangspositionen, an denen sich die Einbauten befinden, stromauf so ausgestaltet, dass die Wirkung der Einbauten auf die Strömung berücksichtigt ist.

[0014] Eine nähere Analyse zeigt, dass die an gewählten Umfangspositionen 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.

[0015] In einer Ausführungsform der Erfindung weist im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten in Strömungsrichtung vor den Einbauten die Diffusorwand eine geringere Aufweitung als das Mittel zur Minderung der Ablöseneigung auf als in anderen Bereichen. Wie bereits erwähnt hat der Axialdiffusor eine sich aufweitende Diffusorwand, um den Querschnitt zu erhöhen und so die Strömung abzubremsen. Eine zu starke Aufweitung führt generell zur Ablösung 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 geringer ist als in anderen Umfangspositionen.

[0016] Neben der niedrigeren Aufweitung in den betroffenen Umfangspositionen 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.

[0017] Auch eine besonders reibungsarme Ausgestaltung der Diffusorwand in den betroffenen Umfangspositionen könnte als Mittel die Ablöseneigung reduzieren. Insgesamt scheint aber die niedrigere Aufweitung der Diffusorwand in den betroffenen Umfangspositionen die wohl beste Maßnahme zu sein.

[0018] 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.

[0019] 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 Aufweitung auf als in anderen Bereichen aufweist, ist der Axialdiffusor nicht rotationssymmetrisch. Im Stand der Technik sind Axialdiffusoren dagegen normalerweise rotationssymmetrisch. Werden besondere Effekte beabsichtigt, wie etwa die in EP 2 194 231 A1 beschriebene Vergleichmäßigung einer ungleichmäßigen Strömung, so sind hierfür nicht rotationssymmetrische Axialdiffusoren bereits bekannt.

[0020] Theoretisch könnte es auch möglich sein, dass die Überlagerung mehrerer Effekte, also etwa die Berücksichtigung von Einbauten und die Vergleichmäßigung einer ungleichmäßigen Strömung wiederum zu einem rotationssymmetrischen Axialdiffusor führen. Dies ist zwar sehr unwahrscheinlich, es scheint aber bisher nicht gänzlich ausgeschlossen zu sein, dass unter ganz bestimmten Bedingungen auch ein rotationssymmetrischer Axialdiffusor zum Einsatz kommen kann, wenn es gilt Einbauten strömungstechnisch zu berücksichtigen.

[0021] In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Aufweitung der Diffusorwand 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.

[0022] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Auslegung eines Axialdiffusors, 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. Dabei geht es insbesondere um die Auslegung eines oben geschilderten Axialdiffusors. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obigen Schilderungen Bezug genommen.

[0023] Anhand von Figuren soll nachfolgend die Erfindung näher erklärt werden. Dabei zeigen

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht eines Gasturbinenauf-baus mit einem Axialdiffusor mit Stützrippen

Fig. 2

die Geschwindigkeitsverteilung in mehreren Diffusorebenen

Fig. 3

die Verschiebung des Ablösungsbereichs durch Einbauten

Fig. 4

eine grobschematische Skizze eines Axialdiffusors mit einer Stützrippe und einer niedrigeren Aufweitung stromaufwärts der Stützrippe

[0024] 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 verlangsamt. Es ist eine Stützrippe 4 zu erkennen, die zu den Einbauten zählt, deren Wirkung auf die Strömung zu berücksichtigen ist.

[0025] Figur 2 hat die Figurbereiche 2a, 2b und 2c. Im Figurbereich 2a sind verschiedene Ebenen 5 bis 9 des Axialdiffusors 3 gezeigt. Im Figurbereich 2b ist die zugehörige axiale Geschwindigkeit 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 erkennen. 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 ermittelten Geschwindigkeiten ergaben sich bei einem Axialdiffusor mit 7 Stützrippen.

[0026] 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.

[0027] 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 erfolgt im Bereich 11a keine Ablösung, während im Bereich 11b eine Ablösung zu erkennen ist.

[0028] Figur 4 ist eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen 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. Damit erfolgt eine Anpassung an eine schematisch dargestellte Stützrippe 4.

[0029] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. 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) mit einem Mittel zur Minderung der Ablöseneigung so ausgestaltet ist, dass eine Wirkung der Einbauten (4) auf eine Strömung berücksichtigt ist, um eine Ablösung der Strömung, die ohne das Mittel ablösen würde, zu verhindern.

2. Axialdiffusor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Axialdiffusor (3) an den Umfangspositionen der Einbauten (4) so ausgestaltet ist, dass die Wirkung der Einbauten (4) auf die Strömung berücksichtigt ist.

3. Axialdiffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Umfangspositionen der Einbauten (4) in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) die Diffusorwand (12, 13) eine geringere Aufweitung aufweist als in anderen Bereichen.

4. Axialdiffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einbauten Stützrippen (4) sind.

5. Axialdiffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Axialdiffusor (3) in Strömungsrichtung vor den Einbauten (4) nicht rotationssymmetrisch ist.

6. Axialdiffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufweitung der Diffusorwand (12, 13) an verschiedenen Umfangspositionen so gewählt ist, dass bei einer gewählten Strömung im Wesentlichen keine Ablösung erfolgt,
wobei zugleich eine maximale Verzögerung der Strömung erfolgt.

7. Verfahren zur Auslegung eines Axialdiffusors, insbesondere 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.

Zeichnung