EP0087643B1

EP0087643B1 - Abgaskanal für Gasturbinen

Info

Publication number: EP0087643B1
Application number: EP83101296A
Authority: EP
Inventors: Otto Dipl.-Ing. V. Schwerdtner; Klaus Dinstuhl
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1982-02-24
Filing date: 1983-02-10
Publication date: 1986-09-10
Also published as: US4573551A; EP0087643A1; DE3206626A1; JPS58158325A; JPH0413524B2; DE3365942D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaskanal für Gasturbinen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solcher Abgaskamin ist durch die FR-A-2 266 029 bekannt.
Stationäre Gasturbinen großer Leistung besitzen zumeist ein axiales Ausströmgehäuse, welches mit einem Abgaskamin über eine Abgasstrecke verbunden ist. Die Geschwindigkeit der Abgasströmung, welche am Turbinenaustritt größenordnungsmäßig 100 m/s beträgt, muß dabei in der Abgasstrecke auf etwa 50 m/s verzögert werden, da sonst der zur Verringerung der Lärmbelästigung erforderliche Schalldämpfer zerstört werden kann. Außerdem ist eine derartige Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit zur Verminderung der Austrittsverluste und zur Vermeidung unzulässiger Geräusche an der Mündung des Abgaskamins erforderlich.
Eine verlustarme Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit ist bei vertretbaren Baumaßen der Abgasstrecke jedoch problematisch, da die sehr hohen Volumenströme große Strömungsquerschnitte erfordern und außerdem eine Umlenkung des Abgasstromes von der axialen in die vertikale Richtung erforderlich ist.
Wenn auch in der eingangs genannten FR-A-2 266 029 nichts über die Anordnung der Schalldämpfer ausgesagt ist, so bestehen bei der dort behandelten Bauform grundsätzlich zwei Möglichkeiten : Der Schalldämpfer wird entweder axial hinter der Gasturbine angeordnet oder vertikal in den Abgaskamin eingesetzt. Im ersteren Fall ist zur Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit auf ein dem Schalldämpfer zuträgliches Maß ein sehr langes axiales Übergangsstück erforderlich. Steht dieser Platz nicht zur Verfügung, so müssen zur Verzögerung und Vergleichmäßigung der Geschwindigkeit Strömungswiderstände eingebaut werden, die aber zusätzliche Verluste erzeugen. Bei einer vertikalen Anordnung des Schalldämpfers im Abgaskamin würden durch die davorliegende Umlenkung des Abgasstromes neue Strömungsungleichmäßigkeiten, Geschwindigkeitsüberhöhungen und .Turbulenzen erzeugt, die den Schalldämpfer gefährden könnten. Zum Schutz des Schalldämpfers könnte man daher Einbauten zur Strömungsvergleichmäßigung und Umlenkhilfen verwenden oder den Schalldämpfer hoch in den Abgaskamin einsetzen. Derartige Konstruktionen wären jedoch verlustreich und nur mit relativ großem Aufwand herzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskanal für Gasturbinen zu schaffen, dessen Abgasstrecke bei geringem Platzbedarf eine verlustarme Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht.
Bei einem Abgaskanal für Gasturbinen der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Abgaskanal wird also die gesamte Abgasstrecke allein durch ein Umlenkstück gebildet, welches durch einen im wesentlichen horizontal ausgerichteten ersten Diffusorabschnitt und einen vertikal ausgerichteten zweiten Diffusorabschnitt insgesamt als Diffusor wirkt und daher unter Verzicht auf Übergangs- und Zwischenstücke eine verlustarme Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt. Die Voraussetzungen für eine ablösungsfreie Durchströmung des Umlenkstückes und für die Wirksamkeit des vertikal ausgerichteten zweiten Diffusorabschnittes wird hierbei durch das im Umlenkstück angeordnete Gitter zur gleichmäßigen Umlenkung des Abgasstromes gesichert. Die Teillänge des ersten und des zweiten Diffusorabschnittes sind frei wählbar, so daß die Abgasstrecke mit geringem Aufwand an die jeweiligen örtlichen Platzverhältnisse angepaßt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist die äußerst wirtschaftliche Herstellung des Umlenkstückes, zumal das Zwischenstück mit dem Gitter vor dem Verschweißen mit den beiden Diffusorabschnitten fertiggestellt werden kann, wodurch insbesondere das Einschweißen der einzelnen Umlenkbleche des Gitters erleichtert wird.
Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 kann bei gegebenem größtem Durchmesser des ersten Diffusorabschnittes etwas an Maschinenflurhöhe gespart werden.
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Figur 1 den Abgaskanal einer Gasturbine mit einem nahezu vollständig als Diffusor ausgebildeten Umlenkstück und die
Figur 2 bis 4 verschiedene Stadien bei der Herstellung.des Umlenkstückes.

Wie es aus dem Längsschnitt der Fig. 1 ersichtlich ist, beginnt der Abgaskanal mit einem nur teilweise dargestellten axialen Ausströmgehäuse 1 einer Gasturbine, aus welchem der durch Pfeile 2 angedeutete Abgasstrom in horizontaler Richtung austritt. An das Ausströmgehäuse 1 schließt sich ein erster Diffusorabschnitt 31 eines insgesamt mit 3 bezeichneten Umlenkstückes an. In dem ersten Diffusorabschnitt 31, dessen Erweiterungswinkel mit a bezeichnet ist, wird eine verlustarme Verzögerung des Abgasstromes 2 erreicht. Der erste Diffusorabschnitt 31 ist dabei etwas aufwärts gerichtet, um eine Verlegung unter Flur F zu vermeiden. Die mit dem Winkel γ bezeichnete Abweichung von der Horizontalen muß jedoch gering sein, da sonst schon am Anfang des ersten Diffusorabschnittes 31 eine Strömungsablösung auftreten könnte.
An den nahezu horizontal ausgerichteten ersten Diffusorabschnitt 31, dessen Ende schräg abgeschnitten ist, schließt sich ein im Querschnitt elliptisches Zwischenstück 32 an, in welchem ein durch eine Vielzahl von Umlenkblechen gebildetes Gitter 321 zur Umlenkung des Abgasstromes 2 in die vertikale Richtung angeordnet ist. Die Gleichmäßigkeit der Umlenkung des Abgasstromes 2 bei minimalen Umlenkverlusten wird dabei durch eine ausreichende Anzahl von Umlenkblechen des Gitters 321 sichergestellt.
An das Zwischenstück 32 mit dem Gitter 321 schließt sich dann ein mit einem Schrägabschnitt beginnender und vertikal ausgerichteter zweiter Diffusorabschnitt 33 des Umlenkstückes 3 an. In diesem zweiten Diffusorabschnitt 33, dessen Erweiterungswinkel « dem Erweiterungswinkel a des ersten Diffusorabschnittes 31 entspricht, wird eine weitere verlustarme Verzögerung des Abgasstromes 2 erreicht.
An den zweiten Diffusorabschnitt 33 schließt sich ein insgesamt mit 4 bezeichneter vertikaler Abgaskamin an, welcher sich von unten nach oben gesehen in einen zylindrischen Schalldämpferabschnitt 41, ein konisches Übergangsstück 42 und ein zylindrisches Kaminteil 43 gliedert. In dem Schalldämpferabschnitt 41 ist ein Schalldämpfer 5 angeordnet, welcher aus einer Anzahl vertikaler, als Schalldämpferelemente dienender Platten besteht.
Die einzelnen Schritte bei der Herstellung des Umlenkstückes 3 gehen aus den Fig. 2 bis 4 hervor. Dabei wird gemäß Fig. 2 von einem einzigen Kreiskegeldiffusor K ausgegangen, welcher durch einen Schrägschnitt S auf Gehrmaß in den ersten Diffusorabschnitt 31 und den zweiten Diffusorabschnitt 33 geteilt wird. Der Gehrungswinkel ist dabei mit B bezeichnet. Durch den Schrägschnitt S erhalten die beiden Diffusorabschnitte 31 und 33 schräge Schnittflächen in Form von Ellipsen, die gemäß Fig. 3 auch dann aufeinanderpassen, wenn der zweite Diffusorabschnitt 33 um einen Winkel von 180° um seine Achse gedreht wird. Zur Fertigstellung des Umlenkstückes 3 braucht dann nur noch gemäß Fig. 4 das Zwischenstück 32 mit dem Gitter 321 in die Gehrfuge zwischen die beiden Diffusorabschnitte 31 und 33 eingeschweißt zu werden.
Die Teillängen der beiden Diffusorabschnitte 31 und 32 können an die örtlichen Gegebenheiten angepaßt werden. Da auch Druckrückgewinnungsgrade, Strömungsablösungskriterien und Gesamtdruckverluste von Kreiskegeldiffusoren - abhängig von Länge und Erweiterungswinkel - bekannt sind, kann die durch das Umlenkstück 3 als Kreiskegeldiffusor ausgebildete Abgasstrecke berechnet und optimiert werden.

Claims

1. Abgaskanal für Gasturbinen mit

a) einem axialen Ausströmgehäuse (1),

b) einem sich an das Ausströmgehäuse (1) anschließenden Umlenkstück (3), bestehend aus den folgenden, in Abgasströmungsrichtung aufeinander folgenden Teilen :

b1) einem im wesentlichen horizontal ausgerichteten kegelstumpfförmigen Diffusorabschnitt (31

b2) einem Gitter (32, 321) zur Umlenkung des Abgasstromes (2) in die vertikale Richtung und

b3) einem vertikal ausgerichteten Kanalabschnitt, und mit

c) einem sich an das Umlenkstück (3) anschließenden vertikalen Abgaskamin (4),

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der vertikal ausgerichtete Kanalabschnitt des Umlenkstückes (3) als zweiter kegelstumpfförmiger Diffusorabschnitt (33) ausgeführt ist.

e) der erste Diffusorabschnitt (31) und der zweite Diffusorabschnitt (33) in den einander zugewandten Bereichen einen Schrägschnitt (S) auf Gehrmaß aufweisen und aus einem einzigen Kreiskegeldiffusor (K) gebildet sind und

f) daß sich an den zweiten Diffusorabschnitt (33) der vertikale Abgaskamin (4) mit einem Schalldämpferabschnitt (41) anschließt.

2. Abgaskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des ersten Diffusorabschnittes (31) gegenüber der Horizontalen eine geringe Steigung um den Winkel (-y) aufweist, so daß das Umlenkstück (3) bei sonst eine Bodenvertiefung erforderlichen Abmessungen über Flur (F) verlegbar ist.