Диффузор для стационарной газотурбинной установки

Диффузор (20), в частности, для осевого компрессора, предпочтительно стационарной газотурбинной установки. В диффузоре (20) кольцевой канал (17), имеющий первую площадь поперечного сечения, переходит в выходное пространство (21), имеющее вторую, большую площадь поперечного сечения вдоль оси (31) машины. Переход осуществлен в несколько ступеней (22а-с). Диффузор (20a) содержит внешний корпус (23) и внутренний корпус (24), между которыми через диффузор (20a) перемещается рабочая среда. Ступени (22a-c) в площади поперечного сечения образованы ступенями диаметра внутреннего корпуса (24) Достигается улучшенная эффективность диффузора и повышение общего КПД газотурбинной установки. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области стационарных газотурбинных установок. Изобретение касается диффузора, заявленного в ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны диффузоры, которые размещены на выходе стационарных газотурбинных установок и служат для уменьшения скорости потока газов, выходящих из газотурбинной установки, и повышения давления в ней, а значит, и повышения ее КПД (документ EP 0491966 А1 или документ US 2011/058939 А1, а также прилагаемая к настоящему документу фиг. 1).

В прошлом вносилось немало предложений по оптимизации действия диффузора, расположенного на выходе газотурбинной установки, а значит, повышению общего кпд машины. Так, в документе EP 0265633 В1 предлагается среди прочего разделить диффузор на несколько частей в радиальном направлении с помощью направляющих перегородок.

В соответствии с уже упомянутым US 2011/058939 A1 для улучшения характеристик потока в диффузоре во внутреннюю сужающуюся часть диффузора подается регулируемый поток Коанда, с помощью которого на поток в диффузоре можно воздействовать положительным образом. Внутренняя часть диффузора - ядро - сужается в направлении потока без образования ступени. Газ подается из внешнего источника в кольцевую камеру внутри ядра, а оттуда нагнетается с помощью серии щелевых сопел в направлении перемещения горячих выхлопных газов параллельно поверхности ядра. В результате известного эффекта Коанда поток указанного дополнительного газа засасывает горячий выхлопной газ, отклоняя его в направлении ядра. Поток выхлопного газа ускоряется, перемещаясь по контуру поверхности ядра, которое сужается в направлении потока. Чтобы воздействовать оптимальным образом на поток выхлопного газа в диффузоре, необходимо подавать дополнительный газ, масса которого составляет до 4% массы выхлопного газа, что влечет существенные издержки.

В EP 0265633 В1, напротив, предложена площадь поперечного сечения на выходе диффузора с резкой ступенью, который обозначен как диффузор Карно.

Хотя указанные меры позволяют несколько улучшить КПД, возможности оказания воздействий на область диффузора далеко не исчерпаны.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения - предусмотреть диффузор, в частности, для промышленной газотурбинной установки, который позволит легко увеличить общий КПД газотурбинной установки.

Эти и другие задачи решаются с помощью совокупности признаков по п. 1 формулы изобретения.

Изобретение относится к диффузору для стационарной газотурбинной установки, в котором кольцевой канал, имеющий первую площадь поперечного сечения, переходит в выходное пространство, имеющее вторую, большую площадь поперечного сечения вдоль оси машины. Диффузор характеризуется тем, что указанный переход осуществляется в несколько ступеней.

Первое новшество изобретения заключается в том, что площадь поперечного сечения внутри диффузора возрастает в две ступени. Указанный диффузор устроен особенно просто.

Второе новшество изобретения заключается в том, что диффузор реализован в виде диффузора Карно.

Третье новшество изобретения заключается в том, что диффузор включает в себя внешний корпус и внутренний корпус, между которыми через диффузор перемещается рабочая среда, и тем, что ступени в площади поперечного сечения образованы ступенями диаметра внутреннего корпуса.

Четвертое новшество изобретения заключается в том, что между двумя соседними ступенями расположена кольцевая выпуклая направляющая поверхность, которая сходит на конус по своему диаметру, и что на верхней по потоку ступени из двух ступеней предусмотрено круговое отверстие, через которое газовый поток может вытекать и перемещаться вдоль направляющей поверхности в виде потока Коанда. В результате на поток в диффузоре можно воздействовать положительным образом.

Предпочтительно, чтобы направляющая поверхность была расположена между предпоследней и последней ступенями диффузора.

Пятое новшество изобретения заключается в том, что диффузор расположен на выходе промышленной газотурбинной установки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет описано ниже на примерах его осуществления, проиллюстрированных чертежами, на которых:

фиг. 1 - схематичный вид газотурбинной установки с выхлопным диффузором, которые, по существу, известны;

фиг. 2 - внутренний вид обычного диффузора Карно;

фиг. 3 - внутренний вид многоступенчатого диффузора, соответствующего одному примеру осуществления изобретения, в противоположность диффузору по фиг. 2;

фиг. 4 - общий вид двухступенчатого диффузора, соответствующего другому примеру осуществления изобретения; и

фиг. 5 - внутренний вид двухступенчатого диффузора с регулировкой с помощью потока Коанда, в соответствии с еще одним примером осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 иллюстрирует схематичный вид газотурбинной установки с выхлопным диффузором, соответствующим известному уровню техники. Газотурбинная установка 10, изображенная на фиг. 1, включает в себя компрессор 12, который засасывает воздух через вход 11 для воздуха и сжимает его. Сжатый воздух подается в камеру 13 сгорания, где участвует в горении топлива 14. Полученный горячий газ расширяется в турбине 15, расположенной ниже по потоку, при рабочих условиях и затем проходит через диффузор 16, что позволяет снизить скорость его потока и увеличить давление.

На фиг. 2 в крайне упрощенном виде показана внутренняя структура обычного диффузора Карно. Данный диффузор 16 выполнен концентрически по отношению к оси 31 машины, причем на стороне своего входа диффузор 16 включает в себя кольцевой канал 17, в который выхлопной газ 19 поступает из турбины. К кольцевому каналу 17 примыкает выходное пространство 21, поперечное сечение которого значительно превышает поперечное сечение кольцевого канала 17, что облегчает прохождение потока через пространство 21. В данном примере переход между кольцевым каналом 17 и выходным пространством 21 осуществлен через крутую ступень 22, которая и характеризует диффузор 16 в качестве диффузора Карно. В кольцевом канале 17 могут быть расположены радиальные распорки 18, которые связывают между собой внутреннюю часть и внешнюю часть диффузора 16 и в то же время служат для перемешивания потока.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, иллюстрируемым фиг. 3, предлагается выполнить переход между кольцевым каналом 17 и выходным пространством 21 в виде серии ступеней, как в диффузоре 20. В иллюстрируемом примере для этой цели предусмотрено две ступени - 22а и 22b. При необходимости можно предусмотреть еще одну ступень - 22 с (изображена на фиг. 3 пунктиром). Количество ступеней при этом не ограничено сверху. В примере осуществления, иллюстрируемом фиг. 3, ступени диаметра, которые относятся к ступеням 22а-с, ограничены внутренней частью диффузора 20. Точно также ступени диаметра можно предусмотреть и на внешней части диффузора.

Такой многоступенчатый внутренний контур обеспечивает прирост давления, который может соответствовать 0,1% КПД турбины, что в случае газотурбинной установки модели Alstom GT26 означает увеличение мощности почти на полмегаватта.

На практике соответствующий диффузор выглядит, к примеру, как показано на фиг. 4. Диффузор 20а по фиг. 4 включает в себя кольцевой внешний корпус 23, который окружает внутренний корпус 24 концентрическим образом и вместе с внутренним корпусом 24 ограничивает канал потока. Внутренний корпус 24 и внешний корпус 23 связаны между собой через радиальные распорки 25. В выходной области диффузора 20а расположены друг за другом в продольном направлении два кольца 26 и 27, которые смещены между собой по диаметру и за счет которых обеспечивается многоступенчатое расширение диффузора 20а.

Кроме многоступенчатого расширения потока, пронизывающего поперечное сечение, на характеристики потока в диффузоре можно воздействовать с помощью потока Коанда, как предложено, в принципе, в документе US 2011/058939 А1, упомянутом во вводной части. С этой целью между двумя ступенями 22а и 22b размещена кольцевая выпуклая направляющая поверхность 28, которая сходит на конус по своему диаметру, как в случае с диффузором 20b по фиг. 5. На верхней по потоку ступени из двух ступеней 22а и 22b предусмотрено круговое отверстие 29, через которое газовый поток может вытекать и перемещаться вдоль направляющей поверхности 28 в виде потока 30 Коанда. При этом газ для потока 30 Коанда может подаваться различными способами. Однако в соответствии с изобретением и в противоположность тому, что говорится в вышеупомянутом документе необходимо исключить внешний опорный источник для активного нагнетания дополнительного газа. При условии правильного размещения компонентов параметры давления, преобладающие в области неравномерного поперечного расширения диффузора, должны использоваться так, чтобы в рабочем режиме поток 30 вблизи стенки автоматически нарастал вдоль изогнутой направляющей поверхности 28, отклоняя при этом параллельный поток 19 выхлопного газа. Статический напор P₂ за кольцевым элементом 27 превышает входной напор P₁ на круговом отверстии за счет замедления потока вследствие его поперечного расширения. Таким образом, возникает поток 32, который перемещается из области повышенного давления в область пониженного давления. Если диффузор содержит более двух ступеней, то поток Коанда предпочтительно подавать между предпоследней и последней ступенями.

1. Диффузор (20, 20a, 20b) для стационарной газотурбинной установки, в котором кольцевой канал (17), имеющий первую площадь поперечного сечения, переходит в выходное пространство (21), имеющее вторую, большую площадь поперечного сечения вдоль оси (31) машины, отличающийся тем, что указанный переход осуществляется в несколько ступеней (22a-c), при этом диффузор (20a) содержит внешний корпус (23) и внутренний корпус (24), между которыми через диффузор (20a) перемещается рабочая среда, причем ступени (22a-c) в площади поперечного сечения образованы ступенями диаметра внутреннего корпуса (24).

2. Диффузор по п. 1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения внутри диффузора (20, 20a, 20b) возрастает в две ступени (22a, 22b).

3. Диффузор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что диффузор (20, 20a, 20b) реализован в виде диффузора Карно.

4. Диффузор по п. 1, отличающийся тем, что между двумя соседними ступенями (22a, 22b) расположена кольцевая выпуклая направляющая поверхность (28), которая сходит на конус по своему диаметру, при этом на верхней по потоку ступени из двух ступеней (22a, 22b) предусмотрено круговое отверстие (29), через которое газовый поток может вытекать и перемещаться вдоль направляющей поверхности (28) в виде потока (30) Коанда.

5. Диффузор по п. 4, отличающийся тем, что направляющая поверхность (28) расположена между предпоследней и последней ступенями диффузора (20b).

6. Диффузор по п. 1, отличающийся тем, что диффузор (20, 20a, 20b) расположен на выходе стационарной газотурбинной установки (10).