DE69026800T2 - Diffusor - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor und insbesondere auf einen Diffusor zur Benutzung in einem Gasturbinentriebwerk.
• Diffusoren wandeln eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck in eine Strömung mit geringer Geschwindigkeit und hohem Druck um. Eine spezielle Anwendung von Diffusoren ist die Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk, wobei die Luft stromab eines Kompressors über einen Diffusor in eine Brennkammer eintritt. Der Diffusor besteht aus einem ringförmigen divergenten Kanal, der die verzögerung der vom Kompressor gelieferten Luft bewirkt und den statischen Druck der Luft durch Umwandlung der kinetischen Energie in Druckenergie anhebt. Dann tritt die Luft in die Brennkammer mit einer Geschwindigkeit ein, die eine Aufrechterhaltung der Verbrennung ermöglicht.
• Das Dokument DE-B-1 108 516, auf das sich der Oberbegriff des Anspruchs 1 bezieht, beschreibt eine Brennkammer zur Benutzung ohne Diffusor. Wenn keine Notwendigkeit besteht, einen Diffusor vorzusehen, dann kann die Gesamtlänge des Aufbaus als Ganzes verringert werden. Die Brennkammer ist mit einer Unterteilungswand versehen, die versetzt ist, um die erforderliche Hauptströmung der Verdünnungsluft nach der Brennkammer zu liefern.
• Bei Gasturbinentriebwerken, die in industriellen Anlagen benutzt werden, wo geringe Emissionen von Stickoxiden gewährleistet sein müssen, besteht die Brennkammer aus mehreren Kammern, die in einer ringförmigen Anordnung um die Triebwerksachse herum angeordnet sind und die infolge ihrer Länge gegenüber der Achse des Triebwerks nach außen geneigt sind. Luft vom Auslaß des Diffusors muß über sich selbst zurückströmen, um den Kopf einer jeden Brennkammer zu erreichen. Bei derartigen Anordnungen besteht ein Problem darin, daß der Diffusor sich so weit nach der Brennkammer erstreckt, daß der Hauptteil der Luft schwerwiegend gedrosselt wird und beträchtliche Druckverluste auftreten. Die Luftströmung nach der Brennkammer wird gedrosselt und wirkt mit der Strömung zusammen, die in den Diffusor eintritt. Dieses Zusammenwirken dieser beiden Strömungen verschlechtert die Arbeitsweise des Diffusors.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diffusor zu schaffen, der einen ordnungsgemäßen Strömungsbereich zwischen dem Diffusorausgang und den Brennkammern bewirkt. Die Diffusorströmung ist in dem vorteilhaftesten Verhältnis aufgeteilt, um die Strömungsverhältnisse zu maximieren und das Zusammenwirken der Strömung am stromabwärtigen Ende des Diffusors mit der Strömung durch den Diffusor so klein als möglich zu halten.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kanal wenigstens zwei Wände, die in Strömungsrichtung durch den Kanal divergent verlaufen, und es ist eine Aufteilvorrichtung gegebener Länge zwischen den wenigstens zwei Wänden derart vorgesehen, daß sie der einen der Wände näher liegt als der anderen, um mehrere ungleiche Strömungskanäle zu bilden, wobei erfindungsgemäß die der Aufteilvorrichtung näher liegende Wand eine Länge besitzt, die kleiner ist als die Länge der Aufteilvorrichtung.
• Vorzugsweise hat die der Aufteilvorrichtung ferner liegende Wand eine Länge, die gleich ist oder größer als die Länge der Aufteilvorrichtung.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine weitere Aufteilvorrichtung gegebener Länge zwischen den wenigstens zwei Wänden vorgesehen, um wenigstens einen weiteren Kanal für die Strömung zu bilden, wobei wenigstens eine weitere Aufteilvorrichtung eine größere Länge hat als die Wand oder die am nächsten hierzu liegende Aufteilvorrichtung.
• Vorzugsweise sind die beiden Wände und die Aufteilvorrichtung ringförmig ausgebildet, und die ringförmige Aufteilvorrichtung liegt zwischen den beiden Ringwänden, um zwei ungleiche ringförmige Strömungskanäle zu schaffen. Die beiden ringförmigen Strömungskanäle können Einlaßflächen mit dem Verhältnis 3:1 aufweisen.
• Der Kanal ist vorzugsweise für ein Gasturbinentriebwerk bestimmt.
• Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks, das mit einem Diffusor ausgerüstet ist, welcher nicht gemäß der Erfindung hergestellt wurde,
• Fig. 2 eine Schnittansicht einer Brennkammer und eines Diffusors, die ebenfalls nicht gemäß der Erfindung ausgebildet sind,
• Fig. 3 eine Schnittansicht einer Brennkammer und eines Diffusors, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
• Fig. 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Gasturbinentriebwerk, das in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 12, einen Axialströmungskompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Turbine 18 und eine Schubdüse 20 aufweist. Das Triebwerk arbeitet in herkömmlicher Weise, wobei Luft durch den Lufteinlaß 12 eingesaugt und im Kompressor 14 verdichtet wird. Die verdichtete Luft tritt dann durch einen Diffusor 15 hindurch, wo die Luftgeschwindigkeit verringert und der Druck erhöht wird, bevor eine Mischung mit Brennstoff erfolgt und bevor das Gemisch in die Verbrennungseinrichtung 16 eintritt, um dort verbrannt zu werden. Die Verbrennungsprodukte dehnen sich dann über die Turbine 18 aus und versetzen diese in Drehung, und die Turbine treibt den Kompressor 14 an, bevor die Brenngase über die Schubdüse 20 ausgestoßen werden.
• Die Verbrennungseinrichtung 16 besteht aus einer ringförmigen Anordnung von Brennkammern, die wegen ihrer Länge gegenüber der Achse des Triebwerks 10 geneigt sind. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer der Brennkammern 26 und einen Diffusor 24, die nicht gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Bei dieser Anordnung wird komprimierte Luft vom Kompressorauslaß 21 durch den Diffusor 24 nach der Brennkammer 26 geleitet. Der Diffusor besteht aus einer ringförmigen Innenwand 23 und einer ringförmigen Außenwand 25, die einen divergierenden Strömungskanal 22 definieren, durch den die komprimierte Luft in Richtung der Pfeile A abströmt. Wenn die Luft durch den divergenten Strömungskanal 22 hindurchtritt, nimmt ihre Geschwindigkeit oder ihre kinetische Energie ab, während die Druckenergie ansteigt. Die Diffusorluft gelangt dann vom Diffusor 24 nach dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 26 durch Eintrittsöffnungen 27 am Kopf 28 der Brennkammer 26. Da die Brennkammer 26 gegenüber der Achse des Triebwerks 10 geneigt ist, muß die im Diffusor 24 abströmende Luft über sich selbst zurückgeführt werden, und sie wird radial nach außen nach den Öffnungen 27 im Kopf 28 der Brennkammer 26 geleitet. Die Länge des Diffusors 24 ist jedoch derart, daß eine begrenzte Fläche gebildet ist, durch die die Luftströmung verlaufen kann, um den Kopf 28 der Brennkammer zu erreichen. Dieser Bereich der Luftströmung stromab des Diffusors 24 führt nach dem Brennkammerkopf 28 zurück und wird schwerwiegend gedrosselt, was zu beträchtlichen Druckverlusten führt.
• Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Erfindung wird ein Diffusor 32 geschaffen, der einen zweckmäßigen Strömungsverlauf zwischen dem Diffusor 32 und einer Brennkammer 34 bewirkt und das Zusammenwirken der Strömung am stromabwärtigen Ende des Diffusors mit den Strömungen vermindert, die durch den Diffusor hindurchtreten. Die komprimierte Luft verläuft in Richtung der Pfeile B vom Kompressorauslaß 30 durch den Diffusor 32 nach der Brennkammer 34. Der Diffusor 32 weist eine radial innere Ringwand 31 und eine radial äußere Ringwand 33 auf, zwischen denen eine ringförmige Aufteilwand 36 angeordnet ist. Die ringförmige Aufteilwand 36 verläuft koaxial zwischen der ringförmigen Innenwand 31 und der ringförmigen Außenwand 33, und zwar versetzt zueinander, so daß die Aufteilwand 36 der ringförmigen Außenwand 33 näher liegt. Die versetzte Lage der ringförmigen Aufteilwand 36 definiert zwei ungleiche ringförmige Strömungskanäle 38 und 40.
• Im Betrieb teilt die ringförmige Aufteilwand die Strömung vom Kompressorauslaß 30 in zwei Strömungskanäle 38 und 40 auf. Die strömung wird in einem Verhältnis von 3:1 aufgeteilt, wobei 75 % der strömung durch den ringförmigen Strömungskanal 38 verläuft, während der verbleibende Rest von 25 % durch den ringförmigen Strömungskanal 40 fließt.
• Die Einführung der Aufteilwand 36 in den Diffusor 32 ermöglicht es, die Länge der Außenwand 33 beträchtlich zu verringern, und die Innenwand 31 kann um 25 % verkürzt werden. Die Länge der Außenwand 33 des Diffusors 32 ist proportional zur Höhe des Einlasses nach dem Strömungskanal 40 benachbart zur Außenwand 33 bei einem gegebenen Flächenverhältnis. Das Flächenverhältnis ist die Fläche des Auslasses des Diffusors 32 geteilt durch die Fläche des Diffusoreinlasses.
• Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist die Außenwand 33 auf etwa ein Viertel der ursprünglichen Länge gemäß Fig. 2 verkürzt.
• Die Verkürzung der Länge der Außenringwand 33 des Diffusors 32 ergibt eine vergrößerte Strömungsfläche zwischen dem Ende der Außenwand 33 und der Brennkammer 34. Die Luftströmung stromab des Diffusors 32, die radial nach den Öffnungen 42 im Kopf 44 der Brennkammer 34 abströmt, wird daher nicht gedrosselt und erfährt daher nur einen minimalen Druckverlust.
• Für den Fachmann ist es klar, daß die optimale Lage der Aufteilwand experimentell zu bestimmen ist, um einen Diffusor der erforderlichen Länge für eine spezielle Anwendung zu ermitteln.

Claims (6)

1. Diffusor (32), bestehend aus wenigstens zwei Wänden (31, 33), die in Richtung der den Diffusor (32) durchfließenden Strömung divergieren, wobei eine Aufteilwand (36) gegebener Länge zwischen den wenigstens zwei Wänden so angeordnet ist, daß sie der einen Wand (33) näher liegt als der anderen Wand (31) oder den anderen Wänden, um mehrere ungleiche Strömungskanäle (38, 40) zu schaffen,

dadurch gekennzeichnet, daß die der Aufteilwand (36) am nächsten liegende Wand (33) eine Länge besitzt, die kleiner ist als die Länge der Aufteilwand (36).

2. Diffusor (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (31), die von der Aufteilwand (36) am weitesten entfernt liegt, eine Länge besitzt, die gleich oder größer ist als die Länge der Aufteilwand (36).

3. Diffusor (32) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Aufteilwand (36) gegebener Länge zwischen den wenigstens zwei Wänden (31, 33) angeordnet ist, um wenigstens einen weiteren Strömungsmittelkanal zu schaffen, wobei die wenigstens eine weitere Aufteilwand eine größere Länge besitzt als die Wand oder die Aufteilwand, die am dichtesten hierzu liegt.

4. Diffusor (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wände (31, 33) und die Aufteilwand (36) ringförmig ausgebildet sind, und daß die ringförmige Aufteilwand (36) zwischen den beiden Ringwänden (31, 33) verläuft, um zwei ungleiche ringförmige Strömungskanäle (38, 40) zu schaffen.

5. Diffusor (32) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Aufteilwand (36) zwei ringförmige Strömungskanäle (38, 40) bildet, deren Einlässe ein Verhältnis von 3:1 haben.

6. Diffusor (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Benutzung in einem Gasturbinentriebwerk.