THERMISCHE ENERGIEMASCHINE MIT ABSTRÖMLEITEINRICHTUNGEN IM DIFFUSOR

Die Erfindung betrifft eine thermische Energiemaschine, ins ^¬ besondere eine Gasturbine, mit einem Verdichter zum Verdich ^¬ ten eines entlang der Maschinenlängsmittelachse in axialer Strömungsrichtung strömenden Luftmassenstroms, mit einem diesem Verdichter axial nachgeschalteten Diffusor und mit zwei sich gegenüberliegenden, radial weiter außen angeordneten Silo-Brennkammern, in welche hinein der aus dem Diffusor austretende Luftmassenstrom mittels eines durch Gehäuseteile der thermischen Energiemaschine entsprechend ausgestalteten

Diffusoraustrittsbereichs abströmen kann, und bei welcher der Diffusoraustrittsbereich radial in zu den Silo-Brennkammern führenden Zuströmkanäle hinein mündet.

Gattungsgemäße thermische Energiemaschinen sind auch als Gas ^¬ turbinen aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, wobei ein in axialer Strömungsrichtung stromab hinter einem Verdichter bzw. einem Verdichteraustritt platzierter Diffusor insbesondere der Verzögerung und der Druckerhöhung eines Luftmassenstroms einerseits und einer möglichst homogenen Einströmung in ein durch ein Innengehäuse, ein Mittelgehäuse, einen Brennkammereintritt- bzw. einen Brennkammerzuführbe ^¬ reich und einen Diffusoraustritt gebildetes Plenum anderer ^¬ seits dient. Hierbei ist ein Diffusoraustrittsbereich bisher derart ausgestaltet, dass der von dem Diffusor kommende Luft ^¬ massenstrom radialsymmetrisch gleichmäßig abströmt und dieser Luftmassenstrom dann weiter in Zuströmkanäle von radial angeflanschten Brennkammereinrichtungen geleitet wird.

Dabei wird im Stand der Technik im Wesentlichen zwischen drei unterschiedlichen Brennkammervarianten unterschieden. Bei der ersten Variante ist die Brennkammer als torusartiger Verbren- nungsraum ausgestaltet. Sie werden häufig auch als Ringbrenn- kammern bezeichnet, so wie in der EP 1 508 680 AI beispiels ^¬ weise.

Bei der zweiten Variante, welche beispielsweise in der Offen- legungsschrift CH 703225 A2 gezeigt ist, umfassen die Gastur ^¬ binen meist sieben oder zwölf so genannte Rohrbrennkammern. Diese sind dabei alle auf einem gedachten Kreis liegend in gleichmäßigem Umfangsabstand um die Maschinenachse der Gas ^¬ turbine verteilt angeordnet. Deren einzelne Heißgasströme werden dann über Übergangsstücke zu einer Ringströmung am Turbineneintritt zusammengeführt. Die US 2014/0060001 AI zeigt zudem eine spezielle Variante von Rohrbrennkammern.

Als dritte Variante sind so genannte Silo-Brennkammern be- kannt, bei der lediglich zwei liegend oder stehend angeordne ^¬ te Silos seitlich der restlichen Gasturbine vorgesehen sind. In den Silos befindet sich der Verbrennungsraum, so dass deren beide Heißgasströme zu einer Ringströmung am Turbineneingang zusammenzuführen sind.

Insbesondere bei den vorgenannten Silo-Brennkammern ist es nachteilig, dass Teile des vom Verdichter bereitgestellten, den Brennkammerzuführbereichen der Silos zuzuführenden Luft- massenstrom nicht gleichgerichtet ist mit der Strömungsrich ^¬ tung in den Zuströmkanälen. Diese Richtungsdifferenz kann das gesamte Strömungsverhalten des Luftmassenstroms nachteilig beeinflussen, wodurch oftmals eine nur bedingt homogene Einströmung insbesondere in die Zuströmkanäle erreicht wird und die Turbine somit insgesamt uneffektiver arbeitet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße thermische Ener ^¬ giemaschinen weiterzuentwickeln, um zumindest die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.

Die Aufgabe wird von einer thermischen Energiemaschine, ins ^¬ besondere von einer Gasturbine, mit einem Verdichter zum Verdichten eines entlang der Maschinenlängsmittelachse in axia- ler Strömungsrichtung strömenden Luftmassenstroms, mit einem diesem Verdichter axial nachgeschalteten Diffusor und mit zwei sich gegenüberliegenden, radial weiter außen angeordneten Silo-Brennkammern gelöst, in welche hinein der aus dem Diffusor austretende Luftmassenstrom mittels eines durch Gehäuseteile der thermischen Energiemaschine entsprechend aus ^¬ gestalteten Diffusoraustrittsbereichs abströmen kann, und bei welcher der Diffusoraustrittsbereich radial in zu den Silo- Brennkammern führenden Zuströmkanäle hinein mündet, wobei im Diffusoraustrittsbereich zumindest eine Abströmeinrichtung angeordnet ist, durch welche Teile des aus dem Diffusor aus ^¬ tretenden Luftmassenstroms hin zu den Zuströmkanälen der Silo-Brennkammern gezielt umlenkbar sind. Diese Anordnung bewirkt, dass der Diffusoraustrittsbereich derart ausgestaltet ist, dass der aus dem Diffusor austreten ^¬ de Luftmassenstrom unsymmetrisch - bezogen auf seinen ringförmigen Diffusoraustritt - in die Zuströmkanäle abströmt, um den Zuströmkanälen der Silo-Brennkammern homogener zugeleitet zu werden, können Strömungsverluste bezüglich des Luftmassenstroms erheblich reduziert werden, so dass auch die thermische Energiemaschine insgesamt effektiver betrieben werden kann . Es kann also gesagt werden, dass vorliegend verfolgt wird, dass der aus dem Diffusor austretende Luftmassenstrom gezielt radialunsymmetrisch abströmt, um den seitlich sowie einander gegenüberliegenden Zuströmkanälen der Silo-Brennkammern homogener zugeleitet werden zu können.

Hierbei wird die Abströmung des Diffusors durch entsprechende konstruktive Maßnahmen stromab des Diffusors derart verän ^¬ dert, dass der Luftmassenstrom bzw. die diesbezügliche ver ^¬ dichtete Verbrennungsluft eine Vorzugsrichtung in Richtung der Zuströmkanäle der Silo-Brennkammern erhält. Dies betrifft insbesondere diejenigen Teile des Luftmassenstroms, deren Hauptströmungsrichtung von der durch die Zuströmkanäle vorgegebenen Hauptströmungsrichtung verschieden ist. Bisher strömt der von dem Diffusor kommende Luftmassenstrom radialsymmetrisch ab, dass heißt er strömt in Umfangsrichtung des Diffusors gleichmäßig und konzentrisch um die Maschinen- längsmittelachse herum gleichmäßig verteilt aus dem Diffusor heraus, bis Teile des Luftmassenstroms entweder ungehindert in die Zuströmkanäle bzw. in die Öffnungen der Zuströmkanäle strömen oder gegen das Innengehäuse prallen und von dort dann irgendwie weiter in die Zuströmkanäle gelangen.

Es versteht sich, dass diese vorgenommenen konstruktiven Maßnahmen unterschiedlich sein können, um den von dem Diffusor kommenden Luftmassenstrom im Sinne der Erfindung zielgerichteter den Zuströmkanälen zuzuführen.

So können beispielsweise ein einzelnes oder mehrere von Bau ^¬ teilen, welche ein dem Diffusor nachgeschaltetes Plenum bzw. den Diffusoraustrittsbereich ausbilden, derart ausgestaltet sein, dass sie auch als Abströmleiteinrichtung fungieren und somit den aus dem Diffusor austretenden Luftmassenstrom lokal umlenken, um die betreffenden Teile der Luftströmung den Zuströmkanälen der Silo-Brennkammern homogener zuzuleiten. Daraus resultiert eine - in Bezug auf Maschinenlängsmittel- achse und allen Umfangspositionen des Diffusoraustritts - ei- ne unsymmetrische, genauer gesagt eine radialunsymmetrische Abströmung der Luft.

Derartige Bauteile, welche das Plenum bzw. den Diffusoraus- trittsbereich begrenzen können, umfassen beispielsweise ein Innengehäuse, ein Mittelgehäuse, einen Diffusoraustritt , ei ^¬ nen Silo-Brennkammereintritt bzw. einen Silo-Brennkammerzu ^¬ führbereich oder dergleichen von der thermischen Energiemaschine. Mit anderen Worten: das Innengehäuse, das Mittelge ^¬ häuse, der Diffusoraustritt , der Silo-Brennkammereintritt bzw. der Silo-Brennkammerzufuhrbereich können gleichzeitig als Abströmleiteinrichtung ausgebildet sein, so lange deren Konturen zielgerichtet als zur lokalen Strömungsumlenkung besagter Luftströmung ausgestaltet sind. Die Begrifflichkeit „stromab" des Diffusors beschreibt hier ^¬ bei einen Bereich, welcher in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Diffusor liegt.

Der Begriff „thermische Energiemaschine" betrifft im Sinne der Erfindung im Wesentlichen eine Turbine und insbesondere auch eine Gasturbine. Insofern werden die Begriffe „thermi ^¬ sche Energiemaschine" und „Turbine" vorliegend synonym ver- wendet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Diffusor als Ringdiffusor ausgestaltet, wobei die beiden

Zuströmkanäle sich entsprechend der Anordnung der Silo- Brennkammern gegenüberliegen und zwei

Abströmleiteinrichtungen vorgesehen sind, die einander gegenüberliegend zwischen den Zuströmkanälen gehäuseteilwandnah angeordnet sind. Hiermit lässt sich insbesondere denjenigen Teil der Luftströ ^¬ mung effizient zu den Zuströmkanälen umlenken, dessen

Ausströmrichtung bei Verlassen des Diffusoraustritts von einer Hauptströmungsrichtung der Zuströmkanäle beträchtlich abweicht .

Kumulativ oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn stromab des Diffusors innerhalb des Gehäuseteils wenigstens eine Ab ^¬ strömeinrichtung angeordnet ist, welche derart ausgestaltet ist, dass der aus dem Diffusor austretende Luftmassenstrom radialunsymmetrisch abströmt, um den Zuströmkanälen Silo- Brennkammern homogener zugeleitet zu werden. Durch eine derartige Abströmeinrichtung kann eine thermische Energiemaschine im Sinne der Erfindung entsprechend modifiziert werden, ohne dass hierbei Gehäuseteile oder dergleichen der thermi- sehen Energiemaschine signifikant geändert werden müssen. So können diese Abströmeinrichtungen gegebenenfalls auch nachgerüstet werden. Teile des Luftmassenstroms können bereits eine vorteilhafte Strömungsrichtungsänderung erfahren, wenn der aus dem Diffu- sor austretende Luftmassenstrom unsymmetrisch abströmt, bevor er radial an eine Gehäuseteilwandung prallt. Bevorzugt pral- len Teile des Luftmassenstroms mit einem spitzeren Winkel als bisher beispielsweise auf ein Innengehäuse, so dass der Luft ^¬ massenstrom insgesamt im Diffusoraustrittsbereich weniger stark verwirbelt und den Zuströmkanälen effektiver zugeführt werden kann.

Ist der Diffusoraustrittsbereich oder wenigstens eine stromab des Diffusors innerhalb des Gehäuseteils angeordnete Abström ^¬ einrichtung in Umfangsrichtung des Diffusors unsymmetrisch ausgestaltet, kann der Luftmassenstrom in seiner Gesamtheit effektiver in die Zuströmkanäle geführt werden.

Der von dem Diffusor kommende Luftmassenstrom kann besonders gut zu den Zuströmkanälen geführt werden, wenn der Diffusor- austrittsbereich oder wenigstens eine stromab des Diffusors innerhalb des Gehäuseteils angeordnete Abströmeinrichtung be ^¬ zogen auf eine durch die Maschinenlängsmittelachse formu ^¬ lierte Mittelebene zwei sich von der Mittelebene radial nach außen erstreckende Abströmflächen aufweist, welche auf oder an der Mittelebene den geringsten Abstand zu der Maschinen- längsmittelachse aufweisen.

Vorliegend verläuft diese Mittelebene bevorzugt senkrecht zu einer durch die Längserstreckung der Silo-Brennkammereinrichtungen definierten Längsachse dieser Silo-Brennkammereinrich- tungen.

Insbesondere die von dem Diffusor kommenden Teile des Luft ^¬ massenstroms, welche nicht direkt in Richtung von Öffnungen der Zuströmkanäle strömen, können eine im Sinne der Erfindung vorteilhafte Strömungsrichtungsänderung erfahren, wenn die zwei Abströmflächen zumindest teilweise um die Maschinenlängsmittelachse herum gekrümmt sind. Insofern besitzen die zwei Abströmflächen bezogen auf die Ma- schinenlängsmittelachse jeweils einen geeignet gewählten Ra ^¬ dius, welcher eine entsprechende Krümmung der jeweiligen Abströmfläche bedingt.

In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn die zwei Abströmflächen konkav ausgebildet der Maschinenlängsmittel- achse zugewandt sind, wodurch Teile des Luftmassenstroms ge ^¬ zielter nach weiter radial außen in Richtung der Öffnungen bzw. Mündungen der Zuströmkanäle umgelenkt werden können.

Zweckmäßig ist es auch, wenn sich die zwei Abströmflächen ausgehend von der Mittelebene mit einer veränderlichen Krümmung radial nach weiter außen erstrecken. Hierdurch kann eine besonders zielgerichtete Strömungsumlenkung für die betroffe ^¬ nen Teile des Luftmassenstroms erzielt werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zwei Abströmflächen in einem Bereich an Ihrer der Mittelebene zugewandten Seite stärker gekrümmt ausgebildet sind als in einem Bereich an ih ^¬ rer der Mittelebene abgewandten Seite. Hierdurch können die umgelenkten Teile noch besser bis in die Zuströmkanäle hinein entlang der Abströmflächen geleitet werden. Der von dem Diffusor kommende Luftmassenstrom kann hierbei besonders gleichmäßig auf die zwei sich gegenüberliegenden, radial weiter außen angeordneten Silo-Brennkammern verteilt werden, wenn die zwei Abströmflächen bezogen auf die Maschi- nenlängsmittelachse den gleichen Radiusverlauf aufweisen.

Vorzugsweise bleibt die durch den Diffusor erzielbare stati ^¬ sche Druckerhöhung trotz des vorliegend modifizierten Diffu- soraustrittsbereichs unbeeinträchtigt .

Vorteilhafterweise kann an der erfindungsgemäßen thermischen Energiemaschine durch den bereits vorgerichteten Luftmassenstrom eine wesentlich homogenere Zuströmung zu den Silo- Brennkammern erzielt werden. Auch Schieflasten bei der Verbrennung in den Silo-Brennkammern können vorteilhaft reduziert werden, wenn die den Silo-Brennkammern zugewiesenen Teile des Luftmassenstroms jeweils bereits entsprechend mit einer gewissen vorgerichteten Strömung in die Zuströmkanäle strömen .

Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Be- Schreibung erläutert, in welchen als thermische Energie ^¬ maschine beispielhaft eine Turbine mit einem derart ausge ^¬ stalteten Diffusoraustrittsbereich, dass der aus dem Diffusor austretende Luftmassenstrom unsymmetrisch abströmt, dargestellt und beschrieben ist.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 schematisch einen Querschnitt durch einen Diffusor- austrittsbereich einer Gasturbine; und

Figur 2 schematisch eine stark vereinfachte Längsschnitt ^¬ ansicht des Diffusoraustrittsbereichs aus der Figur 1. Die in den Figuren 1 und 2 zumindest teilweise gezeigte Tur ^¬ bine 1 ist eine Gasturbine 2.

Die Turbine 1 umfasst hierbei unter anderem einen Verdichter 3 (siehe Figur 2) zum Verdichten eines in axialer Strömungs- richtung 4 strömenden Luftmassenstroms 5 (nur exemplarisch beziffert) .

Der Verdichter 3 ist hierbei konzentrisch um die Turbinen- längsmittelachse 6, welche sogleich die Maschineachse formu- liert, hierum angeordnet.

Stromab des Verdichters 3, also in Strömungsrichtung 4 ge ^¬ sehen hinter dem Verdichter 3, ist axial nachgeschaltet ein Diffusor 7 angeordnet, wobei der Diffusor 7 einen konzentrisch um die Turbinenlängsmittelachse 6 herum ausgebildeten Diffusoraustritt 8 aufweist, aus welchem der Luftmassenstrom 5 entsprechend entschleunigt in einen Diffusoraustrittsbe- reich 9 gelangt.

Dieser Diffusoraustrittsbereich 9 ist insbesondere durch ein Innengehäuse 10 der Turbine 1 begrenzt und mündet letztend ^¬ lich in zwei seitlich an das Innengehäuse 10 angeflanschte Zuströmkanäle 15 und 16, welche wiederum zu zwei sich gegen ^¬ überliegenden, radial weiter außen angeordneten Silo-Brennkammern (nicht gezeigt) von zwei Silo-Brennkammereinrichtungen (ebenfalls nicht gezeigt) der Turbine 1 führen. In diese zwei Silo-Brennkammereinrichtungen wird der von dem Diffusor 7 kommende Luftmassenstrom 5 geleitet, wobei der Diffusoraustrittsbereich 9 erfindungsgemäß derart ausgestal ^¬ tet ist, dass der aus dem Diffusor 7 austretende Luftmassenstrom 5 gezielt unsymmetrisch abströmt, um den Zuströmkanälen 15 und 16 der Silo-Brennkammern homogener zugeleitet zu werden .

Ein solches unsymmetrisches Abströmen des Luftmassenstroms 5 nach dem Diffusor 7 bzw. aus dem Diffusoraustritt 8 heraus gelingt in diesem Ausführungsbeispiel besonders gut durch ei ^¬ ne entsprechend ausgestaltete Abströmeinrichtung 17.

Speziell wird vorliegend der aus dem Diffusor 7 austretende Luftmassenstrom 5 unsymmetrisch abströmt, bevor der Luftmas- senstrom 5 radial stumpf an eine Gehäuseteilwandung 18 prallt .

Hierbei ist der Diffusoraustrittsbereich 9 bzw. die stromab des Diffusors 7 angeordnete Abströmeinrichtung 17 in Umfangs- richtung 19 des Diffusors 7 unsymmetrisch ausgestaltet und gehäuseteilwandnah angeordnet. Die Abströmeinrichtung 17 weist - bezogen auf eine durch die Turbinenlängsmittelachse 6 formulierte Mittelebene 20 - zwei sich von dieser Mittelebene 20 in radialer Richtung 21 radial nach außen erstreckende Abströmflächen 22 und 23 auf, welche im Bereich bzw. in der Mittelebene 20 den geringsten Abstand 24 zu der Turbinenlängsmittelachse 6 aufweisen.

Die Abstandsflächen 22 und 23 sind konkav und im Wesentlichen um die Turbinenlängsmittelachse 6 herum gekrümmt ausgestal- tet.

Diese Abströmflächen 22 und 23 gestalten den Diffusoraus- trittsbereich 9 zumindest teilweise derart aus, dass zumin ^¬ dest Teile 25 (nur beispielhaft eingezeichnet und beziffert) des Luftmassenstroms 5 vorteilhafter umgelenkt und hierbei vorteilhafter in die Mündungen 26 bzw. 27 der Zuströmkanäle 15 und 16 geführt werden, wodurch der aus dem Diffusor 7 austretende Luftmassenstrom 5 insgesamt homogener den Zuströmkanälen 15 und 16 zugeleitet werden kann.

Konkret bedeutet dies, dass die Abströmung des Diffusors 7 durch entsprechende konstruktive Maßnahmen, nämlich durch die Abströmeinrichtung 17, stromab des Diffusors 7 derart verändert ist, dass der Luftmassenstrom 5 mit Vorzugsrichtungen 28 bzw. 29 auf die Zuströmkanäle 15 bzw. 16 der Silo-Brennkam ^¬ mern zu umgelenkt wird. Dies betrifft insbesondere diejenigen Teile 25 des Luftmassenstroms 5, deren Hauptströmungsrichtung 30 von der durch die Zuströmkanäle 15 bzw. 16 vorgegebenen Kanalhauptströmungsrichtung 31 bzw. 32 verschieden ist.

Besonders gut gelingt dies, da die zwei Abströmflächen 22 bzw. 23 ausgehend von der Mittelebene 20 mit einer veränder ^¬ lichen Krümmung in radialer Richtung 21 radial nach weiter außen erstrecken.

Insbesondere sind die zwei Abströmflächen 22 und 23 in einem Bereich 33 an Ihrer der Mittelebene 20 zugewandten Seite 34 stärker gekrümmt ausgebildet als in einem weiteren Bereich 35 an Ihrer der Mittelebene 20 abgewandten Seite 36.

Die Abströmeinrichtung 17 ist hierbei derart platziert, dass eine Hinterströmung 37 der Abströmeinrichtung 17 durch einen anderen Teil des Luftmassenstroms 5 ermöglicht ist, wodurch eine Kühlung von hier nicht gezeigten Bauteilen etwa des Innengehäuses 10 gewährleistet ist. Insofern ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abströmein ^¬ richtung 17 beabstandet insbesondere von der Gehäuseteilwand 18 innerhalb des Diffusoraustrittsbereichs 8 angeordnet ist.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass die Mittelebene 20 senkrecht zu einer durch die Längserstreckung der Silo-Brennkammereinrichtungen definierten Längsachse 38 dieser Silo- Brennkammereinrichtungen verläuft .

In diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich eine einzige Ab- Strömeinrichtung 17 dargestellt, welche mittig zwischen den beiden Zuströmkanälen 15 und 16 in einem ersten mittigen Zwischenbereich 40 gehäuseteilwandnah platziert ist.

Es versteht sich, dass eine weitere derartige Abströmeinrich- tung 17 auch in einem weiteren mittigen Zwischenbereich 41 angeordnet sein kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbei ^¬ spiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fach ^¬ mann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.