DE102010025587A1 - Gas turbine i.e. propeller gas turbine, has hollow sections with profile axles bent against series axles around profile angle, and exhausting passage bent against gas turbine around passage angle along longitudinal axis - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere eine Propeller-Gasturbine, mit einem Profilwärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a gas turbine, in particular a propeller gas turbine, with a profile heat exchanger according to the preamble of
Aus der
Aus der
Beide Lösungen sind hinsichtlich der Abgasströmung um die Hohlprofile noch verbesserungswürdig.Both solutions are in the exhaust gas flow around the hollow sections still in need of improvement.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Gasturbine mit einem Profilwärmetauscher zur Verfügung zu stellen.Object of the present invention is therefore to provide an improved gas turbine with a profile heat exchanger available.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.To solve this problem, a gas turbine according to the preamble of
Die Erfinder haben erkannt, dass durch eine Neigung der Hohlprofile gegen die Strömungsrichtung eines sie umströmenden Fluids wie beispielsweise des Abgases der Gasturbine dessen Umlenkung verringert und so Strömungsverluste reduziert werden können. Eine solche Neigung von in Hohlprofilreihen angeordneten Hohlprofilen ist grundsätzlich in verschiedener Weise möglich:
- • durch Neigung der Profilachsen der einzelnen Profile, etwa der großen Halbachsen elliptischer Hohlprofile;
- • durch Neigung der Reihenachse kompletter Hohlprofilreihen; und
- • durch Neigung der Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, insbesondere eines Zentral- bzw. Sammelrohres, mit dem die Hohlprofile verbunden sind.
- • By inclination of the profile axes of the individual profiles, such as the large half-axes of elliptical hollow sections;
- • by inclination of the row axis complete hollow profile rows; and
- • By inclination of the longitudinal axis of the supply and discharge passage, in particular a central or manifold, with which the hollow sections are connected.
Erfindungsgemäß wird nun im Wesentlichen vorgeschlagen, zwei oder drei der oben genannten Ansätze zu kombinieren. Dies gestattet die gleichzeitige Optimierung verschiedener Kriterien, insbesondere eine geringe Strömungsumlenkung durch den Wärmetauscher bei gleichzeitig reduzierten Strömungsverlusten unter Berücksichtigung konstruktiver Randbedingungen, etwa des für den Wärmetauscher zur Verfügung stehenden Bauraums.According to the invention, it is now essentially proposed to combine two or three of the abovementioned approaches. This allows the simultaneous optimization of various criteria, in particular a small flow deflection through the heat exchanger at the same time reduced flow losses, taking into account constructive boundary conditions, such as the space available for the heat exchanger space.
Hierzu weist eine Gasturbine mit einem Profilwärmetauscher eine oder mehrere Zuführpassage zur Zufuhr von einem ersten Fluid, insbesondere Druckluft, und eine oder mehrere Abführpassage zur Abfuhr von ersten Fluid auf. Zu- und Abführpassage können beispielsweise durch ein gemeinsames, entsprechend geteiltes Rohr oder auch durch separate Rohre definiert sein, deren Längsachsen dann vorzugsweise im Wesentlichen parallel orientiert sind.For this purpose, a gas turbine with a profile heat exchanger on one or more feed passage for supplying a first fluid, in particular compressed air, and one or more discharge passage for the removal of the first fluid. Supply and discharge passage can be defined for example by a common, correspondingly divided pipe or by separate tubes, the longitudinal axes are then preferably oriented substantially parallel.
Eine Zu- und eine Abführpassage kommunizieren über eine Mehrzahl von Hohlprofilen, deren Querschnitt eine ausgezeichnete Profilachse aufweist, beispielsweise ein große Hauptachse eines lanzettenförmigen oder elliptischen Profils. Die Hohlprofile sind in Strömungsrichtung eines sie außen umströmenden zweiten Fluids, insbesondere Abgas, in Hohlprofilreihen hintereinander angeordnet, wobei bevorzugt mehrere Hohlprofilreihen in axialer Richtung der Zu- bzw. Abführpassage hintereinander angeordnet sind. Die Hohlprofile können sich insbesondere im Wesentlichen U-förmig zwischen der Zu- und der Abführpassage erstrecken.An inlet and a discharge passage communicate via a plurality of hollow profiles, whose cross-section has an excellent profile axis, for example a large main axis of a lancet-shaped or elliptical profile. The hollow profiles are arranged in the flow direction of a second fluid flowing around them outside, in particular exhaust gas, in hollow profile rows one behind the other, wherein preferably a plurality of hollow profile rows in the axial direction of the supply and discharge passage are arranged one behind the other. The hollow profiles may in particular extend substantially U-shaped between the supply and the discharge passage.
Erfindungsgemäß sind nun zum einen eine oder mehrere, vorzugsweise alle Reihenachsen, um unterschiedliche oder denselben Reihenwinkel gegen eine Normale zu einer Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, insbesondere eines entsprechenden Rohres, geneigt, i. e. schließen mit dieser Längsachse einen nicht-rechten Winkel ein bzw. sind nicht parallel zu der Normalen, sondern schließen mit dieser einen Winkel ein, der in einer bevorzugten Ausführung in einem Bereich zwischen 15° und 45° liegt.According to the invention, one or more, preferably all row axes, are inclined on one or more different or the same row angles against a normal to a longitudinal axis of the supply and discharge passage, in particular of a corresponding pipe. e. enclose with this longitudinal axis a non-right angle or are not parallel to the normal, but enclose with this an angle which is in a preferred embodiment in a range between 15 ° and 45 °.
Zum anderen sind zusätzlich die Profilachsen eines oder mehrerer, vorzugsweise aller Hohlprofile um unterschiedliche oder denselben Profilwinkel, der in einer bevorzugten Ausführung in einem Bereich zwischen 2° und 10° liegt, vorzugsweise gleichsinnig, i. e. in dieselbe Richtung wie die Neigung der Hohlprofilreihe gegen die Normale zur Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, gegen die Reihenachse des jeweiligen Hohlprofils geneigt. Zusätzlich oder alternativ sind die Längsachsen einer oder mehrerer, vorzugsweise aller Zu- und/oder Abführpassagen um unterschiedliche oder denselben Passagenwinkel, der in einer bevorzugten Ausführung in einem Bereich zwischen 5° und 20° liegt, vorzugsweise gleichsinnig, i. e. in dieselbe Richtung wie die Neigung der Hohlprofilreihe gegen die Normale zur Längsachse der Zu- bzw. Abführpassage, gegen eine Längsachse der Gasturbine geneigt.On the other hand, in addition, the profile axes of one or more, preferably all hollow profiles to different or the same profile angle, which is in a preferred embodiment in a range between 2 ° and 10 °, preferably in the same direction, ie inclined in the same direction as the inclination of the hollow profile row against the normal to the longitudinal axis of the supply and discharge passage, against the row axis of the respective hollow profile. Additionally or alternatively, the longitudinal axes of one or more, preferably all supply and / or Abführpassagen to different or the same passage angle, which is in a preferred embodiment in a range between 5 ° and 20 °, preferably in the same direction, ie in the same direction as the inclination the hollow profile row against the normal to the longitudinal axis of the supply and discharge passage, inclined against a longitudinal axis of the gas turbine.
Dabei sind die Winkel auf wenigstens einen meridionalen Schnitt, der die Längsachse der Gasturbine enthält, oder eine Abwicklung, insbesondere einer Zu- bzw. Abführpassage mit den entsprechenden Hohlprofilöffnungen, bezogen.In this case, the angles are based on at least one meridional section, which contains the longitudinal axis of the gas turbine, or a development, in particular an intake or discharge passage with the corresponding hollow profile openings.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist eine Gasturbine mit Profilwärmetauscher eine Strömungsumlenkung, beispielsweise ein entsprechendes Austrittsgehäuse stromabwärts eines Turbinen- bzw. Brennkammeraustritts, auf, durch die zweites Fluid aus einer axialen Richtung längs der Längsachse der Gasturbine um einen Turbinenaustrittswinkel teilweise in radiale Richtung um- und auf die Hohlprofile des Profilwärmetauschers gelenkt wird, um diese zu umströmen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Strömungsumlenkung, beispielsweise eine entsprechend ausgebildete Düse, stromabwärts des Profilwärmetauschers vorgesehen sein, durch die zweites Fluid nach Umströmen der Hohlprofile des Profilwärmetauschers um einen Düseneintrittswinkel in eine, insbesondere zur Längsachse der Gasturbine im Wesentlichen parallele, Richtung umgelenkt wird.According to a preferred embodiment, a gas turbine with a profile heat exchanger, a flow deflection, for example, a corresponding outlet housing downstream of a turbine or combustion chamber outlet on, by the second fluid from an axial direction along the longitudinal axis of the gas turbine to a turbine outlet angle partially in the radial direction and on the hollow sections of the profile heat exchanger is directed to flow around them. Additionally or alternatively, a flow deflection, for example, a correspondingly shaped nozzle, be provided downstream of the profile heat exchanger is deflected by the second fluid after flowing around the hollow profiles of the profile heat exchanger by a nozzle inlet angle in a, in particular to the longitudinal axis of the gas turbine substantially parallel direction.
Insbesondere hierdurch können mehrere Wärmetauscherpakete mit je wenigstens einer Zu- und Abführpassage und, vorzugsweise beidseits der Zu- und Abführpassage angeordneten, Hohlprofilen in Umfangsrichtung der Gasturbine nebeneinander angeordnet werden, was den axialen Platzbedarf vorteilhaft verkürzt. Zusätzlich oder alternativ können auch in axialer Richtung der Gasturbine mehrere Wärmetauscherpakete hintereinander angeordnet werden, um die durchströmte Ein- bzw. Austrittsfläche des Wärmetauschers zu vergrößern.In particular, as a result, a plurality of heat exchanger packets, each with at least one supply and discharge passage and, preferably arranged on both sides of the supply and discharge passage, hollow profiles in the circumferential direction of the gas turbine can be arranged side by side, which advantageously shortens the axial space requirement. Additionally or alternatively, a plurality of heat exchanger packets can also be arranged behind one another in the axial direction of the gas turbine, in order to increase the flowed-through inlet or outlet surface of the heat exchanger.
Reihen-, Profil- und/oder Passagenwinkel können so gewählt sein, dass ein Umlenkwinkel des zweiten Fluids durch den Profilwärmetauscher, beispielsweise infolge einer der vorgenannten Strömungsumlenkungen, kleiner ist als 75°, insbesondere kleiner als 60° und vorzugsweise kleiner als 45°.Series, profile and / or passage angles can be chosen so that a deflection angle of the second fluid through the profile heat exchanger, for example as a result of one of the aforementioned flow deflections, is less than 75 °, in particular less than 60 ° and preferably less than 45 °.
Insbesondere, um Strömungsverluste zu reduzieren und den Wärmeaustausch zwischen erstem und zweitem Fluid zu verbessern, werden Reihen-, Profil- und/oder Passagenwinkel gemäß einer bevorzugten Ausführung so gewählt, dass ein freier Strömungsquerschnitt zwischen benachbartern Hohlprofilen benachbarter Hohlprofilreihe im Wesentlichen die gleiche Größe aufweist. Zusätzlich oder alternativ können Querschnitte der Hohlprofile und/oder Abstände zwischen benachbarten Hohlprofilen entsprechend gewählt werden.In particular, in order to reduce flow losses and to improve the heat exchange between the first and second fluid, row, profile and / or passage angles are chosen according to a preferred embodiment so that a free flow cross-section between adjacent hollow profiles adjacent hollow profile row has substantially the same size. Additionally or alternatively, cross sections of the hollow profiles and / or distances between adjacent hollow profiles can be selected accordingly.
Mit besonderem Vorteil ist der Profilwärmetauscher als Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet, indem beispielsweise zu erwärmende Druckluft und hierzu verwendetes Abgas der Gasturbine im Kreuz-Gegenstrom strömen.With particular advantage, the profile heat exchanger is designed as a cross-countercurrent heat exchanger, for example, by flowing compressed air and exhaust gas used for this purpose of the gas turbine in cross-counterflow.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:Further features and advantages emerge from the subclaims and the exemplary embodiment. This shows, partially schematized:
Jedes Wärmetauscherpaket weist ein Zuführrohr
Beidseits jedes Zu- und Abführrohrpaares erstrecken sind U-förmige Hohlprofile, die in
Heiße Abgase strömen in axialer Richtung einer Längsachse T der Gasturbine aus einem Turbinen- bzw. Brennkammeraustritt aus (von links nach rechts in
Beim Umströmen tauschen die Abgase Wärme mit der Druckluft aus, die von einem Zuführrohr
Mehrere Hohlprofile
Erfindungsgemäß sind zum einen die Reihenachsen R gegen eine zu einer Längsachse Z der Zu- und Abführrohre
Zusätzlich sind die großen Halbachsen bzw. Profilachsen P der einzelnen Hohlprofile
Weiter zusätzlich sind die parallelen Längsachsen Z der Zu- und Abführrohe
Turbinenaustritts- bzw. Düseneintrittswinkel β1, β2 ergeben sich somit kumulativ zu β1 = β2 = 90° – αZT – αPR – αRZ' = 44°, i. e. weniger als 45°.Turbine outlet or nozzle inlet angle β 1 , β 2 thus result cumulatively to β 1 = β 2 = 90 ° - α ZT - α PR - α RZ ' = 44 °, ie less than 45 °.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Hohlprofilhollow profile
- 1010
- Zuführrohrfeed
- 2020
- Abführrohrdischarge pipe
- 3030
- HohlprofilpaketHollow profile package
- PP
- Profilachseprofile axis
- RR
- Reihenachserow axis
- SS
- freier Strömungsquerschnitt zwischen Hohlprofilenfree flow cross-section between hollow profiles
- TT
- Turbinenlängsachseturbine longitudinal axis
- ZZ
- Rohrachsepipe axis
- Z'Z '
- Normale senkrecht zur RohrachseNormal perpendicular to the tube axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3146089 C2 [0002] DE 3146089 C2 [0002]
- DE 3642506 A1 [0003] DE 3642506 A1 [0003]
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2010
- 2010-06-29 DE DE102010025587A patent/DE102010025587A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20120320 |