ДИФФУЗОР ДЛЯ СТАЦИОНАРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
DIFFUSER FOR FIXED GAS TURBINE PLANT

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.
2
1
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 P за кольцевым элементом 27 превышает входной напор P 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.