RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 26747 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:.03.09 1318373.3 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 31.12.14 Europejski Biuletyn Patentowy /01 EP 26747 B1 (13) (1) T3 Int.Cl. F01D /14 (06.01) F01D 2/ (06.01) FD 1/06 (06.01) (4) Tytuł wynalazku: Aparat dyfuzyjny w maszynie przepływowej () Pierwszeństwo: 28.07.08 US 84079 P 26.02.09 US 393 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 18.12.13 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 13/1 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:.06. Wiadomości Urzędu Patentowego /06 (73) Uprawniony z patentu: Siemens Energy, Inc., Orlando, US (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 26747 T3 ALEXANDER R BEECK, Orlando, US (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Elżbieta Kowal POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska 73 00-712 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
78P3891PL00 EP 2 674 7 B1 2 Opis [0001] Niniejsze zgłoszenie zastrzega korzyści z tymczasowego zgłoszenia USA nr seryjny 61/084079, zatytułowanego DYFUZOR CARNOTA Z URZĄDZENIAMI, KTÓRE ZMNIEJSZAJĄ PODATNOŚĆ NA WARUNKI WLOTOWE I SPALINOWE, złożonego 28 lipca 08, przez Aleksander Ralph Beeck. DZIEDZINA WYNALAZKU [0002] Niniejszy wynalazek dotyczy aparatu dyfuzyjnego w maszynie przepływowej, a bardziej szczegółowo, takiego aparatu dyfuzyjnego, który obejmuje konstrukcję dyfuzora posiadającą sekcję schodkową i konstrukcję stabilizującą usytuowaną za sekcją schodkową, żeby stabilizować oddzieloną strefę recyrkulacji gazów. PODSTAWA WYNALAZKU [0003] Konwencjonalny gazowy turbinowy silnik spalinowy zawiera sprężarkę, komorę spalania i turbinę. Sprężarka spręża powietrze z otoczenia. Komora spalania miesza sprężone powietrze z paliwem i zapala mieszankę tworząc produkty spalania określające gaz roboczy. Gaz roboczy przedostaje się do turbiny. W turbinie znajduje się ciąg rzędów łopatek nieruchomych i łopatek obrotowych. Każda para rzędów łopatek nieruchomych i łopatek obrotowych jest nazywana stopniem. Zazwyczaj w turbinie znajduje się wiele stopni. Łopatki obrotowe są połączone z wałem i zespołem tarczy. Gdy gazy robocze rozprężają się poprzez turbinę, powodują obracanie łopatek, a zatem obracanie wału i zespołu tarczy. [0004] Dyfuzor może być usytuowany za turbiną. Dyfuzor posiada kanał, którego pole przekroju poprzecznego zwiększa się wraz z odległością. Ze względu na zwiększające się pole przekroju poprzecznego, dyfuzor działa zmniejszając prędkość gazów spalinowych. W
2 2 związku z tym energia kinetyczna gazów spalinowych obniża się, podczas gdy ciśnienie gazów spalinowych wzrasta. Im większy jest odzysk ciśnienia zanim gazy spalinowe opuszczą dyfuzor, tym niższe jest ciśnienie gazów spalinowych w ostatnim stopniu turbiny. Im niższe jest ciśnienie w ostatnim stopniu turbiny tym większy jest stosunek ciśnień na turbinie i z turbiny jest uzyskiwana większa praca. EP 1 9 874 ujawnia typowy dyfuzor turbiny. [000] Jest pożądane, żeby wytwarzać duży wzrost ciśnienia i powodować zmniejszenie prędkości przepływu gazów spalinowych od wlotu do wylotu dyfuzora. Dyfuzja w dyfuzorze może być ograniczana, tam gdzie strumień gazu oddziela się od ścian dyfuzora. W związku z tym jest pożądane, żeby zminimalizować oddzielanie strumienia gazu od ścian dyfuzora. PODSUMOWANIE WYNALAZKU [0006] Zgodnie z pierwszym i drugim aspektem niniejszego wynalazku, przewidziany w maszynie przepływowej aparat dyfuzyjny obejmuje konstrukcję dyfuzora i konstrukcję stabilizującą. Konstrukcja dyfuzora może obejmować ściany wewnętrzną i zewnętrzną określające kanał przepływowy strumienia, przez który gazy przepływają i dyfundują tak, że energia kinetyczna się zmniejsza, a ciśnienie gazów wzrasta gdy się przemieszczają przez kanał przepływowy. Ściana wewnętrzna może mieć pierwszą sekcję osiową i sekcję schodkową usytuowaną za wspomnianą pierwszą sekcją osiową, oraz strukturę stabilizującą połączoną ze wspomnianą sekcją schodkową, żeby stabilizować oddzieloną strefę recyrkulacji gazów usytuowaną za wspomnianą sekcją schodkową, gdzie wspomniana konstrukcja stabilizująca obejmuje co najmniej jeden tłumik Helmholtza połączony ze wspomnianą sekcją schodkową, żeby stabilizować oddzieloną
3 2 strefę recyrkulacji gazów usytuowaną za wspomnianą sekcją schodkową. [0007] Zgodnie z drugim aspektem niniejszego wynalazku, przewidziany w maszynie przepływowej aparat dyfuzyjny obejmuje konstrukcję dyfuzora i konstrukcję stabilizującą. Konstrukcja dyfuzora obejmuje ściany wewnętrzną i zewnętrzną określające kanał przepływowy strumienia, przez który gazy przepływają i dyfundują tak, że energia kinetyczna się zmniejsza, a ciśnienie gazów wzrasta gdy się przemieszczają przez kanał przepływowy. Ściana zewnętrzna może mieć sekcje osiowe pierwszą i drugą oraz sekcję schodkową łączącą sekcje osiowe pierwszą i drugą. Za sekcją schodkową ściany zewnętrznej jest usytuowana konstrukcja stabilizująca, żeby stabilizować oddzieloną strefę recyrkulacji gazów usytuowaną za wspomnianą sekcją schodkową ściany zewnętrznej, gdzie wspomniana konstrukcja stabilizująca obejmuje co najmniej jeden tłumik Helmholtza połączony ze wspomnianą sekcją schodkową, żeby stabilizować oddzieloną strefę recyrkulacji gazów usytuowaną za wspomnianą sekcją schodkową. ZWIĘZŁY OPIS RYSUNKÓW [0008] Fig. 1 jest schematycznym widokiem przekroju poprzecznego silnika turbogazowego obejmującego aparat dyfuzyjny wykonany zgodnie z pierwszą postacią niniejszego wynalazku, Fig. 2 jest schematycznym widokiem przekroju poprzecznego silnika turbogazowego obejmującego aparat dyfuzyjny wykonany zgodnie z drugą postacią niniejszego wynalazku, Fig. 3 jest schematycznym widokiem przekroju poprzecznego silnika turbogazowego obejmującego aparat
4 2 dyfuzyjny wykonany zgodnie z trzecią postacią niniejszego wynalazku i Fig. 4 jest schematycznym widokiem przekroju poprzecznego silnika turbogazowego obejmującego aparat dyfuzyjny wykonany zgodnie z czwartą postacią niniejszego wynalazku. SZCZEGÓŁOWY OPIS WYNALAZKU [0009] Przykłady wykonania wynalazku aparatu dyfuzyjnego do stosowania w maszynie przepływowej wykonane zgodnie z niniejszym wynalazkiem, są opisane poniżej. Odnosząc się do Fig.1, przepływowa maszyna może obejmować spalinowy silnik turbogazowy łącznie z zewnętrzną obudową 11, sprężarką (nie pokazano), komorą spalania (nie pokazano), oraz turbiną 12. Sprężarka spręża powietrze z otoczenia. W komorze spalania sprężone powietrze miesza się z paliwem i mieszanina zapala się wytwarzając produkty spalania określające gaz roboczy. Gazy robocze rozchodzą się do turbiny 12. W turbinie 12 znajdują się ciągi rzędów nieruchomych łopatek 14 i obrotowych łopatek 16. Każda para rzędów łopatek nieruchomych i łopatek obrotowych jest nazywana stopniem. Ostatni stopień 12A turbiny 12 jest przedstawiony na Fig. 1. Obrotowe łopatki 16 są połączone z wałem i zespołem 18 tarczy. Gdy gazy robocze rozprężają się poprzez turbinę, powodują obracanie łopatek 16, a zatem obracanie wału i zespołu 18 tarczy. Wał lub wirnik 18A wału i zespół 18 tarczy są zamontowane obrotowo w łożysku 19, np. łożysku czopa. Łożysko 19 jest zamocowane w stacjonarnej obudowie 19A łożyska, która z kolei jest przymocowana do zewnętrznej obudowy za pomocą szeregu wsporników 60. [00] Zgodnie z pierwszą postacią niniejszego wynalazku przedstawioną na Fig. 1, dyfuzyjny aparat jest umieszczony za ostatnim stopniem 12A turbiny. Dyfuzyjny
2 aparat zawiera konstrukcję dyfuzora oraz stabilizujące konstrukcje 40 i 0, pierwszą i drugą. Konstrukcja dyfuzora obejmuje ściany 32 i 34, wewnętrzną i zewnętrzną, określające przepływowy kanał 36 strumienia, przez który przepływają i w którym dyfundują spalinowe gazy G z turbiny 12. Gdy gazy G dyfundują w konstrukcji dyfuzora, ich energia kinetyczna się zmniejsza, podczas gdy ciśnienie gazów G wzrasta. [0011] Zewnętrzna ściana 34 obejmuje osiowe sekcje 34A i 34B, pierwszą i drugą oraz schodkową sekcję 34C łączącą osiowe sekcje 34A i 34B, pierwszą i drugą. Pierwsza osiowa sekcja 34A może rozszerzać się na zewnątrz, a druga osiowa sekcja 34B ma średnicę wewnętrzną znacząco większą niż średnica wewnętrzna pierwszej sekcji 34A. Wewnętrzna ściana 32 może obejmować pierwszą osiową sekcję 32A i schodkową sekcję 32B znajdującą się za pierwszą sekcją 32A. Konstrukcja dyfuzora ma kształt podobny do znanego dyfuzora zrzutu. Na Fig. 1 jest przedstawiona schematycznie jedynie górna część konstrukcji dyfuzora. [0012] Ponieważ druga osiowa sekcja 34B ściany zewnętrznej ma średnicę wewnętrzną, która jest znacząco większa niż średnica wewnętrzna pierwszej sekcji 34A ściany zewnętrznej i zwiększenie średnicy między sekcjami 34A i 34B, pierwszą i drugą powstaje na bardzo małej odległości osiowej schodkowej sekcji 34C, uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 36 tworzą pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji gazów lub wiry tuż za schodkową sekcją 34C zewnętrznej ściany 34. Pierwsza strefa Z 1 recyrkulacji gazów lub wiry mogą rozprzestrzeniać się zasadniczo obwodowo w pobliżu wewnętrznej powierzchni 134B drugiej sekcji 34B. Uważa się również, że strumień gazów spalinowych może oddzielać
6 2 się od wewnętrznej powierzchni 134B drugiej sekcji 34B ściany zewnętrznej w miejscach sąsiadujących z lub w pobliżu strefy Z 1 recyrkulacji gazu. Ograniczenie lub brak dyfuzji gazów spalinowych może wystąpić w rejonach konstrukcji dyfuzora, gdzie strumień gazów spalinowych oddzielił się od wewnętrznej powierzchni 134B drugiej sekcji 34B ściany zewnętrznej, co powoduje zmniejszenie sprawności konstrukcji dyfuzora oraz turbiny 12. Uważa się, że przy braku pierwszej stabilizującej konstrukcji 40, strefa Z 1 recyrkulacji gazów może być niestabilna, tj. może zwiększać i zmniejszać (tj. oscylować) rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12. Jakikolwiek wzrost rozmiaru strefy Z 1 recyrkulacji może spowodować odpowiednie zwiększenie ilości strumienia gazu oddzielonego od wewnętrznej powierzchni 134B drugiej sekcji 34B ściany zewnętrznej. Ponadto, oscylacje rozmiaru strefy Z 1 recyrkulacji gazu zużywają energię gazów przepływających przez konstrukcję dyfuzora, co jest niekorzystne. [0013] Pierwsza stabilizująca konstrukcja 40 zawiera jedną lub wiele rur 40A oddalonych od siebie obwodowo, z których każda ma pierwszy koniec 40B rozciągający się przez drugą sekcję 34B ściany zewnętrznej i umieszczony w pobliżu pierwszej strefy Z 1 recyrkulacji gazu oraz drugi koniec 40C rozciągający się przez pierwszą sekcję 34A ściany zewnętrznej i łączący się z przepływowym kanałem 36. Gdy gazy spalinowe o wysokiej prędkości przepływają obok i przez drugi koniec 40C każdej rury 40A, w rurze 40A wytwarzane jest, przez gazy o wysokiej prędkości, ssanie lub podciśnienie powodując, że część gazów spalinowych, wyznaczających strefę Z 1 recyrkulacji gazu zostaje usunięta przez zasysanie przez pierwszy koniec 40B rury zmniejszając pole przepływu, a tym samym
7 2 stabilizując, tj. zmniejszając rozmiar i/lub ograniczając zmiany rozmiarów osiowych, obwodowych i/lub promieniowych strefy Z 1 recyrkulacji gazu podczas działania turbiny 12. Drugi koniec 40C, jednej lub większej liczby rur 40A może być usytuowany w pobliżu dalszej strony 60A odpowiadającego wspornika 60 tak, żeby gazy spalinowe usunięte z pierwszej strefy Z 1 recyrkulacji mogły zostać zdeponowane w strefie śladu torowego wspornika 60. [0014] Uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 36 wytwarzają drugą strefę Z 2 recyrkulacji gazu lub wiry za schodkową sekcją 32B wewnętrznej ściany 32. Uważa się, że w przypadku braku drugiej stabilizującej konstrukcji 0, druga strefa Z 2 recyrkulacji gazu może być niestabilna, tj. może zwiększać i zmniejszać rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12. Każda oscylacja i/lub zwiększenie rozmiaru drugiej strefy Z 2 recyrkulacji gazu może powodować straty energii spalinowych gazów G przepływających przez przepływowy kanał 36, zatem zmniejszając wydajność konstrukcji dyfuzora, tj. maksymalny wzrost ciśnienia w obrębie konstrukcji dyfuzora zostaje zmniejszony lub ograniczony. Gdy wydajność konstrukcji dyfuzora się zmniejsza, zmniejsza się również sprawność turbiny 12. [00] Druga stabilizująca konstrukcja 0 zawiera jedną lub więcej rur 0A, z których każda ma pierwszy koniec 0B rozciągający się przez schodkową sekcję 32B wewnętrznej ściany i usytuowany w pobliżu drugiej strefy Z 2 recyrkulacji gazu, oraz drugi koniec 0C rozciągający się przez pierwszej osiową sekcję 32A ściany wewnętrznej i łączący się z przepływowym kanałem 36. Gdy gazy spalinowe o wysokiej prędkości przepływają obok i przez drugi koniec 0C każdej rury 0A, w rurze 0A wytwarzane
8 2 jest przez gazy o wysokiej prędkości ssanie lub podciśnienie powodując, że część gazów spalinowych, wyznaczających drugą strefę Z 2 recyrkulacji gazu zostaje usunięta przez zasysanie przez pierwszy koniec 0B rury zmniejszając pole przepływu, a tym samym stabilizując, tj. zmniejszając rozmiar i/lub ograniczając zmiany rozmiarów osiowych, obwodowych i/lub promieniowych drugiej strefy Z 2 recyrkulacji gazu podczas działania turbiny 12. Drugi koniec 0C, jednej lub większej liczby rur 0A może być usytuowany w pobliżu dalszej strony 60A odpowiadającego wspornika 60 tak, żeby gazy spalinowe usunięte z drugiej strefy Z 2 recyrkulacji mogły zostać zdeponowane w strefie śladu torowego wspornika 60. [0016] Zgodnie z drugą postacią niniejszego wynalazku przedstawioną na Fig. 2, dyfuzyjny aparat 0 jest umieszczony za ostatnim stopniem 12A turbiny. Dyfuzyjny aparat 0 obejmuje konstrukcję 2 dyfuzora, oraz stabilizujące konstrukcje 2 i 240 i 20 pierwszą, drugą i trzecią. Konstrukcja dyfuzora 2 zawiera ściany 222 i 224, wewnętrzną i zewnętrzną określające przepływowy kanał 236 strumienia, przez który przepływają i w którym dyfundują gazy spalinowe z turbiny 12. Gdy gazy dyfundują w konstrukcji 2 dyfuzora, ich energia kinetyczna zmniejsza się, podczas gdy ciśnienie gazów wzrasta. Zewnętrzna ściana 224 zawiera osiowe sekcje 224A i 224B, pierwszą i drugą oraz trzecią, schodkową sekcję 224C łączącą osiowe sekcje 224A i 224B pierwszą i drugą. Druga osiowa sekcja 224B ma średnicę wewnętrzną znacząco większą niż średnica wewnętrzna pierwszej sekcji 224A. [0017] Należy zauważyć, że istnieje schodkowa sekcja 212A określona pomiędzy końcem 12A zewnętrznej ściany 12B turbiny, a pierwszą osiową sekcją 224A zewnętrznej ściany 224.
9 2 [0018] Wewnętrzna ściana 222 może obejmować pierwszą osiową sekcję 222A i schodkową sekcję 222B usytuowaną za pierwszą sekcją 222A. Na Fig. 2 przedstawiona jest schematycznie tylko górna część konstrukcji 2 dyfuzora. [0019] Ponieważ schodkowa sekcja 212A jest przewidziana pomiędzy końcem 12A zewnętrznej ściany 12B turbiny i pierwszą osiową sekcją 224A zewnętrznej ściany 224, uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 236 tworzą pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji gazów lub wiry, tuż za schodkową sekcją 212A. Ponadto, ponieważ druga osiowa sekcja 224B ściany zewnętrznej ma wewnętrzną średnicę, która jest znacząco większa niż wewnętrzna średnica pierwszej sekcji 224A ściany zewnętrznej, a zwiększenie średnicy pomiędzy sekcjami 224A i 224B, pierwszą i drugą powstaje na bardzo małej odległości osiowej schodkowej sekcji 224C, uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 236 tworzą drugą strefę Z 2 recyrkulacji gazów lub wiry tuż za schodkową sekcją 224C zewnętrznej ściany 224. Pierwsza strefa Z 1 recyrkulacji gazów lub wiry mogą rozciągać się zasadniczo obwodowo w pobliżu wewnętrznej powierzchni 324A pierwszej sekcji 224A, natomiast druga strefa Z 2 recyrkulacji gazu lub wiry mogą rozciągać się zasadniczo obwodowo w pobliżu wewnętrznej powierzchni 324B drugiej sekcji 224B. [00] Strumień gazów spalinowych może oddzielać się od wewnętrznych powierzchni 324A i 324B, sekcji pierwszej i drugiej, 224A i 224B, ściany zewnętrznej w miejscach sąsiadujących z lub w pobliżu stref Z 1 i Z 2 recyrkulacji gazu. Ograniczenie lub brak dyfuzji gazów spalinowych może wystąpić w rejonach konstrukcji 2 dyfuzora, gdzie strumień gazów spalinowych oddzielił się od wewnętrznych powierzchni 324A i 324B pierwszej i drugiej sekcji 224A i
2 224B ściany zewnętrznej, co powoduje zmniejszenie sprawności konstrukcji 2 dyfuzora oraz turbiny 12. Ponadto straty energii w strumieniu gazów spalinowych mogą wystąpić jako rezultat cyrkulacyjnego przepływu gazów wewnątrz stref Z 1 i Z 2 recyrkulacji gazu, pierwszej i drugiej co może dodatkowo zmniejszać wydajność konstrukcji 2 dyfuzora. Uważa się, że przy braku stabilizujących konstrukcji 2 i 240, pierwszej i drugiej, strefy Z 1 i Z 2 recyrkulacji gazów mogą być niestabilne, tj. mogą zwiększać i zmniejszać rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12. Każda oscylacja i/lub zwiększenie rozmiaru stref Z 1 i Z 2 recyrkulacji gazu może powodować odpowiednie zwiększenie ilości strumienia gazu oddzielonego od wewnętrznych powierzchni 324A i 324B sekcji 224A i 224B, pierwszej i drugiej, ściany zewnętrznej, z towarzyszącą stratą energii strumienia spalinowych gazów. [0021] Pierwsza stabilizująca konstrukcja 2 zawiera perforowaną płytę lub kratę 232 rozciągającą się promieniowo od i obwodowo wokół wewnętrznej powierzchni 324A pierwszej sekcji 224A ściany zewnętrznej. Otwory lub perforacje w płycie 232 mogą mieć wymiar promieniowy od około % do około % promieniowej wysokości H 1 schodkowej sekcji 212A. Gazy spalinowe określające pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji przechodzą przez perforowaną płytę 232, która działa, jak się uważa, jako stabilizator przepływu tak, żeby tłumić struktury przepływu określające pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji lub pole przepływu. To jest, płyta lub krata 232 zmniejsza prędkość struktur pierwszego przepływu wysokiej prędkości pierwszej strefy Z 1, natomiast prędkość struktur drugiego przepływu niższej prędkości pierwszej strefy Z 1 zostaje
11 zmniejszona znacznie mniej. Zatem struktury przepływu 2 pierwsza i druga tworzące wcześniej pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji określają bardziej jednolite połączone pole przepływu. [0022] Najlepiej, jeśli płyta 232 jest usytuowana osiowo w odległości L 1 za schodkową sekcją 212A, gdzie odległość L 1 może być równa w przybliżeniu od około 2 do około 4 krotnej promieniowej wysokości H 1 schodkowej sekcji 212A. Alternatywnie, rozważa się, że dostarczone być może odpowiednie komputerowe oprogramowanie do symulacji dynamiki płynów do lokalizowania perforowanej płyty na preferowanej lokalizacji wzdłuż wewnętrznej powierzchni 324A pierwszej sekcji 224A zewnętrznej ściany tak, żeby uzyskać maksymalną stabilizację pierwszej strefy Z 1 recyrkulacji. Za pomocą komputerowego oprogramowania do symulacji dynamiki płynów może być również określona preferowana promieniowa długość płyty 232. [0023] Druga stabilizująca konstrukcja 240 zawiera perforowaną płytę lub kratę 242 rozciągającą się promieniowo od i obwodowo wokół wewnętrznej powierzchni 324B drugiej sekcji 224B ściany zewnętrznej. Otwory lub perforacje w płycie 242 mogą mieć wymiar promieniowy od około % do około % promieniowej wysokości H 2 schodkowej sekcji 224C. Uważa się, że gazy spalinowe cyrkulujące blisko wewnętrznej powierzchni 324B i określające drugą strefę Z 2 recyrkulacji przechodzą przez perforowaną płytę 242, która działa, jak się uważa, jako stabilizator przepływu tak, żeby tłumić struktury przepływu określające drugą strefę Z 2 recyrkulacji lub pole przepływu. To jest, płyta lub krata 242 zmniejsza prędkość struktur pierwszego przepływu wysokiej prędkości drugiej strefy Z 2, natomiast prędkość struktur drugiego przepływu niższej prędkości drugiej strefy Z 2 zostaje
12 zmniejszona znacznie mniej. Zatem struktury przepływu 2 pierwsza i druga tworzące wcześniej drugą strefę Z 2 recyrkulacji określają bardziej jednolite połączone pole przepływu. [0024] Najlepiej, jeśli płyta 242 jest usytuowana osiowo w odległości L 2 za schodkową sekcją 224C, gdzie odległość L 2 może być równa w przybliżeniu od około 2 do około 4 razy promieniowej wysokości H 2 schodkowej sekcji 224C. Alternatywnie, rozważa się, że dostarczone być może odpowiednie komputerowe oprogramowanie do symulacji dynamiki płynów do lokalizowania perforowanej płyty na preferowanej lokalizacji wzdłuż wewnętrznej powierzchni 324B drugiej sekcji 224B zewnętrznej ściany tak, żeby uzyskać maksymalną stabilizację drugiej strefy Z 2 recyrkulacji. Za pomocą komputerowego oprogramowania do symulacji dynamiki płynów może być również określona preferowana promieniowa długość płyty 242. [002] Uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 236 będą generowały trzecią strefę Z 3 recyrkulacji gazu lub wiry za schodkową sekcją 222B wewnętrznej ściany 222. Uważa się, że w przypadku braku trzeciej stabilizującej konstrukcji 20, trzecia strefa Z 3 recyrkulacji gazu może być niestabilna, tj. może w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12 zwiększać i zmniejszać rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo. Każda oscylacja i/lub zwiększenie rozmiaru trzeciej strefy Z 3 recyrkulacji gazu może powodować straty energii gazów spalinowych przepływających przez przepływowy kanał 236, zmniejszając zatem wydajność konstrukcji 2 dyfuzora, tj. maksymalny wzrost ciśnienia w obrębie konstrukcji 2 dyfuzora zostaje zmniejszony lub ograniczony. Gdy wydajność konstrukcji dyfuzora się zmniejsza, zmniejsza się również sprawność turbiny 12.
13 [0026] Trzecia stabilizująca konstrukcja 20 zawiera tłumiki 20A i 20B Helmholtza, pierwszy i drugi, każdy rozciągający się przez schodkową sekcję 222B ściany 2 wewnętrznej i usytuowany w pobliżu trzeciej strefy Z 3 recyrkulacji gazu. Rozważane jest, że może być przewidziany jeden lub między około 3 a tłumików Helmholtza. Każdy tłumik 20A i 20B Helmholtza może obejmować pudło, takie jak wnęka rezonatora, które łączy się z przepływowym kanałem 236 poprzez rurę tłumiącą, która rozciąga się osiowo od wnęki rezonatora do przepływowego kanału 236. Gazy spalinowe przechodzą przez rurę tłumiącą i do wnęki rezonatora pierwszego tłumika 20A Helmholtza, gdzie zmniejszane są oscylacje lub wibracje ciśnienia gazów spalinowych o częstotliwości bliskiej rezonansowej lub rezonansowej odpowiadającej wielkości wnęki rezonatora tłumika 20A. Podobnie gazy spalinowe przepływają przez rurę tłumiącą i do wnęki rezonatora drugiego tłumika 20B Helmholtza, gdzie zmniejszane są oscylacje lub wibracje ciśnienia gazów spalinowych o częstotliwości bliskiej rezonansowej lub rezonansowej odpowiadającej wielkości wnęki rezonatora tłumika 20B. Zatem wnęka rezonatora pierwszego tłumika 20A może być zwymiarowana inaczej od wnęki rezonatora drugiego tłumika 20B tak, żeby tłumić oscylacje ciśnienia o innej częstotliwości niż te tłumione przez drugi tłumik 20B. W związku z tym, przez wybranie tłumików Helmholtza posiadających odpowiednie rozmiary wnęki rezonatora, mogą być zmniejszone oscylacje ciśnienia o pożądanych częstotliwościach. Tłumiki 20A i 20B Helmholtza działają, żeby zmniejszyć energię co najmniej części gazów spalinowych określających trzecią strefę Z 3 recyrkulacji gazu i zatem stabilizować, tj. zmniejszać rozmiar i/lub ograniczać zmiany rozmiarów
14 2 trzeciej strefy Z 3 recyrkulacji gazu osiowe, obwodowe i/lub promieniowe podczas działania turbiny 12. [0027] Rozważane jest również, że może być przewidziany jeden lub więcej tłumików Helmholtza i rozciągać się przez schodkową sekcję 224C zewnętrznej ściany 224 i mogą być stosowane zamiast perforowanej płyty 242 zmniejszając rozmiar i/lub ograniczając zmiany rozmiarów osiowych, obwodowych i/lub promieniowych drugiej strefy Z 2 recyrkulacji gazu podczas działania turbiny 12. [0028] Według trzeciego korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku przedstawionego na Fig. 3, dyfuzyjny aparat 400 jest usytuowany za ostatnim stopniem 12A turbiny. Dyfuzyjny aparat 400 zawiera konstrukcję 4 dyfuzora oraz stabilizujące konstrukcje 4 i 440, pierwszą i drugą. Konstrukcja 4 dyfuzora zawiera ściany 422 i 424, wewnętrzną i zewnętrzną, określające przepływowy kanał 436 strumienia, przez który przepływają i w którym dyfundują gazy spalinowe z turbiny 12. Gdy gazy dyfundują w konstrukcji 4 dyfuzora ich energia kinetyczna zostaje zmniejszana, podczas gdy ciśnienie gazów wzrasta. Zewnętrzna ściana 424 zawiera osiowe sekcje 424A i 424B, pierwszą i drugą oraz trzecią, schodkową sekcję 424C łączącą osiowe sekcje 424A i 424B, pierwszą i drugą. Druga osiowa sekcja 424B ma średnicę wewnętrzną znacząco większą niż średnica wewnętrzna pierwszej sekcji 424A. Wewnętrzna ściana 422 może obejmować pierwszą osiową sekcję 422A i schodkową sekcję 422B usytuowaną za pierwszą sekcją 422A. [0029] Ponieważ druga osiowa sekcja 424B ściany zewnętrznej ma średnicę wewnętrzną, która jest znacząco większa niż średnica wewnętrzna pierwszej sekcji 424A ściany zewnętrznej, a zwiększenie średnicy pomiędzy sekcjami 424A i 424B, pierwszą i drugą, powstaje na
bardzo małej odległości osiowej, na trzeciej sekcji 424C, uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez 2 przepływowy kanał 236 tworzą pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji gazów lub wiry tuż za schodkową sekcją 424C zewnętrznej ściany 424. Pierwsza strefa Z 1 recyrkulacji gazów lub wiry mogą rozciągać się zasadniczo obwodowo w pobliżu wewnętrznej powierzchni 24B drugiej sekcji 424B. Uważa się również, że strumień gazów spalinowych może oddzielać się od wewnętrznej powierzchni 24B drugiej sekcji 424B ściany zewnętrznej w miejscach sąsiadujących z lub w pobliżu strefy Z 1 recyrkulacji gazu. Ograniczenie lub brak dyfuzji gazów spalinowych może wystąpić w rejonach konstrukcji 4 dyfuzora, gdzie strumień gazów spalinowych oddzielił się od wewnętrznej powierzchni 24B drugiej sekcji 424B ściany zewnętrznej, co powoduje zmniejszenie sprawności turbiny 12. Uważa się, że w przypadku braku pierwszej stabilizującej konstrukcji 4, strefa Z 1 recyrkulacji gazu może być niestabilna, tj. może w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12 zwiększać i zmniejszać rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo. Każde zwiększenie rozmiaru strefy Z 1 recyrkulacji gazu może powodować odpowiednie zwiększenie ilości strumienia gazu oddzielonego od wewnętrznej powierzchni 24B sekcji 424B ściany zewnętrznej. [00] Pierwsza stabilizująca konstrukcja 4 może zawierać płytę perforowaną lub kratę 432 rozciągającą się promieniowo od, oraz obwodowo wokół wewnętrznej powierzchni 24B drugiej sekcji 424B ściany zewnętrznej. Otwory lub perforacje w płycie 432 mogą mieć wymiar promieniowy od około % do około % promieniowej wysokości schodkowej sekcji 424C. Gazy spalinowe cyrkulujące blisko wewnętrznej powierzchni 24B i określające pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji przechodzą
16 2 przez perforowaną płytę 432, która działa, jak się uważa, jako stabilizator przepływu tak, żeby tłumić struktury przepływu określające pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji lub pole przepływu. To jest, płyta lub siatka 432 zmniejsza prędkość struktur pierwszego przepływu wysokiej prędkości pierwszej strefy Z 1, natomiast prędkość struktur drugiego przepływu niższej prędkości pierwszej strefy Z 1 zostaje zmniejszona znacznie mniej. Zatem struktury przepływu pierwsza i druga, tworzące wcześniej pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji określają bardziej jednolite połączone pole przepływu. [0031] Najlepiej, jeśli płyta 432 jest usytuowana osiowo w odległości za schodkową sekcją 424C, gdzie odległość może może być równa w przybliżeniu od około 2 do około 4 razy promieniowej wysokości schodkowej sekcji 424C. Alternatywnie, rozważa się, że dostarczone być może odpowiednie komputerowe oprogramowanie do symulacji dynamiki płynów do lokalizowania perforowanej płyty na preferowanej lokalizacji wzdłuż wewnętrznej powierzchni 24B drugiej sekcji 424B ściany zewnętrznej tak, żeby uzyskać maksymalną stabilizację drugiej strefy Z 2 recyrkulacji. Za pomocą komputerowego oprogramowania do symulacji dynamiki płynów może być również określona preferowana promieniowa długość płyty 432. [0032] Uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 436 będą generowały drugą strefę Z 2 recyrkulacji gazu lub wiry za schodkową sekcją 422B wewnętrznej ściany 422. Uważa się, że w przypadku braku drugiej stabilizującej konstrukcji 440, druga strefa Z 2 recyrkulacji gazu może być niestabilna, tj. może w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12 zwiększać i zmniejszać rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo. Każde zwiększenie rozmiaru drugiej strefy Z 2 recyrkulacji
17 2 gazu może powodować straty energii gazów spalinowych przepływających przez przepływowy kanał 436, zmniejszając zatem wydajność konstrukcji 4 dyfuzora, tj. maksymalny wzrost ciśnienia w obrębie konstrukcji 4 dyfuzora zostaje zmniejszony lub ograniczony. Gdy wydajność konstrukcji 4 dyfuzora się zmniejsza, zmniejsza się również sprawność turbiny 12. [0033] Druga stabilizująca struktura 440 może zawierać płytę perforowaną lub kratę 442 rozciągającą się promieniowo na zewnątrz za schodkowej sekcji 422B wewnętrznej ściany 422. W przedstawionej postaci wynalazku płyta 442 ma przekrój poprzeczny w kształcie litery U, jak przedstawiono na Fig. 3, ale może mieć również przekrój poprzeczny prostokątny, trójkątny lub podobny do innego kształtu. Otwory lub perforacje w płycie 442 mogą mieć wymiar promieniowy od około % do około % promieniowej wysokości H 1 schodkowej sekcji 422B, patrz Fig. 3. Uważa się, że perforowana płyta 442, przez którą przechodzą gazy spalinowe określające drugą strefę Z 2 recyrkulacji, działa jak stabilizator przepływu tak, żeby tłumić struktury przepływu określające drugą strefę Z 2 recyrkulacji lub pole przepływu. To jest, płyta lub krata 442 zmniejsza prędkość struktur pierwszego przepływu wysokiej prędkości drugiej strefy Z 2, natomiast prędkość struktur drugiego przepływu niższej prędkości drugiej strefy Z 2 zostaje zmniejszona znacznie mniej. Zatem struktury przepływu pierwsza i druga, tworzące wcześniej drugą strefę Z 2 recyrkulacji określają bardziej jednolite połączone pole przepływu. [0034] Według czwartej postaci niniejszego wynalazku przedstawionej na Fig. 4, dyfuzyjny aparat 600 jest usytuowany za ostatnim stopniem 12A turbiny. Dyfuzyjny aparat 600 obejmuje konstrukcję 6 dyfuzora oraz
18 2 pierwszą stabilizującą konstrukcję 6. Konstrukcja 6 dyfuzora obejmuje ściany 622 i 624 wewnętrzną i zewnętrzną określające przepływowy kanał 636 strumienia, przez który przepływają i w którym dyfundują gazy spalinowe z turbiny 12. Gdy gazy dyfundują w konstrukcji 6 dyfuzora ich energia kinetyczna zostaje zmniejszona, podczas gdy ciśnienie gazów wzrasta. Zewnętrzna ściana 424, która nie jest schodkowa, odchyla się stopniowo na zewnątrz w kierunku od turbiny 12. Wewnętrzna ściana 622 może obejmować pierwszą osiową sekcję 622A i schodkową sekcję 622B usytuowaną za pierwszą sekcją 622A. [003] Uważa się, że gazy spalinowe przepływające przez przepływowy kanał 636 wygenerują pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji gazu lub wiry za schodkową sekcją 622B wewnętrznej ściany 622. Uważa się, że w przypadku braku pierwszej stabilizującej konstrukcji 6, pierwsza strefa Z 1 recyrkulacji gazu może być niestabilna, tj. w miarę upływu czasu podczas działania turbiny 12 może zwiększać i zmniejszać rozmiar osiowo, obwodowo i/lub promieniowo. Każde zwiększenie rozmiaru pierwszej strefy Z 1 recyrkulacji gazu może powodować straty energii gazów spalinowych przepływających przez przepływowy kanał 636, zmniejszając zatem wydajność konstrukcji 6 dyfuzora, tj. maksymalny wzrost ciśnienia w obrębie konstrukcji 6 dyfuzora zostaje zmniejszony lub ograniczony. Gdy wydajność konstrukcji dyfuzora się zmniejsza, zmniejsza się również sprawność turbiny 12. [0036] Druga stabilizująca konstrukcja 6 może zawierać perforowaną płytę lub kratę 632 rozciągającą się osiowo od schodkowej sekcji 622B wewnętrznej ściany 622. W przedstawionej postaci wynalazku płyta 632 ma przekrój poprzeczny w kształcie litery U, jak przedstawiono na Fig. 4. Otwory lub perforacje w płycie 632 mogą mieć
19 wymiar promieniowy lub osiowy od około % do około % promieniowej wysokości H 1 schodkowej sekcji 622B, patrz Fig. 4. Uważa się, że gazy spalinowe określające pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji, przechodzą całkowicie lub częściowo przez perforowaną płytę 632, która działa, jak się uważa, jak stabilizator przepływu tak, żeby tłumić struktury przepływu określające pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji lub pole przepływu. To jest, płyta lub krata 632 zmniejsza prędkości struktur pierwszego przepływu wysokiej prędkości pierwszej strefy Z 1, natomiast prędkości struktur drugiego przepływu niższej prędkości pierwszej strefy Z 1 zostają zmniejszone znacznie mniej. Zatem struktury przepływu pierwsza i druga tworzące wcześniej pierwszą strefę Z 1 recyrkulacji określają bardziej jednolite połączone pole przepływu. [0037] Podczas gdy poszczególne postacie niniejszego wynalazku zostały przedstawione i opisane, dla fachowców tej dziedziny będzie oczywiste, że różne inne zmiany i modyfikacje mogą być dokonywane bez odchodzenia od charakteru i zakresu wynalazku. Jest zatem intencjonalne objęcie, w załączonych zastrzeżeniach, wszystkich takich zmian i modyfikacji, które mieszczą się w zakresie niniejszego wynalazku. Siemens Energy Inc. Pełnomocnik:
78P3891PL00 EP 2 674 7 B1 2 Zastrzeżenia patentowe 1. Dyfuzyjny aparat (0) przepływowej maszyny () obejmujący: konstrukcję (2) dyfuzora obejmującą ściany (222, 224), wewnętrzną i zewnętrzną, które wyznaczają przepływowy kanał (236) strumienia, przez który gazy przepływają i dyfundują tak, że zmniejsza się energia kinetyczna gazów, a ciśnienie się zwiększa gdy przemieszczają się przez wspomniany przepływowy kanał (236), przy czym wspomniana wewnętrzna ściana (222) posiada pierwszą osiową sekcję (222A) i schodkową sekcję (222B) usytuowaną za wspomnianą pierwszą osiową sekcją (222A), stabilizującą konstrukcję (20), powiązaną ze wspomnianą schodkową sekcją (222B), żeby stabilizować oddzieloną strefę (Z 3 ) recyrkulacji gazu usytuowaną za wspomnianą schodkową sekcją (222B), znamienny tym, że wspomniana stabilizująca konstrukcja (20) obejmuje co najmniej jeden tłumik (20A, 20B) Helmholtza powiązany ze wspomnianą schodkową sekcją (222B), żeby stabilizować oddzieloną strefę (Z 3 ) recyrkulacji gazu usytuowaną za wspomnianą schodkową sekcją (222B). 2. Dyfuzyjny aparat (0, 400), jak przedstawiono w zastrzeżeniu 1, w którym wspomniana zewnętrzna ściana (224, 424) obejmuje osiowe sekcje (224A, 224B, 424A, 424B), pierwszą i drugą oraz schodkową sekcję (224C, 424C) łączącą wspomniane osiowe sekcje (224A, 224B, 424A, 424B), pierwszą i drugą.
21 2 3. Dyfuzyjny aparat (0, 400), jak przedstawiono w zastrzeżeniu 2, w którym wspomniana druga osiowa sekcja (224B, 424B) ściany zewnętrznej ma średnicę wewnętrzną większą niż średnica wewnętrzna wspomnianej pierwszej osiowej sekcji (224A, 424A) ściany zewnętrznej. 4. Dyfuzyjny aparat przepływowej maszyny obejmujący: konstrukcję dyfuzora obejmującą ściany wewnętrzną i zewnętrzną, które wyznaczają przepływowy kanał strumienia, przez który gazy przepływają i dyfundują tak, że zmniejsza się energia kinetyczna gazów, a ciśnienie się zwiększa gdy przemieszczają się przez wspomniany kanał przepływowy, przy czym wspomniana zewnętrzna ściana obejmuje sekcje osiowe, pierwszą i drugą oraz sekcję schodkową łączącą wspomniane sekcje osiowe, pierwszą i drugą oraz konstrukcję stabilizującą, powiązaną ze wspomnianą sekcją schodkową wspomnianej ściany zewnętrznej, żeby stabilizować oddzieloną strefę recyrkulacji gazu usytuowaną za wspomnianą sekcją schodkową ściany zewnętrznej znamienny tym, że wspomniana konstrukcja stabilizująca obejmuje co najmniej jeden tłumik Helmholtza powiązany ze wspomnianą sekcją schodkową, żeby stabilizować oddzieloną strefę recyrkulacji gazu usytuowaną za wspomnianą sekcją schodkową. Siemens Energy Inc. Pełnomocnik: