JP5726236B2

JP5726236B2 - Diffuser for turbomachinery

Info

Publication number: JP5726236B2
Application number: JP2013127715A
Authority: JP
Inventors: プフォスタークリストフ; モクリストーマス; セルマイケル; ボクスハイマーハンス−ルートヴィヒ; ガーフナージルヴィア; グルゾンジエルベアーテ
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: EP2677123B2; US20130336783A1; JP2014001735A; CN103511008B; EP2677123B1; CN103511008A; EP2677123A1

Description

本発明は、ターボ機械用のディフューザに対する改良に関する。本発明は、特に、しかしながら排他的にではなく、低圧（ＬＰ）蒸気タービンの最終段に続くディフューザに関する。 The present invention relates to an improvement to a diffuser for a turbomachine. The present invention particularly relates to a diffuser following the final stage of a low pressure (LP) steam turbine, but not exclusively.

大型蒸気タービンに見られるようなディフューザは、たとえば、蒸気をタービンの最終段から凝縮器へ案内するために使用される。このようなディフューザは、２つ以上の実質的に同心状の壁部を有する。これらの壁部は、少なくとも最初、タービンのロータ軸線の周囲に軸方向の向きで配置されている。 Diffusers such as those found in large steam turbines are used, for example, to direct steam from the last stage of the turbine to the condenser. Such diffusers have two or more substantially concentric walls. These walls are at least initially arranged in an axial orientation around the rotor axis of the turbine.

たとえば米国特許第６６０２０４６号明細書に説明されているように、最終段に続くディフューザは、流れる媒体を減速させ、タービンを横切る利用可能な圧力降下またはエンタルピ降下を増大させ、運動エネルギのある比率を圧力エネルギに変換し、凝縮器グループに向かうディフューザ出口における流れ損失を減じるという作用を奏する。したがって、ディフューザの設計は、タービン機械の全体的な効率に貢献し、その理由から、ディフューザのレイアウトを最適化するために、多くの努力がなされてきたことが明らかである。 For example, as described in US Pat. No. 6,602,046, the diffuser following the last stage decelerates the flowing medium, increases the available pressure drop or enthalpy drop across the turbine, and increases the proportion of kinetic energy. It is converted into pressure energy and has the effect of reducing the flow loss at the diffuser outlet towards the condenser group. Thus, it is clear that the diffuser design contributes to the overall efficiency of the turbine machine, and for that reason, much effort has been made to optimize the diffuser layout.

Ch.Musch, H,StuerおよびG.Hermleによる、"OPTIMIZATION STRATEGY FOR A COUPLED DESIGN OF THE LAST STAGE AND THE SUCCESIVE DIFFUSER IN A LOW PRESSURE ENVIRONMENT"というタイトルの、２０１１年６月６〜１０日にカナダ国ブリティッシュコロンビア州バンクーバーにおいて開催されたＡＳＭＥ（アメリカ機械工業会）ターボエキスポの議事録、ＧＴ２０１１において出版された文書において、著者は、角度を成した２つの直線と、それに続く円弧と、半径方向の出口における別の直線的なセクションとから成る外壁断面を備えたディフューザ設計を示している。 British, Canada, June 6-10, 2011, entitled "OPTIMIZATION STRATEGY FOR A COUPLED DESIGN OF THE LAST STAGE AND THE SUCCESIVE DIFFUSER IN A LOW PRESSURE ENVIRONMENT" by Ch.Musch, H, Stuer and G.Hermle In the ASME Turbo Expo proceedings in Vancouver, Colombia, a document published in GT2011, the authors at two angled straight lines followed by arcs and radial exits Fig. 5 shows a diffuser design with an outer wall cross section consisting of another straight section.

米国特許第６６０２０４６号明細書に説明されているように、直線は、壁部からの流れ分離を故意に生じるために、ディフューザの壁部におけるねじれ（kink）の連続として形成することができる。この構成は、ショック境界層脈動が抑制されることを許容する。しかしながら、この手段は、ディフューザ効率の著しい減少に関連させられる。 As described in US Pat. No. 6,602,046, straight lines can be formed as a series of kinks in the diffuser wall to intentionally cause flow separation from the wall. This configuration allows shock boundary layer pulsations to be suppressed. However, this measure is associated with a significant reduction in diffuser efficiency.

米国特許第６６０２０４６号明細書US Pat. No. 6,602,046

"OPTIMIZATION STRATEGY FOR A COUPLED DESIGN OF THE LAST STAGE AND THE SUCCESIVE DIFFUSER IN A LOW PRESSURE ENVIRONMENT""OPTIMIZATION STRATEGY FOR A COUPLED DESIGN OF THE LAST STAGE AND THE SUCCESIVE DIFFUSER IN A LOW PRESSURE ENVIRONMENT"

既存の従来技術を考慮して、既存のディフューザ設計をさらに最適化し、これにより、ターボ機械、特に蒸気被駆動発電プラントの低圧モジュールもしくはタービンの効率を高めることが本発明の目的であると見ることができる。 In view of the existing prior art, the objective of the present invention is to further optimize the existing diffuser design and thereby increase the efficiency of turbomachines, in particular low pressure modules or turbines of steam driven power plants Can do.

本発明の１つの態様によれば、互いに対して角度を成した複数の連続した直線的なセクションを有し、この直線的なセクションの後に、鉛直方向断面として、好適には楕円セグメントであるが円弧を排除する二次曲線を有する湾曲したセクションが続いているような外壁を有するディフューザが提供される。 According to one aspect of the invention, it has a plurality of continuous linear sections that are angled with respect to each other, after which the vertical section is preferably an elliptical segment. A diffuser is provided having an outer wall that is followed by a curved section having a quadratic curve that eliminates an arc.

円を排除する二次曲線は、たとえば、
少なくとも１つの混合された係数が＜＞０（０以上または０以下）である、
（１）ａ₁₁ｘ²＋ａ₁₂ｘｙ＋ａ₂₂ｙ²＋２ａ₁₃ｘ＋２ａ₂₃ｙ＋ａ₃₃＝０
の形式のデカルト座標の代数方程式として説明することができる。 A quadratic curve that eliminates a circle is, for example,
At least one mixed coefficient is ≧ 0 (0 or more or 0 or less),
(1) a ₁₁ x ² + a ₁₂ xy + a ₂₂ y ² + 2a ₁₃ x + 2a ₂₃ y + a ₃₃ = 0
It can be described as an algebraic equation of Cartesian coordinates of the form

楕円形のディフューザリップを用いることにより、空気力学および性能の観点でより優れたディフューザ設計が可能になることが分かった。特に、流入方向で、湾曲したセクションの第１の部分においてより大きな曲率を有し、かつディフューザ出口に向かってより小さな曲率を有することが可能である。さらに、最終段ブレードのチップジェットによりディフューザにおける流れのより大きな回転を第１の角度づけられた直線的なセクションもしくはねじれ（kink）において行うことができるので、ディフューザの誘導角（flare angle）（開放角）および面積比を円弧の場合よりもより一層理想的な値に近づくように最適化することが可能である。 It has been found that the use of an elliptical diffuser lip allows a better diffuser design in terms of aerodynamics and performance. In particular, in the inflow direction, it is possible to have a greater curvature in the first part of the curved section and a smaller curvature towards the diffuser outlet. In addition, the tip jet of the last stage blade allows greater rotation of the flow in the diffuser at the first angled linear section or kink, so that the diffuser's flare angle (open) Corners) and area ratios can be optimized to approach even more ideal values than in the case of arcs.

発明のこれらの態様および別の態様は、以下の詳細な説明および以下に挙げる図面から明らかになるであろう。 These and other aspects of the invention will be apparent from the following detailed description and drawings listed below.

ここで発明の例示的な実施の形態を添付の図面を参照して説明する。 Exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

潜在的な最適化パラメータと共に、公知のような低圧蒸気タービン段用のディフューザの概略的な鉛直方向断面図を示す図である。FIG. 2 shows a schematic vertical cross-section of a diffuser for a low-pressure steam turbine stage, as known, with potential optimization parameters. 図１の公知のディフューザ上に重ね合わされた本発明の一例によるディフューザの概略的な鉛直方向断面図を示す図である。FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view of a diffuser according to an example of the present invention superimposed on the known diffuser of FIG. 公知のディフューザよりも高い、本発明によるディフューザの潜在的な効率ゲインを示す、スライスディフューザリカバリのプロットである。Fig. 5 is a slice diffuser recovery plot showing the potential efficiency gain of a diffuser according to the present invention higher than known diffusers.

本発明の例の態様および詳細は、低圧蒸気タービン用のディフューザの例を用いて以下の説明においてさらに詳細に説明される。 Embodiments and details of examples of the present invention are described in further detail in the following description using an example of a diffuser for a low pressure steam turbine.

図１において、上記で引用したようなＧＴ２０１１出版物において提案されたような低圧蒸気タービン段用のディフューザの概略的な鉛直方向断面が示されている。図面は、実質的に回転対称のディフューザの上半分の断面を示している。図面は、ロータ１０および内側ケーシング１１の一部も示している。ロータとケーシングとの間において、それぞれ一方に、回転ブレードおよびステータブレードが取り付けられている。タービンの最終段は、ケーシング１１に取り付けられたステータブレード１１１の周方向配列と、ロータ１０に取り付けられた回転ブレード１０１の周方向配列とを含む。 FIG. 1 shows a schematic vertical section of a diffuser for a low pressure steam turbine stage as proposed in the GT2011 publication as cited above. The drawing shows a cross section of the upper half of the substantially rotationally symmetric diffuser. The drawing also shows a portion of the rotor 10 and the inner casing 11. Between the rotor and the casing, a rotating blade and a stator blade are respectively attached to one side. The final stage of the turbine includes a circumferential arrangement of stator blades 111 attached to the casing 11 and a circumferential arrangement of rotating blades 101 attached to the rotor 10.

最終段１１１，１０１の後にディフューザ１２が続いている。ディフューザ１２は、ディフューザの内側半径を形成する外壁１２１と、内壁１２２とを有する。外壁１２１と、内壁１２２とは、一緒に、蒸気を凝縮器（図示せず）へ案内する環状導管を形成しており、それぞれ、一緒にディフューザ出口１２３を形成するディフューザリップ１２４まで延びている。図１の拡大された詳細は、ディフューザの外壁１２１の一部を示しており、与えられたタービンおよび蒸気流のためにディフューザを最適化するために用いることができるパラメータを示している。蒸気流の方向に従って、壁部は、長さｌ１の第１の直線部分と、その後に続く、長さｌ２の第２の直線部分とを有する。第２の直線部分は、水平な線、すなわち軸線方向に対して角度δ１を形成している。２つの直線部分の後に、湾曲部分が続いている。湾曲部分は、入口における、水平な線に対する角度δ２と、Ｒの半径と、出口における、水平な線に対する角度δ３とを有する。円弧の後に、出口１２３の方向へ、長さｌ３を備えた別の実質的に直線的なセクションが続いている。前記ＧＴ２０１１参照物に説明されているように、示された全てのパラメータを、最適化されたディフューザ１２を構成するために変化させることができる。 The last stage 111, 101 is followed by a diffuser 12. The diffuser 12 has an outer wall 121 that forms the inner radius of the diffuser, and an inner wall 122. The outer wall 121 and the inner wall 122 together form an annular conduit that guides vapor to a condenser (not shown), each extending to a diffuser lip 124 that together forms a diffuser outlet 123. The enlarged detail of FIG. 1 shows a portion of the diffuser outer wall 121 and shows the parameters that can be used to optimize the diffuser for a given turbine and steam flow. According to the direction of the steam flow, the wall has a first straight part of length l1 followed by a second straight part of length l2. The second straight line portion forms an angle δ1 with respect to a horizontal line, that is, the axial direction. The two straight portions are followed by a curved portion. The curved portion has an angle δ2 with respect to the horizontal line at the entrance, a radius of R, and an angle δ3 with respect to the horizontal line at the exit. The arc is followed by another substantially straight section with a length l3 in the direction of the outlet 123. As described in the GT2011 reference, all of the parameters shown can be varied to construct an optimized diffuser 12.

図２において、発明の一例による修正されたディフューザが、図１のディフューザ（点線１２１で示されている）上に重ね合わされて示されている。新たなディフューザは、より多数の直線部分（３〜４）および直線部分に続くより高次の曲線２１を有する。曲線２１は、実質的に楕円曲線である。 In FIG. 2, a modified diffuser according to an example of the invention is shown superimposed on the diffuser of FIG. 1 (shown by dotted line 121). The new diffuser has a larger number of straight sections (3-4) and a higher order curve 21 following the straight sections. The curve 21 is substantially an elliptic curve.

図２に示したように楕円形２１は、円の曲線１２１（点線）と比較すると、最初または入口においてより大きな曲率を有し、出口１２３に向かって、より平らな部分（小さな曲率）へと拡がっている。同じまたは類似のエレメントを指す場合、図２におけるその他の符号は図１におけるものと同じである。 As shown in FIG. 2, the ellipse 21 has a larger curvature at the beginning or at the entrance, compared to the circular curve 121 (dotted line), and towards the exit 123 to a flatter portion (small curvature). It is spreading. When referring to the same or similar elements, the other symbols in FIG. 2 are the same as in FIG.

図２の２つの設計の効率の比較が、スライスディフューザリカバリを示す図３に示されている。グラフは、ディフューザ入口におけるｍ／ｓにおける軸方向の中間の速度Ｃ_ｚωにわたる、ディフューザ入口（最終段ブレード出口）と、ディフューザ出口（２Ｒ平面）との間のリカバリＣｈｉのプロットである。上側の線は、新たなディフューザのリカバリを示す。このリカバリは、図１に示された公知のディフューザの線よりも、少なくとも３％高い。この比較から、本発明によるハイブリッドディフューザは、ディフューザリカバリを顕著な形式で改良するためのポテンシャルを有する。４つ以上の直線部分を有し、その後に楕円が続いているハイブリッドディフューザは、図１の従来のディフューザよりも優れた改良ポテンシャルを有するものであるとみなすことができる。 A comparison of the efficiency of the two designs of FIG. 2 is shown in FIG. 3, which shows slice diffuser recovery. The graph is a plot of the recovery Chi between the diffuser inlet (last stage blade outlet) and the diffuser outlet (2R plane) over an intermediate axial velocity C _zω in m / s at the diffuser inlet. The upper line shows the recovery of the new diffuser. This recovery is at least 3% higher than the known diffuser line shown in FIG. From this comparison, the hybrid diffuser according to the present invention has the potential to significantly improve diffuser recovery. A hybrid diffuser having four or more straight portions followed by an ellipse can be considered to have an improved potential over the conventional diffuser of FIG.

同様の改良は、あらゆる湾曲部分を省略しながら外壁のための複数の直線部分、たとえば７つ以上の直線部分を使用する設計と新たなディフューザを比較した場合に実証することができる。 Similar improvements can be demonstrated when comparing a new diffuser with a design that uses multiple straight sections for the outer wall, eg, seven or more straight sections, while omitting any curved sections.

より多数の直線部分およびそれぞれの長さおよびそれらの間の角度を備え、その後に、少なくとも１つの混合された係数がゼロではない、
（１）ａ₁₁ｘ²＋ａ₁₂ｘｙ＋ａ₂₂ｙ²＋２ａ₁₃ｘ＋２ａ₂₃ｙ＋ａ₃₃＝０
の一般的形状の曲線が続いているディフューザは、従来技術に従うより制限された設計よりもさらに改良されるより高い潜在性を有する。このような最適化は、ＡＮＳＹＳＣＦＸのような公知のツールのうちのいずれかまたは上記で引用したＧＴ２０１１出版物において記載されたその他の方法を使用して行うことができる。 With a greater number of straight sections and respective lengths and angles between them, after which at least one mixed coefficient is not zero,
(1) a ₁₁ x ² + a ₁₂ xy + a ₂₂ y ² + 2a ₁₃ x + 2a ₂₃ y + a ₃₃ = 0
A diffuser followed by a general shape curve has a higher potential to be further improved over a more limited design according to the prior art. Such optimization can be done using any of the known tools such as ANSYS CFX or other methods described in the GT2011 publication cited above.

本発明は、単に例として上述されており、発明の範囲内で変更することができる。発明は、ここに説明または黙示されたまたは図面に示されたまたは黙示されたあらゆる個々の特徴またはあらゆるこのような特徴のあらゆる組み合わせまたは、その均等物に拡張されるあらゆるこのような特徴または組み合わせのあらゆる一般化をも含んでよい。つまり、本発明の広さおよび範囲は、上記の例示的な実施の形態のいずれによっても制限されるべきではない。 The present invention has been described above purely by way of example and can be varied within the scope of the invention. The invention may be any individual feature or any combination of any such features described or implied herein or shown or implied in the drawings, or any such feature or combination extended to equivalents thereof. Any generalization may be included. In other words, the breadth and scope of the present invention should not be limited by any of the above exemplary embodiments.

図面を含む明細書に開示されたそれぞれの特徴は、そうでないことが明示的に述べられない限り、同じ、均等または類似の目的を果たす択一的な特徴と置き換えられてよい。 Each feature disclosed in the specification, including the drawings, may be replaced with an alternative feature serving the same, equivalent, or similar purpose, unless expressly stated otherwise.

ここで明示的に述べられない限り、明細書を通じた従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が広く知られているまたは当該分野における共通の一般的知識の一部を形成することの認定ではない。 Unless explicitly stated herein, any explanation of prior art throughout the specification shall be recognized that such prior art is widely known or forms part of common general knowledge in the field. is not.

１０ロータ
１１内側ケーシング
１１１ステータブレード
１０１回転ブレード
１２ディフューザ
ｌ１直線部分の長さ
ｌ２直線部分の長さ
ｌ３直線部分の長さ
δ２，δ３角度
Ｒ円弧の半径
１２３出口
１２４リップ
２１曲線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Rotor 11 Inner casing 111 Stator blade 101 Rotating blade 12 Diffuser 11 Length of straight part l2 Length of straight part l3 Length of straight part δ2, δ3 Angle R Radius of arc 123 Exit 124 Lip 21 Curve

Claims

A diffuser (12) following the last stage (101, 111) of a turbine, having an outer wall (121) extending to a diffuser lip (124) forming a diffuser outlet (123), the outer walls (121) being mutually connected a plurality of linear wall portions which are connected in succession at an angle, the wall portion curved after straight line specific wall portion is followed, the curved wall portion, said linear Between the inner wall (3) and the diffuser lip (124) and having a vertical cross-section forming a quadratic curve (21), the curved wall is connected to the diffuser outlet ( 123) A diffuser (12) characterized in that the curvature decreases as it goes to 123).

The diffuser (12) according to claim 1, wherein the quadratic curve (21) is a part (21) of an elliptic curve.

The diffuser (12) according to claim 1, wherein the number of the linear walls (3) is four or more.