DE10037684A1

DE10037684A1 - Niederdruckdampfturbine mit Mehrkanal-Diffusor

Info

Publication number: DE10037684A1
Application number: DE10037684A
Authority: DE
Inventors: Franz Kreitmeier
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2002-02-14
Also published as: EP1178183B1; US6533546B2; EP1178183A3; DE50106175D1; EP1178183A2; JP2002081301A; US20020127100A1; JP4791658B2

Abstract

Eine axial/radialer Dreikanal-Diffusor weist zwei Leitbleche (8, 9) zur Unterteilung des Diffusors in drei Teildiffusoren (10, 11, 12) auf, die so verteilt sind, dass die Flächenverteilung in der Eintrittsfläche des Diffusors auf die drei Teildiffusoren (10, 11, 12) ungleichmäßig ist. Die Leitbleche (8, 9) sind entsprechend dem Totaldruckfeld nach der letzten Laufschaufelreihe (3) ausgerichtet und sind mit einem Mindestabstand von der Hinterkante der letzten Laufschaufelreihe (3) angeordnet. Aufgrund seiner großen Erstreckung im Verhältnis zu den Kanalhöhen der Teildiffusoren (10, 11, 12) bewirkt der Dreikanal-Diffusor eine sanfte Umlenkung der Diffusorströmung. Der erfindungsgemäße Diffusor erbringt einen verbesserten Druckrückgewinn und eine erhöhte Turbinenleistung.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine axial durchströmte Niederdruckdampfturbine mit einem axial/radialen Mehrkanal-Diffusor und Abdampfgehäuse zur verlustarmen Führung des Beschaufelungsabdampfs.

Stand der Technik

Ein Diffusor dieser Art ist in der DE 44 22 700 beschrieben. Der dort offenbarte Diffusor weist im Anschluss an die letzte Laufschaufelreihe einer Niederdruckdampfturbine einen axialen Strömungseintritt und einen radialen Strömungsaustritt auf. Der Diffusor ist im Hinblick auf eine Optimierung der Turbinenleistung durch einen grösstmöglichen Druckrückgewinn ausgelegt. Hierzu sind die ersten Teilstücke des inneren und äusseren Diffusorringes jeweils bezüglich der Nabe beziehungsweise dem Schaufelträger in einem Knickwinkel ausgerichtet. Diese Massnahme dient einer Vergleichmässigung des Totaldruckprofils über der Kanalhöhe des Diffusors im Bereich der letzten Laufschaufelreihe. Weiter weist der Diffusor ein radial nach aussen gekrümmtes Leitblech auf, das ihn in einen inneren und einen äusseren Kanal aufteilt. Im äusseren und inneren Kanal sind dabei Strömungsrippen angeordnet, die radial beziehungsweise diagonal angeströmt werden. Das Leitblech dient der Umlenkung sowie auch der Führung der Abströmung. Die Strömungsrippen bezwecken die Abstützung des Leitblechs und insbesondere eine Reduzierung des Dralls in der Verzögerungszone, wodurch auch sie der Optimierung des Druckrückgewinns beitragen. Realisierte Strömungsrippen können jedoch nur bei einer bestimmten Betriebslast eine optimale Drallreduzierung herbeiführen. Bei einer unterschiedlichen Betriebslast ist die Drallreduzierung nicht unbedingt optimal. Ein Diffusor mit dieser Massnahme erzielt deshalb nur bei einer bestimmten Betriebslast einen optimalen Druckrückgewinn. Ferner sind die Strömungsrippen und ihre Befestigung an den Leitblechen mit einem relativ grossen konstruktiven Aufwand verbunden. Zudem interferiert die supersonische Spaltströmung mit der restlichen, subsonischen Strömung.

In der EP 581 978, insbesondere in der Fig. 4 jener Schrift, ist ein Mehrkanal- Abgasdiffusor für eine axial durchstömte Gasturbine mit axialem Strömungseintritt und radialem Strömungsaustritt offenbart. Dieser Mehrkanal-Diffusor weist entlang seiner Länge drei Zonen auf. Die erste Zone ist in der Art eines Glockendiffusors ausgebildet und erstreckt sich einkanalig von der letzten Laufschaufelreihe bis zur Austrittsebene mehrerer Strömungsrippen. Die Diffusorringe weisen auch hier Knickwinkel auf, die so festgelegt sind, dass eine Homogenisierung des Totaldruckprofils erreicht wird. Die zweite Zone weist stromabwärts von den Strömungsrippen strömungsführende Leitringe auf, welche mehrere Kanäle bilden. Die dritte Zone dient der starken Umlenkung der Abgasströmung in radiale Richtung und mündet anschliessend in den Kamin der Gasturbine. Zu diesem Zweck sind die Leitringe der zweiten Zone über die Länge der dritten Zone weitergeführt, wobei sie dort gekrümmt sind. Die zweite Zone weist geringe Umlenkung, jedoch hohe Diffusorwirkung auf, die dritte Zone grosse Umlenkung, jedoch nur sehr bescheidene Diffusorwirkung auf.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung für eine Niederdruckdampfturbine einen axial/radialen Mehrkanal-Diffusor mit Abdampfgehäuse zu schaffen, der im Vergleich zu den Diffusoren des Standes der Technik einen verbesserten Druckrückgewinn erzielt, wodurch der Wirkungsgrad der Niederdruckdampfturbine erhöht wird. Ferner soll der Mehrkanal-Diffusor für möglichst viele Betriebsbedingungen der Dampfturbine gleichsam optimiert sein und mit einem reduzierten konstruktiven Aufwand verbunden sein. Schliesslich soll das Abdampfgehäuse im Hinblick auf die Turbinenleistung auf den Diffusor abgestimmt sein.

Diese Aufgabe ist durch einen axial/radialen Dreikanal-Diffusor mit Abdampfgehäuse gemäss Anspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemässe Dreikanal- Diffusor weist drei Teildiffusoren auf, einen inneren, mittleren und äusseren Teildiffusor, die durch einen inneren Diffusorring, einen äusseren Diffusorring und zwei zwischen den Diffusorringen angeordneten Leitbleche gebildet sind. Ein erstes Teilstück des inneren Diffusorrings ist dabei bezüglich der Nabe in einem nach innen, zur Rotorachse hin gerichteten Knickwinkel und ein erstes Teilstück des äusseren Diffusorrings ist in einem bezüglich dem Schaufelkanal auf der Höhe der letzten Laufschaufelreihe nach aussen, von der Rotorachse weg gerichteten Knickwinkel angeordnet.

In dem erfindungsgemässen axial/radialen Dreikanal-Diffusor erstrecken sich insbesondere die zwei Leitbleche mindestens über die gesamte Länge des Diffusors. Sie sind zwischen dem inneren und äusseren Diffusorring ungleichmässig verteilt, sodass die Flächenverteilung auf die drei Teildiffusoren in der Eintrittsfläche des Diffusors ungleichmässig ist. Dabei entfällt in der Eintrittsebene der Grossteil der Eintrittsfläche auf den inneren und mittleren Teildiffusor und ein Kleinteil der Eintrittsfläche auf den äusseren Teildiffusor. Weiter bilden die Anfangstangenten der beiden Leitbleche zusammen mit den geradlinig approximierten nabenseitigen und gehäuseseitigen Grenzen des Beschaufelungskanals über der Endstufe der Niederdruckdampfturbine einen gemeinsamen Schnittpunkt in der Meridianebene. Schliesslich sind die Leitbleche möglichst nahe der letzten Laufschaufelreihe angeordnet, wobei der Abstand zwischen der letzten Laufschaufelreihe und den Vorderkanten der Leitbleche durch den für alle Betriebsbedingungen zulässigen Mindestabstand bestimmt ist. Hiermit sind die Merkmale des Diffusors in seiner Interaktionszone mit der letzten Stufe dargelegt.

Die Diffusionszone des Diffusors ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet. Das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche der einzelnen Teildiffusoren ist grösser zwei für den mittleren Teildiffusor und grösser drei für den äusseren Teildiffusor. Für den inneren Teildiffusor ist das entsprechende Flächenverhältnis zumindest in der unteren Hälfte des Diffusors grösser zwei.

Weiter ist für jeden Teildiffusor, zumindest in der unteren Hälfte des Diffusors, das Verhältnis seiner Länge zu seiner Kanalhöhe in der Eintrittsfläche mindestens gleich drei. Aufgrund dieser relativ grossen Längen-zu-Kanalhöhen-Verhältnisse sind die Umlenkungen der Teildiffusoren entsprechend relativ sachte.

Das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche des gesamten Diffusors beträgt circa 1.9.

Schliesslich ist der erfindungsgemässe Diffusor in seiner Abströmzone bezüglich einem Abdampfgehäuse so ausgelegt, dass die Grösse der Austrittsflächen der Teildiffusoren auf die Grösse der Fläche der Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte des Abdampfgehäuses abgestimmt ist.

Die zwei Leitbleche dienen der Trennung des Diffusorkanals in drei Teildiffusoren, in denen die Beschaufelungsabströmung geführt wird. Die bewirkte Strömungsführung ist dabei je besser je mehr Teildiffusoren vorhanden sind. Hingegen entstehen mehr Reibungsverluste und höhere Versperrungen je mehr Leitbleche angeordnet sind. Die hier gewählte Anzahl, drei Teildiffusoren und zwei Leitbleche, hat den Vorteil, dass eine optimierte Strömungsführung bei vertretbaren Reibungsverlusten an den Oberflächen der Leitbleche sowie Versperrungen bewirkt wird.

Die Leitbleche und Teildiffusoren bewirken eine Führung und Stabilisierung der Beschaufelungsabströmung sowie eine Umlenkung in eine radiale Richtung. Da die Leitbleche sich über die gesamte Länge des Diffusors erstrecken, wird diese Führung weiter unterstützt.

Die radiale Erstreckung der Teildiffusoren dient weiter der Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit auf natürliche Weise. Die Teildiffusoren sind dadurch für alle Betriebsbedingungen bezüglich der Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit optimal. Ferner ist der konstruktive Aufwand für die Leitbleche relativ klein und für die Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit sind keine weiteren konstruktiven Massnahmen wie Umlenkungs- und Strömungsrippen notwendig.

Die Strömungsführung und -stabilisierung wird weiter insbesondere durch die Verteilung der Diffusoreintrittsfläche auf die drei Teildiffusoren herbeigeführt. Ein Grossteil der Eintrittsfläche entfällt auf den inneren und mittleren Kanal, wodurch der Grossteil der Strömung von der Beschaufelung zum Abdampfgehäuse geführt wird. Der Kleinteil der Eintrittsfläche entfällt auf den äusseren Kanal, durch den die supersonische Spaltströmung sowie die von der Spaltströmung beeinflusste Strömung aus der Turbine aufgenommen wird und meridional umgelenkt und vom Grossteil der Strömung abgeschirmt zum Abdampfgehäuse geführt wird. Durch diese Abschirmung werden Strömungsinterferenzen zwischen dem Grossteil der Strömung und der hochenergetischen Spaltströmung vermieden, welche die Diffusorwirkung beeinträchtigen würden.

Der minimale Abstand zwischen der letzten Schaufelreihe und den Vorderkanten der Leitbleche trägt weiter zur optimalen Abschirmung der Spaltströmung zur Vermeidung von Strömungsinterferenzen und Stromlinienkonvergenzen bei. Das Verhältnis von Länge zu Kanalhöhe jedes Teildiffusors von drei und mehr ermöglicht eine sachte Umlenkung von der axialen, oder diagonalen, zur radialen Strömungsrichtung, was die Ablösung der verzögerten Strömung, selbst bei einem Verhältnis der Austrittsfläche zu Eintrittsfläche von zwei, verhindert.

Die Führung und Stabilisierung der Beschaufelungsabströmung durch die drei Teildiffusoren, die Abschirmung der hochenergetischen Spaltströmung sowie die sachte Umlenkung aufgrund der Länge der Kanäle im Verhältnis zu ihren Kanalhöhen bewirken insgesamt eine Vergleichmässigung und Absenkung des Totaldruckprofils auf der Höhe der letzten Laufschaufelreihe. Die dadurch bewirkte Mehrleistung führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Niederdruckdampfturbine.

Die Auslegung des erfindungsgemässen Diffusors basiert auf einem inversen Designverfahren, bei dem zunächst die vorherrschenden Strömungsfelder ermittelt werden. Daran anschliessend werden daraus die jeweils idealen Strömungsfelder errechnet und die Geometrie des Diffusors aufgrund dieser idealen Strömungsfelder bestimmt wird. Insbesondere wurde dieser Dreikanal- Diffusor bei Grenzlastbedingungen ausgelegt. Bei Grenzlast wurde ein Strömungsfeld ermittelt, für das ein Dreikanal-Diffusor mit einer Ausrichtung der Anfangstangente seiner Leitbleche gemäss der Erfindung den höchsten Druckrückgewinn erzielt. Durch experimentelle Beweisführung ist die aus dieser Auslegung resultierende Geometrie im gesamten Betriebsbereich der Turbine den Diffusoren des Standes der Technik überlegen. Diese Auslegung erbringt ferner den Vorteil, dass eine höhere Turbinenleistung bei einem gleichem Kondensatordruck erzielt wird oder dass die gleiche Turbinenleistung bei höherem Kondensatordruck erzielt wird und dadurch ein kleineres, preisgünstigeres Kühlsystem für die Dampfturbine erforderlich ist.

In besonderen Ausführungen der Erfindung sind nachfolgend weitere besondere Merkmale der Interaktionszone des Diffusors offenbart.

In einer ersten besonderen Ausführung der Erfindung liegen die Anfangstangenten der Leitbleche in einem Winkelbereich um die ersten Knickpunkte der Leitbleche und um eine Referenzanfangstangente, die durch jeweils durch den ersten Knickpunkt des Leitblechs und durch den Schnittpunkt der geradlinigen approximierten Grenzen des Schaufelkanals führen.

In einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung entfällt auf den äusseren Teildiffusor ein Anteil der gesamten Strömungseintrittsfläche des Diffusors im Bereich von 10-12%. Die restliche Eintrittsfläche ist zu 55-60% auf den inneren Teildiffusor und zu 30-35% auf den mittleren Teildiffusor verteilt.

In einer weiteren Ausführung beträgt der Abstand zwischen den Vorderkanten der Leitbleche und der Hinterkante der letzten Laufschaufel 4% der gesamten Höhe der Laufreihe.

In einer weiteren Ausführung sind die Vorderkanten der Leitbleche am Strömungseintritt des Diffusors profiliert ausgebildet, wodurch eine sanfte Beschleunigung beim Eintritt in die Teildiffusoren bewirkt wird.

In weiteren Ausführungen zeichnet sich die Diffusionszone des Diffusors wie folgt aus.

Die Leitbleche sind jeweils durch Streben oder Stützen getragen, die sich vom inneren und äusseren Diffusorring zu den beiden Leitblechen erstrecken. Der mittlere Teildiffusor bleibt dabei frei von Stützen und weist dadurch minimale Strömungsstörungen und Verluste auf.

In einer weiteren, besonderen Ausführung der Abdampfzone des Diffusors erstreckt sich das Leitblech zwischen dem inneren und mittleren Teildiffusor über das Ende des inneren Teildiffusors hinaus. Dieses verlängerte Leitblech bewirkt eine bessere Strömungsverteilung im Abdampfgehäuse, wodurch die Strömungsverluste minimiert sowie der Kondensator gleichmässiger beaufschlagt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt eines erfindungsgemässen Diffusors,

Fig. 1a ein Detail der zylinderseitigen lnteraktionszone des Diffusors,

Fig. 1b ein Detail der nabenseitigen lnteraktionszone des Diffusors,

Fig. 2 ein Detail der profilierten Vorderkanten der Leitbleche am Diffusoreintritt,

Fig. 3 ein Querschnitt durch ein Abdampfgehäuse,

Fig. 4 eine Sicht auf die Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte des Diffusors.

Weg der Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Dreikanal-Diffusor als Teil einer Niederdruckdampfturbine. Er führt die Beschaufelungsabströmung in ein Abdampfgehäuse 20. Von der Niederdruckdampfturbine ist der Rotor 1 mit Rotorachse 2 und eine Laufschaufel 3 der letzten Laufschaufelreihe gezeigt. Der Dreikanal-Diffusor ist von einem inneren Diffusorring 4 und einem äusseren Diffusorring 5 begrenzt. Der äussere Diffusorring 4 ist mit dem Schaufelträger 7 verbunden. Der innere und äussere Diffusorring 4 und 5 weisen im Bereich der Hinterkante der Laufschaufel 3 Knickwinkel θ_N beziehungsweise θ_Z auf, wobei, wie in den Fig. 1a und 1b dargestellt, der Winkel θ_N durch das erste Teilstück 4' des inneren Diffusorrings 4 und einer Verlängerung der Nabe 6 und der Winkel θ_Z durch die Verlängerung des letzten Teilstückes 7' des Schaufelträgers 7 und dem ersten Teilstück 5' des äusseren Diffusorrings 5 gebildet werden. Diese Knickwinkel betragen beispielsweise 10-20° und tragen dazu bei, dass ein möglichst homogenes Totaldruckprofil am Austritt der letzten Laufschaufelreihe erzielt wird.

Der Diffusor weist in seinem Innern zwei Leitbleche 8 und 9 auf, die den Diffusor in drei Teilkanäle, einen inneren Teildiffusor 10, einen mittleren Teildiffusor 11 und einen äusseren Teildiffusor 12 aufteilen. Die Leitbleche sind dabei durch Stützen 13 getragen, die sich von dem inneren und äusseren Diffusorring 4 und 5 zu den Leitblechen erstrecken. Aus Festigkeitsgründen sind die in Strömungsrichtung ersten Stützen 13 dicker als die zweiten Stützen und jeweils mit rundem Querschnitt ausgebildet. Der mittlere Teildiffusor 10 ist insbesondere frei von Stützen.

Die Leitbleche sind über der Kanalhöhe des Diffusors mit Rücksicht auf das Totaldruckprofil so verteilt, dass eine strömungsmechanisch optimale Flächenverteilung auf die drei Teilkanäle erzielt wird. Das erste Leitblech 8 ist so angeordnet, dass der innere Teildiffusor 10 eine Strömungseintrittsfläche besitzt, die beispielsweise circa 60% der Strömungseintrittsfläche des gesamten Diffusors ist. Das zweite Leitblech 9 ist weiter so angeordnet, dass der mittlere Teildiffusor 11 beispielsweise eine Strömungseintrittsfläche von circa 30% der gesamten Strömungseintrittsfläche besitzt. Hierdurch entfällt der Grossteil der Gesamteintrittsfläche auf die beiden ersten Kanäle 10 und 11. Der äussere Teildiffusor 12 besitzt hingegen eine Strömungseintrittsfläche von beispielsweise circa 10% der gesamten Strömungseintrittsfläche.

Die Diffusoraustrittsfläche ist so ausgelegt, dass das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche des gesamten Diffusors circa 1.9 beträgt. Die Flächenverhältnisse von Austrittsfläche zu Eintrittsfläche beträgt für den inneren Teildiffusor 10 beispielsweise circa 1.3 in der oberen Hälfte, wobei die Austrittsfläche für die obere Hälfte mit S12 bezeichnet ist. In der unteren Hälfte des Diffusors beträgt dies Flächenverhältnis circa 2.2, wobei die Austrittsfläche für die untere Hälfte mit S13 bezeichnet ist. Für den mittleren Teildiffusor 11 beträgt das Flächenverhältnis der Fläche S22 zur Fläche S21 circa 2.1. Für den äusseren Teildiffusor beträgt das entsprechende Flächenverhältnis von S32 zu S31 circa 3.4. Solche Flächenverhältnisse sind die Voraussetzung dafür, dass der Wirkungsgrad der Turbine wesentlich gesteigert werden kann.

Der Diffusor ist im Hinblick auf eine sanfte Führung der Strömung mit einer geringen Krümmung im Verhältnis zur Kanalhöhe ausgelegt. Die drei Teildiffusoren weisen hierzu ein grosses Längen-zu-Kanalhöhen-Verhältnis. Dies ist für den inneren Teildiffusor 10 beispielsweise grösser drei in der unteren Hälfte des Diffusors. Für den mittleren und äusseren Teildiffusor 11 und 12 sind die Verhältnisse im gezeigten Beispiel grösser vier beziehungsweise grösser zehn. Der innere und äussere Diffusorring sowie die beiden Leitbleche weisen in ihrem Querschnitt aus fertigungstechnischen Gründen mehrere gerade Teilstücke auf, die aufgrund der grossen Längen-zu-Kanalhöheverhältnisse in sanften Neigungswinkeln zueinander stehen. Diese sanften Neigungswinkel ermöglichen eine verbesserte Führung der Beschaufelungsabströmung. Es werden dadurch insbesondere Strömungsinterferenzen und Strömungsablösungen vermieden. Durch die verhältnismässig grosse radiale Erstreckung des Diffusors und der Teildiffusoren wird auch ein natürlicher Abbau der Tangentialgeschwindigkeiten ohne die Hilfe von zusätzlichen Strömungsrippen oder anderen Massnahmen zur Verminderungen der Tangentialgeschwindigkeiten erzielt.

Die drei Teildiffusoren weisen aufgrund ihrer radialen Erstreckung eine sanfte Umlenkung auf. Die Gesamtumlenkung jedes Teildiffusors ist durch die Winkel θ₁, θ₂ und θ₃ in der Mittellinie 15 der einzelnen Teildiffusoren 10, 11 beziehungsweise 12 bezeichnet. Diese Winkel betragen beispielsweise circa 90°, 36°, beziehungsweise 47°.

Die Leitbleche 8 und 9 sind näherungsweise so ausgebildet, dass die Verlängerung ihrer Anfangstangenten den Schnittpunkt A bilden. Dabei verläuft auch die geradlinig approximierte nabenseitige und gehäuseseitige Grenze des Schaufelkanals durch diesen Schnittpunkt A. Die Anfangstangenten der Leitbleche 8 und 9 sind bezüglich der Rotorachse 2 in Winkeln ε₁ beziehungsweise ε₂ ausgerichtet. Diese geometrische Auslegung der Leitbleche in Bezug auf die Grenzen des Beschaufelungskanals gilt auch für weitere Gehäusekonturen und Schaufeltypen, wie zum Beispiel für vollständig konisch geradlinige Gehäusekonturen, für Gehäusekonturen, bei denen das Teilstück über der letzten Laufschaufelreihe zylindrisch oder nahezu zylindrisch verläuft. Weiter ist diese Geometrie nicht nur bei Laufschaufeln mit Spitzendichtung sondern auch bei Laufschaufeln mit Deckbändern anwendbar. In diesem Fall verläuft die gehäuseseitige Grenze des Schaufelkanals durch den Schnittpunkt von Hinterkante der letzten Laufschaufel und dem Deckband.

In einer realen Auslegung der Erfindung liegen die Anfangstangenten der Leitbleche 8, 9 in einem Winkelbereich um die ersten Schnittpunkte B und C der Leitbleche 8 beziehungsweise 9 und um die Referenztangenten, die durch die Schnittpunkte B beziehungsweise C und durch den Schnittpunkt A führen.

Die Diffusorringe 4 und 5 und Leitbleche 8 und 9 bestehen im gezeigten Beispiel aus mehreren geraden Teilstücke, die in kleinen Neigungswinkeln zueinander stehend zusammengefügt sind. Anstelle von Teilstücken sind auch kontinuierlich gekrümmte Leitbleche und Diffusorringe realisierbar.

Die Teildiffusoren 10 und 11 sind so angeordnet, dass ein Hauptteil der Strömung von der Beschaufelung durch diese beiden Teildiffusoren in das Abdampfgehäuse 20 abströmt. Dabei ist eine stabile Führung des Hauptteils der Strömung im Bereich des mittleren Teildiffusors aufgrund der dort vorherrschenden Machzahlen auf Versperrungen am empfindlichsten. Der von Stützen freie mittlere Teildiffusor 11 führt dadurch jenen Teil der Hauptströmung ohne weitere Störungen. Die hochenergetische, supersonische Spaltströmung aus der letzten Laufschaufelreihe hingegen gelangt in den äusseren Teildiffusor 12, wobei dessen Kanalhöhe in Relation zur vorherrschenden Spaltströmung bestimmt ist. Die Spaltströmung wird durch den äusseren Teildiffusor 12 separat vom Hauptteil der Strömung in das Abdampfgehäuse 20 geführt.

Die grossen Längen-zu-Kanalhöhen-Verhältnis bewirken eine Stabilisierung der Diffusorströmung und eine Homogenisierung sowie Absenkung des Totaldruckprofils auf der Höhe der letzten Laufschaufelreihe. Dadurch wird der Druckrückgewinn des Diffusors erhöht und eine Wirkungsgradsteigerung der ganzen Niederdruckdampfturbine erreicht.

Die Leitbleche 8 und 9 erstrecken sich am Eintritt zum Diffusor bis nahe an die Laufschaufelreihe. Sie sind vorzugsweise so nahe angeordnet, wie es die axialen, thermischen Bewegungen der Laufschaufelreihe sowie einen für die verschiedenen Betriebsbedingungen notwendigen Sicherheitsabstand erlauben ohne dass ein Anstreifen verursacht wird. Beispielsweise beträgt der Abstand a zwischen den Vorderkanten der Leitbleche 8 und 9 und der Hinterkante der letzten Laufschaufeln 3 4% der Gesamthöhe h_W der letzten Laufschaufelreihe. Ferner sind die Vorderkanten der Leitbleche 8 und 9 profiliert ausgebildet, um einen sanften Strömungseintritt mit möglichst geringen Übergeschwindigkeiten in die Teildiffusoren zu ermöglichen. Die Vorderkanten sind beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, sanft zugespitzt geformt, beispielsweise gemäss der Form NACA 65, wobei die Profilierungslänge e das dreifache der Dicke δ beträgt. Weiter sind die Leitbleche möglichst dünn ausgebildet, sodass die Machzahlen möglichst geringfügig steigen. Hierfür beträgt ihre Dicke beispielsweise circa 5% der Kanalhöhe des mittleren Teildiffusors 11.

Der möglichst geringe Abstand der Vorderkanten der Leitbleche 8 und 9 von der Laufschaufelreihe 3 und die sanfte Profilierung der Vorderkanten tragen massgebend zur Erhöhung des Druckrückgewinns bei. Sind Leitbleche weiter entfernt angeordnet, können sich Schallfelder und Strömungsinterferenzen ergeben, welche einen Druckrückgewinn in diesem Bereich verunmöglichen würden.

Das Leitblech 8 zwischen dem inneren und mittleren Teildiffusor ist in der gezeigten Ausführung durch das Teilstück 8' radial länger ausgebildet. Diese Verlängerung bewirkt eine Verbesserung der Strömung im Abdampfgehäuse 20 und eine Vergleichmässigung der Strömung im Kondensator. Der Beschaufelungsdampf wird durch den Dreikanal-Diffusor in das Abdampfgehäuse geführt 20, das am Kondensator angeschlossen ist. Um den gesamten Druckrückgewinn weiter zu optimieren, ist die Geometrie des Abdampfgehäuses der Diffusorgeoemtrie angepasst.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Abdampfgehäuse 20 mit einer oberen Hälfte 21 und einer unteren Hälfte 22, die durch eine Trennebene 23 voneinander getrennt sind. Der Turbinendampf, der durch die Austrittsfläche der oberen Hälfte des Diffusors in die obere Hälfte 21 des Abdampfgehäuses 20 gelangt, strömt sodann hinab durch die Trennebene 23 in die untere Hälfte 22 und von dort durch die Austrittsfläche 24 des Abdampfgehäuses in den dort angeschlossenen Kondensator.

Das Abdampfgehäuse ist in Abstimmung mit dem Diffusor so ausgelegt, dass die die Austrittsfläche 24 des Abdampfgehäuses 20 etwa 15% grösser als die Gesamtaustrittsfläche des Diffusors ist.

Gemäss Fig. 4 ist die Summe der Austrittsflächen der Teildiffusoren 11 und 12 der oberen Hälfte des Diffusors insbesondere ungefähr gleich der Fläche in der Trennebene 23, welche zwischen dem Abdampfgehäuse und der Verlängerung des Leitblechs 8 gebildet wird und mit durchgezogenen Linien schraffiert ist. Dies bedeutet, dass ein Viertel der Summe der Austrittsflächen S22 und S32 der Teildiffusoren 11 beziehungsweise 12 über die gesamte Rotation des Diffusors gleich der schraffierten Trennebenenfläche 25 ist. Ferner ist ein Viertel der Austrittsfläche S12 des inneren Teildiffusors 10 über die gesamte Rotation des Diffusors gleich der mit gestrichelten Linien schraffierten Fläche 26. Die Angleichung dieser Flächen bewirkt, dass die Diffusorabströmung der Teildiffusoren 11 und 12 keinen Engpass erfährt. Dies wirkt sich wiederum positiv auf den Druckrückgewinn aus.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Rotorachse

3

Laufschaufel

4

,

4

' innerer Diffusorring, erstes Teilstück des inneren Diffusorrings

5

äusserer Diffusorring

5

' erstes Teilstück des äusseren Diffusorrings

6

Nabe

7

Schaufelträger

7

' letztes Teilstück des Schaufelträgers

8

erstes Leitblech

9

zweites Leitblech

10

innerer Teildiffusor

11

mittlerer Teildiffusor

12

äusserer Teildiffusor

13

Stützen oder Streben

15

geometrische Mittellinie der Teildiffusoren
ε₁

, ε₂

Neigungswinkel der Anfangstangente Leitbleche bezüglich Rotorachse
θ₁

, θ₂

, θ₃

Umlenkungswinkel der Teildiffusoren
θ_N

Knickwinkel des inneren Diffusorrings
θ_Z

Knickwinkel des äusseren Diffusorrings
a Abstand Laufschaufel-Vorderkante Leitblech
h_w

Länge der letzten Laufschaufelreihe
e Profilierungslänge der Leitblechvorderkanten
δ Dicke der Leitbleche

20

Abdampfgehäuse

21

obere Hälfte

22

untere Hälfte

23

Trennebene

24

Austrittsfläche aus dem Abdampfgehäuse

25

Teilfläche der Trennebene für Teildiffusoren

11

und

12

26

Teilfläche der Trennebene für Teildiffusor

10

Claims

1. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor für Niederdruckdampfturbine, welcher den Beschaufelungsabdampf in ein Abdampfgehäuse (20) führt, mit einem inneren Diffusorring (4), einem äusseren Diffusorring (5) und zwei Leitblechen (8, 9), welche den Diffusor in drei Teildiffusoren, einen inneren Teildiffusor (10), einen mittleren Teildiffusor (11) und einen äusseren Teildiffusor (12) aufteilen, wobei der innere Diffusorring (4) bezüglich der Nabe der Niederdruckdampfturbine in einem Knickwinkel (θ_N) und der äussere Diffusorring (5) bezüglich dem letzten Teilstück (7') des Schaufelträgers (7) der Niederdruckdampfturbine in einem Knickwinkel (θ_Z) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei Leitbleche (8, 9) sich mindestens über die gesamte Länge des Diffusors erstrecken,
und die zwei Leitbleche (8, 9) zwischen dem inneren Diffusorring (4) und dem äusseren Diffusorring (5) so verteilt sind, dass die Flächenverteilung auf die drei Teildiffusoren (10, 11, 12) in der Eintrittsfläche ungleichmässig ist,
wobei ein Grossteil der Strömungseintrittsfläche des gesamten Diffusors auf den inneren und mittleren Teildiffusor (10, 11) entfällt und ein Kleinteil der Strömungseintrittsfläche des gesamten Diffusors auf den äusseren Teildiffusor (12) entfällt,
und die Anfangstangenten der Leitbleche (8, 9) zusammen mit den geradlinig approximierten nabenseitigen und gehäuseseitigen Grenzen des Schaufelkanals der letzten Stufe einen gemeinsamen Schnittpunkt (A) bilden und die Leitbleche (8, 9) möglichst nahe der Hinterkante der letzten Laufschaufelreihe (3) angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der letzten Laufschaufelreihe (3) und den Vorderkanten der Leitbleche (8, 9) durch einen für alle Betriebsbedingungen zulässigen Mindestabstand bestimmt ist.

2. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche des mittleren und äusseren Teildiffusors (11, 12) mindestens zwei und das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche des inneren Teildiffusors (10) zumindest in der unteren Hälfte des Diffusors mindestens zwei beträgt.

3. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Teildiffusor (10, 11, 12) zumindest in der unteren Hälfte des Diffusors das Verhältnis seiner Länge zu seiner Kanalhöhe in der Eintrittsebene mindestens gleich drei ist.

4. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamtaustrittsfläche zur Gesamteintrittsfläche des Dreikanal- Diffusors circa 1.9 beträgt.

5. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsflächen der Teildiffusoren (10, 11, 12) auf die Grösse der Austrittsfläche des Abdampfgehäuses (20) abgestimmt sind.

6. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (S11) des inneren Teildiffusors (10) 55-60%, die Eintrittsfläche (S21) des mittleren Teildiffusors (11) 30-35% und die Eintrittsfläche (S31) des äusseren Teildiffusors (12) 10-12% der Gesamteintrittsfläche des Diffusors beträgt.

7. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangstangenten der Leitbleche (8, 9) jeweils in einem Winkelbereich um die ersten Knickpunkte (B, C) der Leitbleche (8, 9) und um eine Referenzanfangstangente liegen, die durch die ersten Knickpunkte (B, C) und durch den Schnittpunkt (A) der geradlinig approximierten naben- und gehäuseseitigen Grenzen des Schaufelkanals der Endstufe führen.

8. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Vorderkanten der Leitbleche (8, 9) und der Hinterkante der letzten Laufschaufel circa 4% der gesamten Höhe der Laufreihe beträgt.

9. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten der Leitbleche (8, 9) profiliert ausgebildet sind.

10. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (8, 9) durch Stützen getragen sind, die sich vom inneren Diffusorring (4) und äusseren Diffusorring (5) zu den Leitblechen (8, 9) erstrecken und stromabwärts einen zunehmenden Durchmesser aufweisen, und der mittlere Teildiffusor (11) frei von Stützen ist.

11. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (8), das zwischen dem inneren Teildiffusor (10) und dem mittleren Teildiffusor (11) angeordnet ist, radial über das Ende des inneren Teildiffusors (10) hinausragt.

12. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (8, 9) eine Dicke aufweisen, die circa 5% der Kanalhöhe des mittleren Teildiffusors (11) beträgt.

13. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtaustrittsfläche des Dreikanal-Diffusors etwa 15% kleiner ist als die Austrittsfläche (24) des Abdampfgehäuses (20).

14. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Austrittsfläche des mittleren Teildiffusors (11) und der Austrittsfläche des äusseren Teildiffusors (12) ungefähr gleich jener Fläche (25) in der Trennebene (23) zwischen der oberen und unteren Hälfte des Diffusors ist, welche zwischen dem Abdampfgehäuse (20) und der Verlängerung (8') des Leitblechs (8) zwischen dem inneren Teildiffusor (10) und mittleren Teildiffusor (11) gebildet wird.