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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Dampfturbinentechnologie und speziell einen Niederdruckdampfturbinenabgasdiffusor, der einen axialen Strom in einen radialen Strom überführt.
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Ein Dampfturbinenniederdruck-(LP)-Abschnitt weist gewöhnlich einen Einlassbereich, mehrere Turbinenstufen und einen Abgasdiffusor bzw. eine Abdampfhaube auf. Der Abgasdiffusor ist häufig an der letzten Reihe rotierender Schaufeln befestigt und einstückig mit einem axialen Strömungseinlass und einem radialen Strömungsauslass ausgebildet. Eine der Hauptaufgaben der Abdampfhaube basiert darauf, statischen Druck wiederaufzubauen und den Abgasmassenstrom aus der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe in den Kondensator zu leiten. Eine Strömungsdiffusion findet in dem durch den Dampfführungs- und Lagerkonus gebildeten Anfangsabschnitt des Niederdruckdiffusors statt, während die übrigen Niederdruckhaubenmerkmale den Gasstrom in einer Kammer sammeln und ihn dem Kondensator zuführen. Diffusoren sind gewöhnlich hinsichtlich einer Optimierung der Turbinenleistung konstruiert, die mit Blick auf eine maximal mögliche Wiederherstellung des statischen Drucks gemessen werden kann.
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Die Erholung des statischen Drucks des Niederdruckabgasdiffusors hängt von dem Flächenverhältnis, das durch die Profile des Dampfführungs- und Lagerkonus gebildet wird, und von dem Auslassprofil der Schaufel der letzten Stufe ab. Allgemein sind Lagerkonusprofile an dem Diffusoreinlass benachbart zu der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe mit negativen oder positiven Winkeln von 10–20 Grad in Bezug auf die Horizontale (bzw. auf die Turbinenlaufradachse) konstruiert. Diese herkömmliche Lagerkonuskonstruktion bildet allerdings in nächster Nähe der Schaufeln der letzten Stufe eine scharfe Ecke, was einen größeren Druckgradienten von der inneren Schaufelnabe hin zu der radial äußeren Spitze hervorruft. Dieser größere statische Druckgradient beeinträchtigt den Wirkungsgrad der letzten Stufe sowie die Erholung des statischen Druck des Diffusors.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einem ersten exemplarischen, jedoch nicht als beschränkend zu bewertenden Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung einen Diffusor für ein Abdampfgehäuse, das benachbart zu der letzten Stufe einer Reihe von Schaufeln angeordnet ist, die an einem Laufrad befestigt sind, wobei jede Schaufel in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe einen Plattformabschnitt und einen Blattabschnitt aufweist, wobei zu dem Diffusor gehören: ein ringförmiger innerer Diffusorring und ein äußerer ringförmiger Diffusorring, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe an einem Diffusoreinlass im Wesentlichen in radialer Richtung verlässt und mit einer Richtungsänderung von im Wesentlichen neunzig Grad zu einem Diffusorauslass strömt; ein erster Abschnitt des inneren Kreisrings, der sich in einer stromabwärts verlaufenden Richtung über die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe hinaus im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Laufrads erstreckt, wobei der erste Abschnitt ausgehend von einer radialen Mittellinie jener Reihe von Schaufeln der letzten Stufe in der stromabwärts verlaufenden Richtung eine Längenabmessung aufweist, die etwa gleich dem 0,40- bis 0,70-fachen einer radialen Länge der Mittellinie von dem Plattformabschnitt zu einer radial äußeren Spitze jeder Schaufel in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe ist.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Diffusor für ein Abdampfgehäuse, das benachbart zu der letzten Stufe einer Reihe von Schaufeln angeordnet ist, die an einem Laufrad befestigt sind, wobei jede Schaufel in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe einen Plattformabschnitt und einen Blattabschnitt aufweist, wobei zu dem Diffusor gehören: ein ringförmiger innerer Diffusorring und ein äußerer ringförmiger Diffusorring, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe an einem Diffusoreinlass im Wesentlichen in radialer Richtung verlässt und mit einer Richtungsänderung von im Wesentlichen neunzig Grad zu einem Diffusorauslass strömt; ein erster Abschnitt des inneren Kreisrings, der sich über die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe hinaus im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Laufrads in eine stromabwärts verlaufende Richtung erstreckt; wobei der erste Abschnitt des inneren Kreisrings ausgehend von einer Mittellinie jener Reihe von Schaufeln der letzten Stufe in der stromabwärts verlaufenden Richtung eine Längenabmessung aufweist, die etwa gleich dem 0,60-fachen einer radialen Länge der Mittellinie von einem Plattformabschnitt zu einer radial äußeren Spitze jeder der Schaufeln in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe ist.
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In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Diffusor für ein Abdampfgehäuse, das benachbart zu der letzten Stufe einer Reihe von Schaufeln angeordnet ist, die an einem Laufrad befestigt sind, wobei jede Schaufel in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe einen Plattformabschnitt und einen Blattabschnitt aufweist, wobei zu dem Diffusor gehören: ein ringförmiger innerer Diffusorring und ein äußerer ringförmiger Diffusorring, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe an einem Diffusoreinlass im Wesentlichen in radialer Richtung verlässt und mit einer Richtungsänderung von im Wesentlichen neunzig Grad zu einem Diffusorauslass strömt; ein erster Abschnitt des inneren Kreisrings, der sich über die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe hinaus in eine stromabwärts verlaufende Richtung im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Laufrads erstreckt; wobei der erste Abschnitt des inneren Kreisrings ausgehend von einer Mittellinie jener Reihe von Schaufeln der letzten Stufe in der stromabwärts verlaufenden Richtung eine Längenabmessung aufweist, die gleich dem 0,40- bis 0,70-fachen einer radialen Länge der Mittellinie von einem Plattformabschnitt zu einer radial äußeren Spitze jeder der Schaufeln in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe ist, die einen Plattformabschnitt und einen Blattabschnitt aufweisen, wobei zu dem Diffusor gehören: ein ringförmiger innerer Diffusorring und ein äußerer ringförmiger Diffusorring, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe an einem Diffusoreinlass im Wesentlichen in radialer Richtung verlässt und mit einer Richtungsänderung im Wesentlichen rechtwinklig zu einem Diffusorauslass strömt; ein erster Abschnitt des inneren Kreisrings, der sich über die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe hinaus im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Laufrads in eine stromabwärts verlaufende Richtung erstreckt; wobei der erste Abschnitt des inneren Kreisrings in der stromabwärts verlaufenden Richtung ausgehend von einer Mittellinie jener Reihe von Schaufeln der letzten Stufe eine Längenabmessung aufweist, die etwa zwischen dem 0,40-fachen und dem 0,60-fachen einer radialen Länge der Mittellinie ausgehend von einem Plattformabschnitt zu einer radial äußeren Spitze von jeder der Schaufeln in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe liegt, wobei die Länge der Mittellinie in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 70 Zoll liegt, und ein zweiter Abschnitt des inneren Kreisrings sich unter einem positiven Winkel in einem Bereich von etwa 25 und 30 Grad relativ zu der Mittelachse des Laufrads erstreckt.
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Die Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den nachstehend ausgewiesenen Zeichnungen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen seitlichen Schnitt eines herkömmlichen Turbinenabgasdiffusors, der benachbart zu einer letzten Schaufelstufe angeordnet ist;
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2 zeigt einen vereinfachten schematischen Querschnitt durch einen Dampfturbinendiffusor, wie er in 1 gezeigt ist;
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3 zeigt einen Querschnitt durch einen Dampfturbinendiffusor gemäß einem exemplarischen jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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4 zeigt ein normalisiertes Profil des statischen Drucks auf der Grundlage von Koordinaten, die die Turbinenschaufelspannweite (Länge von der Nabe zu der Spitze) als Funktion des mittleren Drucks für einen ”Basislinien”-Diffusor, wie er in 2 gezeigt ist, und für einen Diffusor ”neuer Konstruktion”, wie er in 3 gezeigt ist, definieren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß 1 ist eine herkömmliche Turbinenabdampfhaube bzw. ein Diffusor 10 gezeigt, der Teil einer Niederdruckdampfturbine sein kann. Der Diffusor 10 lenkt den von den Schaufeln 12 der letzten Stufe stammenden Abgasstrom in ein Abdampfgehäuse 11. Der Diffusor ist allgemein als ein hohler Toroid geformt, wobei in 1 lediglich ein Profil oder Querschnitt des oberen Abschnitts des Diffusors gezeigt ist. Der Diffusor 10 wird durch einen inneren Ring 14 und einen äußeren Ring 16 gebildet, die verbunden sind, um die Form eines hohlen Toroids zu erzeugen, wobei bei 18 ein Einlass zu dem Diffusor 10 in enger Nachbarschaft zu der durch die Schaufeln 12 repräsentierten letzten Reihe von Schaufeln angeordnet ist. 2 zeigt den Diffusor 10 in einer vereinfachten schematischen Darstellung, die ein Verständnis der herkömmlichen Anordnung im Vergleich zu der in 3 veranschaulichten vorliegenden Erfindung erleichtert. Wie am besten in 2 zu sehen, ist der Diffusor an der radial innenliegenden Spitze 22 des inneren Rings 14, benachbart der Nabe bzw. des Plattformabschnitts 24 der Schaufel 20 einstückig mit einem Lagerkonusbereich 30 ausgebildet, der jenen Abschnitt des Diffusors abdeckt, der sich ausgehend von dem Einlass 18 wenigstens durch die erste bzw. zweite Biegung 32, 34 hindurch erstreckt. Der ringförmige innere Ring 14 und ein äußerer Kreisring 16 definieren einen Strömungspfad 36 für Dampf, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe verlässt. Der Strömungspfad erstreckt sich anfänglich an der letzten Stufe 12 im Wesentlichen in radialer Richtung und ändert anschließend seine Richtung im Wesentlichen um neunzig Grad, um an dem Diffusorauslass 38 zu enden. Ein flacher Abschnitt 39 des inneren Kreisrings 14 an der radial innenliegenden Spitze 22 erstreckt sich für eine lediglich sehr kurze Entfernung, d. h. dem 0,20-fachen einer radialen Länge der Mittellinie ausgehend von der Schaufelplattform oder Nabe 24 zu der radial äußeren Spitze 40 der Schaufel 12, in eine stromabwärts verlaufende Richtung. Unmittelbar auf diesen flachen Abschnitt des Lagerkonusprofils schließt sich an der Biegung 32 ein erster positiver Lagerkonuswinkel von gewöhnlich 15–20° an.
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Da diese herkömmliche Konstruktion sehr nahe an der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe 20 eine scharfe Ecke bildet, entsteht von der Nabe oder Plattform 24 der Schaufel zu der radial äußeren Spitze 40 ein größerer Druckgradient. Dieser größere Druckgradient beeinträchtigt sowohl den Wirkungsgrad der letzten Stufe als auch die Erholung des statischen Druck des Diffusors.
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Mit Bezug auf 3 ist anhand eines exemplarischen jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Abdampfhaube bzw. ein Abgasdiffusor gezeigt, wobei zur Bezeichnung entsprechender Bereiche des Diffusors dieselben Bezugszeichen, jedoch um das Präfix ”1” erweitert, verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist der flache Abschnitt 139 an der innenliegenden Spitze 122 des Kreisrings 114 in der stromabwärts verlaufenden Richtung ausgehend von einer radialen Mittellinie der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe 120 eine axiale Längenabmessung auf, die in einem Bereich von wenigstens (und vorzugsweise mehr als) dem 0,40-fachen bis ungefähr 0,70-fachen der radialen Länge der Mittellinie ausgehend von der Plattform 124 zu der radial äußeren Spitze 140 einer Schaufel 120 der letzten Stufe liegt. Die radiale Länge der Mittellinie von in der letzten Stufe einer Dampfturbine verwendeten Schaufeln kann im Bereich von etwa 20–70 Zoll liegen und kann radiale Längen von etwa 33,5 Zoll, etwa 42 Zoll und etwa 48 Zoll beinhalten.
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Ein benachbart zu dem flachen Abschnitt 139 angeordneter zweiter Abschnitt 132 des inneren Kreisrings könnte sich unter einem Winkel von zwischen etwa 10 und 40° und vorzugsweise zwischen 25 und 30° relativ zu der Mittelachse des Diffusors (bzw. zu der Laufradachse) erstrecken. Ein dritter Abschnitt 134 erstreckt sich unter einem noch größeren Winkel relativ zu der Mittelachse, und der radial äußere Abschnitt des inneren Rings verläuft zuletzt im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Diffusoreinlass und zu der Mittelachse des Laufrads.
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In einem speziellen Beispiel weist der innere Kreisring 114 des Diffusors einen flachen Abschnitt 139 mit einer axialen Länge des 0,60-fachen einer radialen Länge der Mittellinie ausgehend von der Platte 124 zu der radial äußeren Spitze 140 einer Schaufel der letzten Stufe 120 von etwa 33,5 Zoll, und einen zweiten Abschnitt 132 auf, der sich unter einem positiven Winkel von 30 Grad in Bezug auf den flachen Abschnitt 122 (oder in Bezug auf die Laufradachse) erstreckt.
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4 veranschaulicht ein normalisiertes Druckprofil von der Nabe zu der Spitze, das der Diffusorkonstruktion nach 3 zugeordnet sein kann. Die ideale Kurve wäre eine vertikale Gerade, und es versteht sich, dass die Kurve, die das Druckprofil der gezeigten neuen Diffusorkonstruktion repräsentiert, einer vertikalen Geraden näher kommt als das Profil, das der Basislinie bzw. der Diffusorkonstruktion nach 2 (und 2) zugeordnet ist.
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Die hierin beschriebenen exemplarischen jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiele erzeugen einen gleichmäßigeren Abgasstrom, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe verlässt, wobei der Druckgradient von der Schaufelnabe zu der Schaufelspitze reduziert wird, während außerdem die Erholung des statischen Drucks verbessert wird.
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Während die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, ist die Erfindung allerdings selbstverständlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel zu beschränken, sondern soll vielmehr vielfältige Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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Ein Diffusor 110 ist für ein Abdampfgehäuse 111 geschaffen, das benachbart zu der letzten Stufe einer Reihe von Schaufeln 12 angeordnet ist, die an einem Laufrad befestigt sind, wobei jede Schaufel 120 in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe einen Plattformabschnitt 124 und einen Blattabschnitt aufweist. Der Diffusor enthält einen ringförmigen inneren Diffusorring 114 und einen äußeren ringförmigen Diffusorring 116, die einen Strömungspfad 136 für Dampf definieren, der die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe an einem Diffusoreinlass 118 im Wesentlichen in radialer Richtung verlässt und mit einer Richtungsänderung von im Wesentlichen neunzig Grad zu einem Diffusorauslass 138 strömt. Ein erster Abschnitt 122 des inneren Kreisrings erstreckt sich in einer stromabwärts verlaufenden Richtung über die Reihe von Schaufeln der letzten Stufe im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Laufrads hinaus, wobei der erste Abschnitt ausgehend von einer radialen Mittellinie jener Reihe von Schaufeln der letzten Stufe in der stromabwärts verlaufenden Richtung eine Längenabmessung aufweist, die etwa gleich dem 0,40- bis 0,70-fachen einer radialen Länge der Mittellinie von dem Plattformabschnitt 124 zu einer radial äußeren Spitze 140 jeder Schaufel in der Reihe von Schaufeln der letzten Stufe ist.
