DE102012106397A1 - Low pressure turbine outlet diffuser with turbulators - Google Patents
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Abstract
Ein Turbinenauslassdiffusor zur angrenzenden Verwendung an einer Reihe von an einem Turbinenrotor befestigten Laufschaufeln einer letzten Stufe enthält einen runden inneren Diffusorring und einen runden äußeren Diffusorring, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der eine Laufschaufelreihe der letzten Stufe in einer ersten im Wesentlichen axialen Richtung an einem Diffusoreinlass verlässt, und der sich im Wesentlichen um 90 Grad zu einem Diffusorauslass hin wendet. Der äußere Diffusorring enthält eine bogenförmige Dampfführungsoberfläche, die sich zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass mit einem ersten Abschnitt erstreckt, der sich von dem Diffusoreinlass weg erstreckt, und mit einem zweiten Abschnitt, der sich zu dem Diffusorauslass hin erstreckt, wobei der zweite Abschnitt so geformt ist, dass er sich über eine Vertikale hinaus und zurück zu dem Diffusoreinlass erstreckt, um so eine Strömungskomponente in einer zweiten entgegengesetzten axialen Richtung aufzubauen. Der zweite Abschnitt ist mit mehreren Turbulatoren zum Minimieren der Strömungsablösung entlang der Dampfführungsoberfläche versehen.A turbine outlet diffuser for adjacent use on a series of last stage rotor blades mounted on a turbine rotor includes a round inner diffuser ring and a circular outer diffuser ring defining a vapor flow path that includes a last stage blade row in a first substantially axial direction at a first stage Diffuser inlet leaves and turns substantially 90 degrees towards a diffuser outlet. The outer diffuser ring includes an arcuate vapor guide surface extending between the diffuser inlet and the diffuser outlet having a first portion extending away from the diffuser inlet and a second portion extending toward the diffuser outlet, the second portion being shaped by extending beyond a vertical and back to the diffuser inlet so as to build up a flow component in a second, opposite, axial direction. The second section is provided with multiple turbulators to minimize flow separation along the steam guide surface.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Diese Erfindung betrifft Dampfturbinentechnologie im Allgemeinen und einen Axial/Radial-Strömungs-, Niederdruck-Dampfturbinenauslassdiffusor im Besonderen.This invention relates generally to steam turbine technology and to an axial / radial flow, low pressure steam turbine exhaust diffuser in particular.
Ein Dampfturbinenniederdruck-(LP)-Abschnitt enthält typischerweise einen Einlassbereich, mehrere Turbinenstufen und einen (manchmal als Auslassabzug bezeichneten) Auslassdiffusor. Der Auslassdiffusor befindet sich typischerweise an der letzten Reihe rotierender Laufschaufelblätter oder Laufschaufeln und ist so ausgebildet, dass er eine Dampfströmungsführung zwischen einem Axialströmungseinlass und einem Radialströmungsauslass beinhaltet. Eine Strömungsdiffusion findet in dem durch die Diffusordampfströmungsführung ausgebildeten Anfangsabschnitt des Diffusors statt, während der Rest der Diffusorstruktur die Gasströmung in einer Kammer sammelt und sie zu einem Kondensator führt.A steam turbine low pressure (LP) section typically includes an inlet section, a plurality of turbine stages, and an outlet diffuser (sometimes referred to as an exhaust vent). The outlet diffuser is typically located on the last row of rotating blades or blades and is configured to include a vapor flow guide between an axial flow inlet and a radial flow outlet. Flow diffusion occurs in the initial portion of the diffuser formed by the diffuser steam flow guide, while the remainder of the diffuser structure collects the gas flow in a chamber and leads it to a condenser.
Eine der Hauptfunktionen des Diffusors oder Auslassabzugs ist die Rückgewinnung des statischen Drucks, da er die Auslassgasströmung aus der Laufschaufelreihe der letzten Stufe in den Kondensator führt. Tatsächlich werden Diffusoren typischerweise in Hinblick auf ein optimiertes Turbinenbetriebsverhalten ausgelegt, welches in Form einer maximal möglichen statischen Druckrückgewinnung gemessen werden kann.One of the main functions of the diffuser or exhaust vent is the recovery of static pressure as it introduces the exhaust gas flow from the last stage blade row into the condenser. In fact, diffusers are typically designed for optimized turbine performance, which can be measured in terms of maximum possible static pressure recovery.
Der Grad der statischen Druckrückgewinnung in dem Niederdruckauslassdiffusor hängt in großem Umfang von dem von dem Dampfführungsprofil und von dem Laufschaufelaustrittsprofil der letzten Stufe einschließlich des Laufschaufelspitzenspaltes ausgebildeten Flächenverhältnis ab. Im Wesentlichen tritt die maximale Druckrückgewinnung an dem Ende der Dampfführung auf, aber danach treten Druckverluste aufgrund einer unzureichenden Flächenplanung auf.The degree of static pressure recovery in the low pressure outlet diffuser depends to a large extent on the area ratio formed by the steam guide profile and the last stage blade exit profile including the blade tip gap. Essentially, the maximum pressure recovery occurs at the end of the steam run, but after that, pressure drops due to insufficient area planning occur.
Andererseits ist es, um Herstellungskosten zu reduzieren, erwünscht, die Länge des Turbinenrotors oder der Welle zu verkürzen. Eine reduzierte Wellenlänge führt zu einem verringerten verfügbaren Flächenverhältnis am Ende der Dampfführung. Zur Kompensation des Flächenverlustes aufgrund verkürzter Wellenlänge wurde bereits vorgeschlagen, den Dampfführungsabschnitt des Diffusors aggressiver zu gestalten, um die Fläche an dem Diffusorauslass zu vergrößern. Die Folge einer derartigen aggressiven Gestaltung ist jedoch eine Strömungsablösung entlang der Dampfführung, d. h. entlang dem äußeren Dampfführungswandabschnitt unmittelbar an den Laufschaufelspitzen der letzten Stufe, und insbesondere an dem Auslassende des äußeren Dampfführungswandabschnittes.On the other hand, in order to reduce manufacturing costs, it is desirable to shorten the length of the turbine rotor or the shaft. A reduced wavelength results in a reduced available area ratio at the end of the steam guide. In order to compensate for the loss of surface area due to the shortened wavelength, it has already been proposed to make the vapor guide section of the diffuser more aggressive in order to increase the area at the diffuser outlet. However, the consequence of such an aggressive design is a flow separation along the steam guide, i. H. along the outer steam guide wall portion immediately at the last stage blade tips, and in particular at the outlet end of the outer steam guide wall portion.
Es bleibt daher ein Bedarf nach einer Lösung für das Problem der Erzielung einer maximalen Druckrückgewinnung mit einer aggressiven Dampfführungsgestaltung bestehen, ohne jedoch eine Strömungsablösung entlang der Dampfführungsoberfläche des Diffusors zu bewirken.There remains a need, therefore, for a solution to the problem of achieving maximum pressure recovery with aggressive steam guide design without, however, causing flow separation along the vapor guide surface of the diffuser.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Gemäß einem ersten exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Aspekt stellt die Erfindung einen Turbinenauslassdiffusor zur angrenzenden Verwendung an einer Reihe von an einem Turbinenrotor befestigten Laufschaufeln einer letzten Stufe bereit, der einen runden inneren Diffusorring und einen runden äußeren Diffusorring aufweist, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der eine Laufschaufelreihe der letzten Stufe in einer ersten im Wesentlichen axialen Richtung an einem Diffusoreinlass verlässt, und der sich im Wesentlichen um 90 Grad zu einem Diffusorauslass hin wendet; wobei der äußere Diffusorring eine bogenförmige Dampfführungsoberfläche enthält, die sich zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass erstreckt und einen ersten Abschnitt hat, der sich von dem Diffusoreinlass weg erstreckt, und mit einem zweiten Abschnitt, der sich zu dem Diffusorauslass hin erstreckt, wobei der zweite Abschnitt so geformt ist, dass er sich über eine Vertikale hinaus und zurück zu dem Diffusoreinlass erstreckt, um so eine Strömungskomponente in einer zweiten entgegengesetzten axialen Richtung aufzubauen; wobei der zweite Abschnitt mit mehreren Turbulatoren versehen ist.In a first exemplary, but not limiting, aspect, the invention provides a turbine outlet diffuser for contiguous use on a series of final stage buckets mounted on a turbine rotor having a round inner diffuser ring and a circular outer diffuser ring defining a vapor flow path. leaving a last-stage blade row in a first substantially axial direction at a diffuser inlet and turning substantially 90 degrees toward a diffuser outlet; wherein the outer diffuser ring includes an arcuate vapor-directing surface extending between the diffuser inlet and the diffuser outlet and having a first portion extending away from the diffuser inlet and a second portion extending toward the diffuser outlet, the second portion is shaped to extend beyond a vertical and back to the diffuser inlet so as to build up a flow component in a second, opposite, axial direction; wherein the second section is provided with a plurality of turbulators.
Gemäß einem weiteren exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Aspekt wird ein Turbinenauslassdiffusor zur angrenzenden Verwendung an einer Reihe von an einem Turbinenrotor befestigten Laufschaufeln einer letzten Stufe bereitgestellt, der einen runden inneren Diffusorring und einen runden äußeren Diffusorring aufweist, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der eine Laufschaufelreihe der letzten Stufe in einer ersten im Wesentlichen axialen Richtung an einem Diffusoreinlass verlässt, und der sich im Wesentlichen um 90 Grad zu einem Diffusorauslass hin wendet; wobei der äußere Diffusorring eine bogenförmige Dampfführungsoberfläche enthält, die sich zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass erstreckt und einen ersten Abschnitt hat, der sich von dem Diffusoreinlass weg erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich zu dem Diffusorauslass hin erstreckt, wobei der zweite Abschnitt so geformt ist, dass er sich über eine Vertikale hinaus und zurück zu dem Diffusoreinlass erstreckt, um so eine Strömungskomponente in einer zweiten entgegengesetzten axialen Richtung aufzubauen; wobei der zweite Abschnitt mit mehreren Turbulatoren versehen ist, die in wenigstens zwei radial beabstandeten Umfangsreihen angeordnet sind.In another exemplary, but non-limiting, aspect, a turbine outlet diffuser is provided for contiguous use on a series of last stage rotor blades mounted on a turbine rotor having a round inner diffuser ring and a circular outer diffuser ring defining a vapor flow path that includes a Leaves the last stage blade row in a first substantially axial direction at a diffuser inlet, and which turns substantially 90 degrees toward a diffuser outlet; wherein the outer diffuser ring includes an arcuate vapor guide surface extending between the diffuser inlet and the diffuser outlet and having a first portion extending away from the diffuser inlet and a second portion extending toward the diffuser outlet, the second portion thus is shaped to extend beyond a vertical and back to the diffuser inlet so as to build up a flow component in a second, opposite, axial direction; the second section with several Turbulators is provided, which are arranged in at least two radially spaced circumferential rows.
Gemäß noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Vergrößerung einer Auslassfläche eines Turbinenauslassdiffusors und zur Minimierung einer Strömungsablösung entlang eines Außenwandabschnittes des Turbinenauslassdiffusors bereitgestellt, das die Schritte der Formung des sich zwischen einem axial ausgerichteten Diffusoreinlass zu einem im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusorauslass erstreckenden Außenwandabschnittes dergestalt beinhaltet, dass er sich über eine Vertikale hinaus und zurück zu dem Diffusoreinlass erstreckt, um so eine Strömungskomponente in einer Stromaufwärtsrichtung zu erzeugen, und der Bereitstellung mehrerer Turbulatoren auf dem Außenwandabschnitt aufweist, um lokalisierte Wirbel zum Minimieren der Strömungsablösung entlang des Außenwandabschnittes zu erzeugen.In accordance with yet another exemplary embodiment, there is provided a method of enlarging an outlet surface of a turbine outlet diffuser and minimizing flow separation along an outer wall portion of the turbine outlet diffuser, comprising the steps of forming the outer wall portion extending between an axially oriented diffuser inlet to a substantially radially oriented diffuser outlet in that it extends beyond a vertical and back to the diffuser inlet so as to create a flow component in an upstream direction, and comprises providing a plurality of turbulators on the outer wall section to create localized vortices for minimizing flow separation along the outer wall section.
Die Erfindung wird nun im Detail in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.The invention will now be described in detail in connection with the drawings below.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
In
Zur Kompensation einer verkürzten Wellenlänge und Sicherstellung einer maximalen Druckrückgewinnung wird das Flächenverhältnis an dem Auslass
Es wurde festgestellt, dass die Hinzufügung von Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren
Die beschriebene Verwendung von Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren
Es dürfte sich verstehen, dass spezifische Druckrückgewinnungsverbesserungen von der Turbinenausgestaltung, Laufschaufelspitzenabständen und dergleichen abhängen.It will be understood that specific pressure recovery improvements will depend on turbine design, blade tip distances, and the like.
Somit stellt die Erfindung eine hoch effektive Strömungsdiffusion bereit, welche eine Reduzierung des sogenannten Rückdruckes für die Turbine ergibt, was es ermöglicht, dass die Turbine ein vergrößertes Gesamtdruckverhältnis für denselben Temperaturbereich des thermodynamischen Zyklus hat, oder dieselbe Ausgangsleistung bei einem höheren Wirkungsgrad (d. h., für eine reduzierte Brennstoffeingabe) liefert.Thus, the invention provides highly effective flow diffusion which results in a reduction of the so-called back pressure for the turbine, allowing the turbine to have an increased total pressure ratio for the same temperature range of the thermodynamic cycle, or the same output at a higher efficiency (ie a reduced fuel input).
Ein Turbinenauslassdiffusor zur angrenzenden Verwendung an einer Reihe von an einem Turbinenrotor befestigten Laufschaufeln einer letzten Stufe enthält einen runden inneren Diffusorring und einen runden äußeren Diffusorring, die einen Strömungspfad für Dampf definieren, der eine Laufschaufelreihe der letzten Stufe in einer ersten im Wesentlichen axialen Richtung an einem Diffusoreinlass verlässt, und der sich im Wesentlichen um 90 Grad zu einem Diffusorauslass hin wendet. Der äußere Diffusorring enthält eine bogenförmige Dampfführungsoberfläche, die sich zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass mit einem ersten Abschnitt erstreckt, der sich von dem Diffusoreinlass weg erstreckt, und mit einem zweiten Abschnitt, der sich zu dem Diffusorauslass hin erstreckt, wobei der zweite Abschnitt so geformt ist, dass er sich über eine Vertikale hinaus und zurück zu dem Diffusoreinlass erstreckt, um so eine Strömungskomponente in einer zweiten entgegengesetzten axialen Richtung aufzubauen. Der zweite Abschnitt ist mit mehreren Turbulatoren zum Minimieren der Strömungsablösung entlang der Dampfführungsoberfläche versehen.A turbine outlet diffuser for adjacent use on a series of last stage rotor blades mounted on a turbine rotor includes a round inner diffuser ring and a circular outer diffuser ring defining a vapor flow path that includes a last stage blade row in a first substantially axial direction at a first stage Diffuser inlet leaves and turns substantially 90 degrees towards a diffuser outlet. The outer diffuser ring includes an arcuate vapor guide surface extending between the diffuser inlet and the diffuser outlet having a first portion extending away from the diffuser inlet and a second portion extending toward the diffuser outlet, the second portion being shaped by extending beyond a vertical and back to the diffuser inlet so as to build up a flow component in a second, opposite, axial direction. The second section is provided with multiple turbulators to minimize flow separation along the steam guide surface.
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