DE102012106397A1 - Low pressure turbine outlet diffuser with turbulators - Google Patents

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Sudhakar Neeli
Joshy John
Kevin Joseph Barb
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General Electric Co
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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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

1 ist ein Querschnitt durch einen oberen oder radial äußeren Abschnitt des Gasturbinenauslassdiffusors gemäß einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung; 1 FIG. 12 is a cross-section through an upper or radially outer portion of the gas turbine exhaust diffuser according to an exemplary, but non-limiting embodiment of the invention; FIG.

2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Diffusorabschnittes; 2 is a perspective view of the in 1 illustrated diffuser section;

3 ist ein vergrößertes Detail aus 2; 3 is an enlarged detail 2 ;

4 stellt den Grad der Strömungsablösung in einem Beispieldiffusor gemäß der Erfindung, jedoch ohne Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren dar; und 4 represents the degree of flow separation in an exemplary diffuser according to the invention, but without turbulators or vortex generators; and

5 stellt einen Diffusor gemäß Darstellung in 4 dar, zeigt aber eine Verringerung in der Strömungsablösung, die durch die Hinzufügung von Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren gemäß der Erfindung erzielt wird. 5 represents a diffuser as shown in FIG 4 but shows a reduction in the flow separation achieved by the addition of turbulators or vortex generators according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

In 1 ist zunächst ein radial äußerer Abschnitt eines Auslassabzugs oder Diffusors 10 dargestellt, der Teil einer Niederdruckdampfturbine sein kann. Der Diffusor 10 führt die Auslassströmung des Turbinentriebwerks von den Laufschaufeln 12 der letzten Stufe in ein (nicht dargestelltes) Auslassdampfgehäuse und dann zu einem (ebenfalls nicht dargestellten) Kondensator. Der Diffusor ist im Wesentlichen als hohler Ringkörper geformt, wobei nur einem Profil oder Querschnitt des radial äußeren Abschnittes des Diffusors in 1 dargestellt ist. Der Diffusor 10 wird im Wesentlichen durch einen äußeren Ring 14 und einen inneren Ring 16 gebildet, die miteinander verbunden sind, um die hohle Ringkörperform auszubilden, wobei der Einlass 18 zu dem Diffusor 10 unmittelbar an der letzten Laufschaufelreihe durch eine einzelne Laufschaufel 12 repräsentiert wird. Die Bezugnahme auf den äußeren Ring 14 und den inneren Ring 16 erfolgt hauptsächlich zur Vereinfachung. Diese Ringe können im Wesentlichen im Querschnitt eine Kanalform haben und durch Verschweißen oder anderer geeignete Einrichtungen verbunden sein, um den runden hohlen Ringkörper auszubilden. Der Aufbau und die Montagedetails sind jedoch nicht Teil dieser Erfindung, sofern nicht anderweitig hierin angegeben. Der Diffusor 10 bildet somit einen Dampfführungs- oder Strömungspfad für die Laufschaufelreihe der letzten Stufe verlassenden Dampf, der sich wenigstens anfangs in einer im Wesentlichen axialen Richtung an der letzten Stufe 12 erstreckt und dann im Wesentlichen um 90 Grad dreht, und an dem Diffusorauslass 20 endet. Angrenzend an den Auslass 20 kann man sehen, dass ein (auch als der Dampfführungsabschnitt bezeichneter) Abschnitt des äußeren Rings eines herkömmlichen Diffusors unmittelbar an den Laufschaufelspitzen sich im Wesentlichen vertikal, d. h. im Wesentlichen rechtwinklig zu der Turbinenrotorachse erstreckt (die sich im Wesentlichen parallel zu der Diffusoroberfläche 23 erstreckt). Dieser Dampfführungsabschnitt des Diffusors ist bei 22 in Strichlinienformat in 1 dargestellt. Mit anderen Worten, an dem Auslass 20 sind sowohl der innere als auch der äußere Ring im Wesentlichen vertikal ausgerichtet.In 1 is initially a radially outer portion of an exhaust vent or diffuser 10 shown, which may be part of a low-pressure steam turbine. The diffuser 10 guides the exhaust flow of the turbine engine away from the blades 12 the last stage in a (not shown) outlet steam housing and then to a (also not shown) condenser. The diffuser is essentially shaped as a hollow ring body, wherein only one profile or cross section of the radially outer portion of the diffuser in 1 is shown. The diffuser 10 is essentially made by an outer ring 14 and an inner ring 16 formed, which are interconnected to form the hollow annular body shape, wherein the inlet 18 to the diffuser 10 directly on the last row of blades through a single blade 12 is represented. The reference to the outer ring 14 and the inner ring 16 is mainly for the sake of simplicity. These rings may have a channel shape substantially in cross-section and be connected by welding or other suitable means to form the round hollow ring body. However, the construction and assembly details are not part of this invention unless otherwise stated herein. The diffuser 10 thus forms a steam leaving or flow path for the last stage blade row leaving at least initially in a substantially axial direction at the last stage 12 extends and then rotates substantially 90 degrees, and at the diffuser outlet 20 ends. Adjacent to the outlet 20 It can be seen that a portion (also referred to as the steam guide portion) of the outer ring of a conventional diffuser immediately at the blade tips extends substantially vertically, ie, substantially perpendicular to the turbine rotor axis (which is substantially parallel to the diffuser surface 23 extends). This steam guide portion of the diffuser is at 22 in dashed line format in 1 shown. In other words, at the outlet 20 Both the inner and outer rings are substantially vertically aligned.

Zur Kompensation einer verkürzten Wellenlänge und Sicherstellung einer maximalen Druckrückgewinnung wird das Flächenverhältnis an dem Auslass 20 des Diffusordampfführungswandabschnittes oder der Oberfläche 24 vergrößert, indem der innere Ring über die Vertikale hinaus zurück zu der Austrittsstufe der Turbine gewendet wird, um somit eine Strömungskomponente in einer zweiten axialen oder Stromaufwärtsrichtung (z. B. bei ca. 15 Grad) zu erzeugen (siehe 1 und vergleiche die gestrichelte Linie 22 mit der durchgezogenen Linie 24). Wie vorstehend angemerkt, hat dieser Lösungsansatz eine Tendenz, eine unerwünschte Grenzschichtablösung entlang der Dampfführungswandoberfläche 24 insbesondere an dem Abschnitt unmittelbar an dem Auslass 20 gemäß Darstellung in 4 zu erzeugen.To compensate for a shortened wavelength and ensure maximum pressure recovery, the area ratio at the outlet becomes 20 the diffuser steam guide wall section or the surface 24 by turning the inner ring beyond the vertical back to the exit stage of the turbine so as to create a flow component in a second axial or upstream direction (eg, at about 15 degrees) (see 1 and compare the dashed line 22 with the solid line 24 ). As noted above, this approach has a tendency for undesirable boundary layer separation along the vapor guide wall surface 24 especially at the section immediately at the outlet 20 as shown in 4 to create.

Es wurde festgestellt, dass die Hinzufügung von Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren 26 an der Innenseite der Dampfführungswandoberfläche 24 dazu beiträgt, dass die Strömung entlang diesem Abschnitt der Diffusorwand haften bleibt. Unter Bezugnahme auch auf die 2 und 3 sind die Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren 26 als halbkugelförmige Vorsprünge mit zwei radial beabstandeten Umfangsreihen offengelegt, die um den Innenring 14 herum angeordnet sind, insbesondere um den Abschnitt der Dampfführungswandoberfläche 24, die so geformt ist, dass sie sich über die Vertikale hinaus und zurück zu den Laufschaufeln der letzten Stufe erstreckt. Man ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht auf Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren mit halbkugelförmiger Form beschränkt ist, sondern auch halbkugelförmige Vertiefungen oder Aussparungen in Betracht zieht. Die Form kann auch von rund zu oval, zu rechteckig usw. variieren, und die Höhe und Tiefe kann ebenfalls variieren, wie der Fachmann erkennen wird. Es liegt ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, die Anzahl der Reihen von Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren zu variieren, und die Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren in angrenzenden Reihen in Umfangsrichtung ausgerichtet oder in Bezug zu angrenzenden Reihen gestaffelt zu haben.It was found that the addition of turbulators or vortex generators 26 on the inside of the steam guide wall surface 24 contributes to the flow sticking along this section of the diffuser wall. With reference also to the 2 and 3 are the turbulators or vortex generators 26 disclosed as hemispherical projections with two radially spaced circumferential rows around the inner ring 14 are arranged around, in particular around the portion of the steam guide wall surface 24 shaped to extend beyond the vertical and back to the last stage buckets. It will be understood, however, that the invention is not limited to turbulators or vortex generators having a hemispherical shape, but also contemplates hemispherical recesses or recesses. The shape may also vary from round to oval, to rectangular, etc., and the height and depth may also vary, as one skilled in the art will recognize. It is also within the scope of the invention to vary the number of rows of turbulators or vortex generators, and to have the turbulators or vortex generators in adjacent rows circumferentially aligned or staggered with respect to adjacent rows.

Die beschriebene Verwendung von Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren 26 auf der Innenoberfläche 24 des Diffusorauslasses hat eine Zunahme der Druckrückgewinnung in einem erheblichen Grad gezeigt. Insbesondere führen die Turbulatoren oder Wirbelgeneratoren 26 der Grenzschicht aufgrund der erhöhten Turbulenz oder der lokalisierten Wirbel Energie zu, was dazu beiträgt, die Strömung an der Oberfläche 24 anhaften zu lassen und somit die statische Druckrückgewinnung zu vergrößern. In einem Beispiel, in welchem der Spalt zwischen dem Turbinenlaufschaufeldeckband oder der Spitze der letzten Stufe und dem umgebenden Gehäuse 2,79 mm (110 mils) ist, verbesserte sich die Druckrückgewinnung um einen Faktor von 0,07 (wobei wenn 100% Druckrückgewinnung ein Wert von 1,0 gegeben ist, sich die Druckrückgewinnung von 0,64 auf 0,71 verbesserte). Diese Differenz ist schematisch in den 4 und 5 mit einer Strömungsablösung dargestellt, die durch eine Schraffierung entlang der Dampfführungsoberfläche 24 dargestellt ist.The described use of turbulators or vortex generators 26 on the inside surface 24 The diffuser outlet has shown an increase in pressure recovery to a considerable degree. In particular, the turbulators or vortex generators lead 26 the boundary layer due to the increased turbulence or the localized vortex energy, which contributes to the flow at the surface 24 to adhere and thus increase the static pressure recovery. In one example, where the gap between the turbine blade shroud or the last-stage tip and the surrounding housing is 2 mils, the pressure recovery improved by a factor of 0.07 (when 100% pressure recovery was a value of 1.0, the pressure recovery improved from 0.64 to 0.71). This difference is schematic in the 4 and 5 shown with a flow separation, which by hatching along the steam guide surface 24 is shown.

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.

Claims (20)

Turbinenauslassdiffusor zur angrenzenden Verwendung an einer Reihe von an einem Turbinenrotor befestigten Laufschaufeln einer letzten Stufe, wobei der Diffusor aufweist: 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; 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.A turbine outlet diffuser for adjacent use on a series of last stage buckets mounted on a turbine rotor, said diffuser comprising: a round inner diffuser ring and a circular outer diffuser ring defining a flow path for vapor exiting 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 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; wherein the second section is provided with a plurality of turbulators. Niederdruckturbinendiffusor nach Anspruch 1, wobei die Turbulatoren in radial beabstandeten Umfangsreihen angeordnet sind.A low-pressure turbine diffuser according to claim 1, wherein the turbulators are arranged in radially spaced circumferential rows. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 2, wobei Turbulatoren in angrenzenden radial beabstandeten Umfangsreihen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind. Turbine outlet diffuser according to claim 2, wherein turbulators are aligned in adjacent radially spaced circumferential rows in the circumferential direction. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 2, wobei Turbulatoren in angrenzenden radial beabstandeten Umfangsreihen in Umfangsrichtung gestaffelt sind.Turbine outlet diffuser according to claim 2, wherein turbulators are staggered in adjacent radially spaced circumferential rows in the circumferential direction. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 2, wobei die radial beabstandeten Umfangsreihen wenigstens zwei Reihen aufweisen.Turbine outlet diffuser according to claim 2, wherein the radially spaced circumferential rows have at least two rows. Turbinenauslassdiffusor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbulatoren halbkugelförmige Vorsprünge aufweisen.Turbine outlet diffuser according to one of the preceding claims, wherein the turbulators have hemispherical projections. Turbinenauslassdiffusor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbulatoren halbkugelförmige Vertiefungen aufweisen.Turbine outlet diffuser according to one of the preceding claims, wherein the turbulators have hemispherical depressions. Turbinenauslassdiffusor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbulatoren nicht-runde Formen aufweisen.Turbine outlet diffuser according to one of the preceding claims, wherein the turbulators have non-circular shapes. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 8, wobei die Turbulatoren in radial beabstandeten Umfangsreihen angeordnet sind.Turbine outlet diffuser according to claim 8, wherein the turbulators are arranged in radially spaced circumferential rows. Turbinenauslassdiffusor angrenzend an eine Reihe von an einem Turbinenrotor befestigten Laufschaufeln einer letzten Stufe, aufweisend: 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; 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.A turbine exhaust diffuser adjacent a series of last stage blades attached to a turbine rotor, comprising: a round inner diffuser ring and a circular outer diffuser ring defining a flow path for vapor exiting 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 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; wherein the second section is provided with a plurality of turbulators arranged in at least two radially spaced circumferential rows. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 10, wobei Turbulatoren in angrenzenden radial beabstandeten Umfangsreihen in Umfangsrichtung gestaffelt sind.Turbine outlet diffuser according to claim 10, wherein turbulators are staggered in adjacent radially spaced circumferential rows in the circumferential direction. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 10, wobei die Turbulatoren halbkugelförmige Vertiefungen aufweisen.Turbine outlet diffuser according to claim 10, wherein the turbulators have hemispherical depressions. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 11, wobei die Turbulatoren halbkugelförmige Vorsprünge aufweisen.Turbine outlet diffuser according to claim 11, wherein the turbulators have hemispherical projections. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 10, wobei die Turbulatoren nicht-runde Formen haben.Turbine outlet diffuser according to claim 10, wherein the turbulators have non-circular shapes. Verfahren zum Vergrößern einer Auslassfläche eines Turbinenauslassdiffusors und zum Minimieren einer Strömungsablösung entlang eines Außenwandabschnittes des Turbinenauslassdiffusors mit den Schritten: (a) Formen des sich zwischen einem axial ausgerichteten Diffusoreinlass zu einem im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusorauslass erstreckenden Außenwandabschnittes dergestalt, dass er sich über eine Vertikal hinaus und zurück zu dem Diffusoreinlass erstreckt, um so eine Strömungskomponente in einer axialen Stromaufwärtsrichtung zu erzeugen; und (b) Bereitstellen mehrerer Turbulatoren auf dem Außenwandabschnitt, um lokalisierte Wirbel zum Minimieren einer Strömungsablösung entlang des Außenwandabschnittes zu erzeugen.A method of increasing an outlet area of a turbine outlet diffuser and minimizing flow separation along an exterior wall portion of the turbine outlet diffuser, comprising the steps of: (a) forming the outer wall portion extending between an axially oriented diffuser inlet to a substantially radially directed diffuser outlet such that it extends beyond a vertical and back to the diffuser inlet so as to create a flow component in an axial upstream direction; and (b) providing a plurality of turbulators on the outer wall portion to create localized vortices to minimize flow separation along the outer wall portion. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 15, wobei die mehreren Turbulatoren in radial beabstandeten Umfangsreihen angeordnet sind.The turbine outlet diffuser of claim 15, wherein the plurality of turbulators are arranged in radially spaced circumferential rows. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 15, wobei die mehreren Turbulatoren runde Formen haben.Turbine outlet diffuser according to claim 15, wherein the plurality of turbulators have round shapes. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 15, wobei die mehreren Turbulatoren nicht-runde Formen haben.Turbine outlet diffuser according to claim 15, wherein the plurality of turbulators have non-circular shapes. Turbinenauslassdiffusor nach Anspruch 15, wobei die Turbulatoren Vorsprünge oder Vertiefungen aufweisen.Turbine outlet diffuser according to claim 15, wherein the turbulators have projections or depressions. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die mehreren Turbulatoren in angrenzenden radial beabstandeten Umfangsreihen in Umfangsrichtung ausgerichtet oder gestaffelt sind.The method of claim 16, wherein the plurality of turbulators are circumferentially aligned or staggered in adjacent radially spaced circumferential rows.
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