DE10255389A1 - Niederdruckdampfturbine mit Mehrkanal-Diffusor - Google Patents

Niederdruckdampfturbine mit Mehrkanal-Diffusor Download PDF

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DE10255389A1
DE10255389A1 DE2002155389 DE10255389A DE10255389A1 DE 10255389 A1 DE10255389 A1 DE 10255389A1 DE 2002155389 DE2002155389 DE 2002155389 DE 10255389 A DE10255389 A DE 10255389A DE 10255389 A1 DE10255389 A1 DE 10255389A1
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Franz Kreitmeier
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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Abstract

Ein Mehrkanal-Diffusor zur Führung der Beschaufelungsabströmung aus einer Niederdruckdampfturbine weist zwei oder mehr Teildiffusoren (11, 12) auf. Der äußerste Teildiffusor (12) wird durch den äußeren Diffusorring und ein nächstliegendes Leitblech (9) gebildet. Er ist in Bezug auf die letzte Laufschaufelreihe (3) der Niederdruckturbine so angeordnet, dass er die supersonische Spaltabströmung (S), die zwischen den Spitzen der letzten Schaufelreihe und dem Turbinengehäuse hindurchströmt, aufnimmt. Der äußere Diffusorring weist mindestens zwei, vorzugsweise drei, Knicke auf, die jeweils einen Verdichtungsstoß in der Strömung erzeugen. Mindestens einer der Verdichtungsstöße verläuft schräg zur Strömungsrichtung, während ein weiterer stromabwärts liegender Verdichtungsstoß senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft. Position und Winkelausmaß der Knicke sind für die Strömungsgeschwindigkeit und gemäß gasdynamischen Regeln so bestimmt, dass eine Umwandlung der Strömungsenergie in Druckenergie bei minimalen Verlusten und somit maximaler Erhöhung der Turbinenleistung bewirkt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine axial durchströmte Niederdruckdampfturbine mit einem Mehrkanal-Diffusor zur Führung der Beschaufelungsabströmung.
  • Ein Mehrkanal-Diffusor zur Führung des Beschaufelungsabdampfes einer Niederdruckdampfturbine ist beispielsweise in der DE 100 37 684 beschrieben. Es handelt sich dort um einen axial-radialen Diffusor, der durch einen äusseren und inneren Diffusorring gebildet ist und dessen Innenraum mittels zwei Leitblechen in drei Teildiffusoren unterteilt ist. Insbesondere ist die Querschnittsfläche auf die drei Teildiffusoren ungleichmässig verteilt, und die Leitbleche sind möglichst nahe an der letzten Schaufelreihe angeordnet und bezüglich Nabe und Gehäusekontur der Turbine so ausgerichtet, dass die Beschaufelungsabströmung möglichst stabil und verlustarm geführt wird. Das äussere Leitblech dient ferner dazu, den Grossteil der Beschaufelungsabströmung von der hochenergetischen, supersonischen Spaltströmung abzuschirmen und dadurch verlustbringende Strömungsinterferenzen zu vermeiden.
  • Der äussere und innere Diffusorring sowie die Leitbleche sind dort durch mehrere konische Teilstücke gebildet. Die Winkel zwischen den einzelnen Teilstücken sind dabei so gewählt, dass die gewünschte axial-radiale Umlenkung der Beschaufelungsabströmung mittels einer Anzahl von Teilstücken realisiert wird, die in Anbetracht der Baukosten vertretbar ist.
  • Der dort beschriebene Dreikanal-Diffusor ist ferner als Unterschalldiffusor ausgelegt. Dabei wird allerdings dem Energiepotential der Spaltabströmung nicht vollumfänglich Rechnung getragen. Die Spaltabströmung der letzten Schaufelreihe erreicht meridional Geschwindigkeiten von ca. Ma 1.6 bis 1.8 . Bei grossen Schaufelspielen ist der Fluss der kinetischen Energie der Spaltabströmung sehr hoch und füllt dabei bis zu 10% der Kanalhöhe des Diffusors aus. Weiter ist diese Energie stark inhomogen und drallbehaftet. Es ergibt sich dadurch ein Zusatzverlust durch Überschall im äusseren Teildiffusor.
  • Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, einen Mehrkanal-Diffusor zu schaffen, der eine stabile und verlustarme Führung der Beschaufelungsabströmung einer Niederdruckdampfturbine erbringt und durch den zugleich, zur Erhöhung der Turbinenleistung, die Energie der Spaltabströmung nach der letzten Laufschaufelreihe im Vergleich zu Diffusoren des Standes der Technik besser genutzt wird.
  • Diese Aufgabe ist durch einen Mehrkanal-Diffusor gemäss Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen und Varianten der Erfindungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Ein Mehrkanal-Diffusor zur Führung des Beschaufelungsabdampfs aus einer Niederdruckdampfturbine weist einen äusseren und inneren Diffusorring und ein Leitblech oder mehrere Leitbleche auf, die den Diffusor in zwei oder mehr Teildiffusoren aufteilen. Der äussere Diffusorring und das äusserste Leitblech, welches dem äusseren Diffusorring am nächsten liegt, bilden den äussersten Teildiffusor. Dieses äusserste Leitblech ist in bezug auf die letzte Laufschaufelreihe der Niederdruckturbine so angeordnet, dass der äusserste Teildiffusor eine supersonische Spaltströmung, die zwischen den Spitzen der letzten Schaufelreihe und dem Turbinengehäuse entsteht, aufnimmt. Der äussere Diffusorring und das ihm nächstliegende Leitblech sind jeweils aus mehreren Teilstücken gebildet.
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung weist entweder der äussere Diffusorring oder das äusserste Leitblech oder beide jeweils mindestens zwei Knicke auf, die einen oder mehr Verdichtungsstösse in der Strömung erzeugen. Mindestens einer der Verdichtungsstösse verläuft schräg zur Strömungsrichtung, während der stromabwärts letzte Verdichtungsstoss senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft.
  • Die Knicke im äusseren Diffusorring und/oder äussersten Leitblech sind als abrupte Richtungsänderung der Seitenwand des äusseren Teildiffusors zu verstehen. Sie sind jeweils durch die Anordnung von Teilstücken in einem bestimmten Knickwinkel zueinander realisiert. Die Grösse der Knickwinkel und die Position der Knicke am äusseren Diffusorring und/oder äussersten Leitblech sind so bestimmt, dass durch die Knicke jeweils ein schräger Verdichtungsstoss von einer gewünschten Ausrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung erzeugt wird. Aufgrund einer gewählten Position eines ersten Knicks im Diffusorring und/oder Leiblech und der an diesem Punkt vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit wird mittels gasdynamischen Regeln die Grösse des Knickwinkels bestimmt. Dabei wird darauf geachtet, dass der gesamte Totaldruckverlust über alle Verdichtungsstösse hinweg ein Minimum beträgt.
  • Verdichtungsstösse in einer Strömungsführung bewirken eine Umwandlung der Strömungsenergie in Druckenergie bei miteingehender Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit. Die hohe Energie der Spaltabströmung, die in den äusseren Teildiffusor strömt, wird dadurch zum Teil in Druckenergie umgewandelt, die zur Erhöhung der Turbinenleistung beiträgt. Durch diese Massnahme wird somit der Energieverlust durch Dissipation nach dem Teildiffusor gesenkt.
  • Nachfolgend den Knicken, die Verdichtungsstösse bewirken, weisen der äussere Diffusorring und das äussere Leitblech nach Bedarf zwecks Umlenkung weitere Knicke auf.
  • In einer ersten und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Mehrkanal-Diffusor als axial-radialer Diffusor ausgebildet, wobei der äussere Diffusorring insgesamt drei Knicke aufweist, wovon zwei in ihrer Position und ihrem Winkelausmass so zueinander angeordnet sind, dass zwei zur Strömung schräg verlaufende Verdichtungsstösse erzeugt werden. Ein dritter, stromabwärts von den zwei Knicken liegender Knick ist in Position und Winkelausmass so ausgebildet ist, dass ein zur Strömung senkrecht verlaufender Verdichtungsstoss erzeugt wird. Das äusserste Leitblech ist auf der Seite, die den äusseren Teildiffusor begrenzt, in dieser Ausführungsform im Bereich der Verdichtungsstösse ohne Knicke ausgebildet. Die insgesamt drei Verdichtungsstösse bewirken eine Reduktion der Geschwindigkeit der supersonischen Spaltabströmung auf eine Unterschallgeschwindigkeit. Die Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit und Umwandlung der Strömungsenergie in Druckenergie wird zunächst auf die zwei schrägen Verdichtungsstösse verteilt. Die schräg verlaufenden Verdichtungsstösse bewirken eine Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit auf etwas über Ma 1 oder ca. Ma=1.2. Der weitere, senkrecht verlaufende Verdichtungsstoss ist im Vergleich zu den schrägen Verdichtungsstössen stärker. Er bewirkt eine Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit auf unter die Schallgeschwindigkeit auf ca. Ma = 0.8.
  • In einer zweiten bevorzugten Ausführung ist der Mehrkanal-Diffusor als axial-axialer Diffusor ausgebildet, wobei der äussere Diffusorring insgesamt drei Knicke aufweist, wovon zwei in Position und Winkelausmass so zueiander ausgebildet sind, dass zwei zur Strömung schräg verlaufende Verdichtungsstösse erzeugt werden. Stromabwärts von diesen zwei Knicken, weist bei dieser zweiten Ausführungsfrom sowohl der äussere Diffusorring als auch das äussere Leitblech je einen Knick auf, der in Position und Winkelausmass so ausgebildet ist, dass ein zur Strömung senkrecht verlaufender Verdichtungsstoss erzeugt wird. Das äussere Leitblech weist im Anfangsbereich des äusseren Teildiffusors bis zum senkrecht verlaufenden Verdichtungsstoss keine Knicke auf.
  • Bei beiden bevorzugten Ausführungsformen wird ein erster Abschnitt des äusseren Teildiffusors, der bis zum senkrechten Verdichtungsstoss reicht, als supersonischer Diffusor, und der nachfolgende Abschnitt als subsonischer Diffusor bezeichnet.
  • Der Überschalldiffusor weist einen Einlaufkanal auf, der sich vom Beginn des Teildiffusors zum ersten schräg verlaufenden Verdichtungsstoss erstreckt. Dort herrschen hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Überschallbereich. Nach dem zweiten Verdichtungsstoss erstreckt sich ein Beruhigungskanal, der dazu dient, zum Teil inhomogene Strömung auszugleichen. Dort herrschen Strömungsgeschwindikgkeiten von etwas über der Schallgeschwindigkeit. Nach dem senkrecht verlaufenden Verdichtungsstoss beginnt schliesslich der Bereich des Unterschalldiffusors.
  • In diesen zwei bevorzugten Ausführungsformen wird ein erster Teil der Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit auf die zwei schräg verlaufenden Verdichtungsstösse verteilt. Diese Verteilung auf zwei Verdichtungsstösse verursacht insgesamt weniger Energieverluste im Vergleich zum Energieverlust, der bei einem einzigen starken Verdichtungsstoss entstehen würde. Angesichts der Optimierung der Turbinenleistung ist deshalb eine Ausführung der Erfindung mit zwei, oder mehr, schräg verlaufenden Verdichtungsstössen vorteilhaft.
  • In einer Variante der Erfindung weist der äussere Diffusorring sowie das äussere Leitblech je einen Knick im auf, die einen schrägen Verdichtungsstoss bewirken. Ein weiterer Knick erzeugt einen zur Strömung senkrecht verlaufender Verdichtungsstoss. Der schräge Verdichtungsstoss hat die gleiche Wirkung wie die schrägen Stösse in den bevorzugten Ausführungsformen, jedoch entstehen bei dieser Variante grössere Energieverluste.
  • Eine weitere Ausführungsform ist wiederum sowohl für axial-radiale als auch für axial-axiale Mehrkanal-Diffusoren realisierbar. Dort besitzt der äussere Diffusorring und das äussere Leitblech je einen Knick, die einen schräg verlaufenden Verdichtungsstoss erzeugen, sowie stromabwärts je einen weiteren Knick, der einen senkrecht verlaufenden Verdichtungsstoss erzeugt. Hier wird die Geschwindikgeit durch den einen schräg verlaufenden Verdichtungsstoss auf ungefähr Mach 1 reduziert.
  • Die erfindungsgemässe Massnahme bewirkt eine Erhöhung des Druckrückgewinns und Senkung der Dissipationsverluste. Ihre Wirkung ist umso grösser, je intensiver die Spaltabströmung aus der Niederdruckturbine ist. Deshalb ist die Erfindung bei Niederdruckturbinen mit besonders steilen Gehäusekonturen und entsprechend grossen Schaufelspielen besonders wirksam.
  • Die erfindungsgemässe Massnahme eignet sich für den äussersten Teildiffusor von axial-radialen sowie axial-axialen Mehrkanal-Diffusoren mit zwei, drei oder mehr Teildiffusoren.
  • Es zeigen
  • 1 einen meridionalen Schnitt eines axial-radialen Mehrkanal-Diffusor mit einer Ausführungsform des erfindungsgemässen äusseren Teildiffusors,
  • 2 zeigt eine Detailansicht des äusseren Teildiffusors von 1.
  • 3 einen meridionalen Schnitt eines axial-axialen Mehrkanal-Diffusor mit einer Ausführungsform des erfindungsgemässen äusseren Teildiffusors.
  • 4 zeigt eine Detailansicht des äusseren Teildiffusors des Diffusors von 3.
  • Ausführung der Erfindung
  • 1 und 2 entsprechen der ersten, 3 und 4 der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines Mehrkanal-Diffusors für die Führung der Beschaufelungsabströmung einer Niederdruckdampfturbine. Von der Niederdruckdampfturbine sind lediglich die für das Verständnis dieser Erfindung relevanten Komponenten dargestellt. Es sind der Turbinenrotor 1 mit Rotorachse 2 gezeigt sowie eine Schaufel 3 der letzten Laufschaufelreihe, die auf dem Rotor 1 montiert ist. Ferner ist eine Schaufel 3' der letzten Leitschaufelreihe gezeigt, die an einem Schaufelträger 4 montiert ist. Vom Schaufelträger 4 erstreckt sich die innere Gehäusewand des Turbinengehäuses 5 in einem gegebenen Winkel ε zur Rotorachse 2. Der Diffusor ist durch einen inneren Diffusorring 6 und einen äusseren Diffusorring 7 begrenzt. Zwischen den zwei Diffusorringen 6 und 7 sind zwei Leitbleche 8 und 9 angeordnet, die den Diffusor in einen inneren, mittleren und äusseren Teildiffusor 10, 11 beziehungsweise 12 aufteilen. Der äussere Teildiffusor 12 ist durch das Leitblech 9 und den äusseren Diffusorring 7 begrenzt. Der Mehrkanal-Diffusor kann auch nur ein Leitblech oder mehr als zwei Leitbleche mit entsprechender Anzahl Teildiffusoren aufweisen. Die Leitbleche sind in einer Art und Weise ausgerichtet und angeordnet sein, sodass eine verlustarme Führung und Umlenkung der Beschaufelungsabströmung bewirkt wird. Der äussere Teildiffusor 12 dient zur Aufnahme und Umlenkung der supersonischen Spaltabströmung, die zwischen den Schaufelspitzen der Schaufeln 3 und der Gehäusewand 5 hindurchdringt, sowie der durch die Spaltströmung beeinflusste Turbinenabströmung.
  • Die Diffusorringe 6 und 7 sowie die Leitbleche 8 und 9 weisen je mehrere Teilstücke auf, beispeilsweise konische Teilstücke, die in bestimmten Knickwinkeln zueinander stehen, um einerseits die radiale-axiale Umlenkung und anderseits die erfindungsgemässen Verdichtungsstösse zu bilden. Die Geometrie des äusseren Teildiffusors 12, insbesondere dessen Knickwinkel sind in 2 näher dargestellt.
  • 2 zeigt den äussersten Teildiffusor 12, der die Spaltströmung S, S' und die von der Spaltströmung beeinflusste Turbinenströmung S' aufnimmt. Der Teildiffusor 12 weist entlang der Strömungsrichtung zwei Abschnitte 14 und 15 auf, die einem Überschalldiffusor 14 beziehungsweise einem Unterschalldiffusor 15 entsprechen. Der Überschalldiffusor 14 weist in seinem Anfangsbereich einen Einlaufkanal 16 auf, der sich vom Beginn des äusseren Teildiffusors zwischen einem ersten geraden Teilstück 17 des äussersten Leitblechs 9 und einem ersten geraden Teilstück 18 des äusseren Diffusorrings 7 bis zu dem Knickpunkt A im äusseren Diffusorring erstreckt. Das Teilstück 18 verläuft parallel zum Teilstück 17 des Leitblechs 9. Im Einlaufkanal 16 besitzt die Strömung eine Überschallgeschwindigkeit von beispielsweise Ma 1.6 bis 1.8. Die Spaltabströmung ist dort auch sehr drallbehaftet und inhomogen. Dies ist insbesondere bei grossen Schaufelspielen der letzten Laufschaufelreihe der Fall. Dann belegt die Spaltabströmung 8 bis 10% der Kanalhöhe am Diffusoreintritt. Diese Strömung weist eine grosse Strömungsenergie auf. Der erste Knickpunkt A am äusseren Diffusorring liegt zwischen dem ersten Teilstück 18 und einem zweiten Teilstück 19, das in einem Winkel α zum ersten Teilstück steht, wobei der Knick in Strömungsrichtung zur Rotorachse hin nach innen gerichtet ist. Ein Knickwinkel ist jeweils durch den Winkel zwischen der Verlängerung eines Teilstücks und dem anschliessenden Teilstück besteht, definiert. Der Knickwinkel α beträgt beispielsweise 7° bis 10°.
  • Der Knick bewirkt in der Spaltabströmung S einen zu ihr schräg verlaufenden Verdichtungsstoss, der sich in einem Winkel β von 32° bis 38° von Punkt A auf dem äusseren Diffusorring 7 zum Punkt B auf dem äusseren Leitblech 9 erstreckt und mit einem schraffierten Bereich angedeutet ist. Dieser Verdichtungsstoss bewirkt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit auf ca. Ma 1.4 bis 1.5, wobei ein Teil der Strömungsenergie in Druckenergie für die Truibne umgewandelt wird. Der Winkel α lässt sich gemäss gasdynamischen Regeln bestimmen. Hierzu wird von der Überschallgeschwindigkeit der Strömung im Einlaufkanal ausgegangen und zunächst die Position A des ersten Knicks gewählt. Gemäss den gasdynamischen Regeln werden für eine gewünschte Geschwindigkeitsreduzierung die Winkel α und β bestimmt, woraus der Punkt B festgelegt wird.
  • Dem ersten Verdichtungsstoss folgt bei Punkt B ein zweiter Verdichtungsstoss mit Winkel δ von 41 ° bis 47° zum Teilstück 17. Er erzwingt einen Knick bei Punkt D am äusseren Diffusorring zwischen dessen Teilstück 19 und dem nachfolgenden Teilstück 20. Dieser Knick ist von der Rotorachse weg nach aussen gerichtet, wobei der Knickwinkel α' wiederum 7° bis 10° beträgt. Der durch diesen zweiten Knick bewirkte Verdichtungsstoss verläuft in einem Winkel δ von 50° zur Strömungsrichtung. Der schraffiert angedeutete Verdichtungsstoss verläuft vom Knickpunkt B auf den Punkt D am äusseren Diffusorring 7. Das Leitblech 9 weist am Punkt B keinen Knick auf und verläuft gerade. Das Teilstück 17 des Diffusorrings 7 und das Teilstück 20 des Leitblechs 9 verlaufen wiederum parallel zueinander. Der zweite Verdichtungsstoss bewirkt eine Geschwindigkeitsreduktion auf ca. Ma 1.2.
  • Nachfolgend dem Punkt D folgt ein Beruhigungskanal 21, der vom Teilstück 20 und dem Teilstück 17 des Leitblechs begrenzt ist und sich bis zu einem senkrecht zur Strömung verlaufenden Verdichtungsstoss erstreckt. Er dient dazu, die zum Teil inhomogene Strömung auszugleichen. Ein Knick bei Punkt E im äusseren Diffusorring bewirkt den schraffiert angedeuteten und senkrechten Verdichtungsstoss mit einer damit verbunden, leichten Geschwindigkeitsreduzierung. Die Strömungsgeschwindigkeit reduziert sich dort auf Ma<1, beispielsweise 0.8 bis 0.84. Die zwei vorgesehenen schrägen Verdichtungsstösse sowie der abschliessende senkrechte Verdichtungsstoss sind so ausgelegt, dass der gesamte Abfall des Totaldruckes, abhähngig von der jeweiligen Eintritts-Machzahl, ein Minimum wird.
  • Von den Punkten E und F aus beginnt auch der Unterschalldiffusor 15, der die Strömung weiter verzögert und gänzlich in die radiale Richtung lenkt. Die nachfolgenden Teilstücke 22 und 23 sind dabei so ausgerichtet, dass sich der Teildiffusor 12 dort, wie ein klassischer Diffusor, ein- oder beidseitig aufweitet. Das Leitblech 9 ist ferner im Bereich des Unterschalldiffusors 15 durch Stützstangen 26 gestützt.
  • Die Führung der Spaltabströmung durch einen äusseren Teildiffusor von dieser Geometrie ist besonders bei Niederdruckturbinen mit steiler Gehäusekontur wirksam. Konkret, ist sie besonders wirksam bei Winkeln ε von gegen 40° zwischen der Gehäusewand 5 und der Parallelen zur Rotorachse 2.
  • 3 zeigt einen axial-axialen Mehrkanal-Diffusor für die Führung der Beschaufelungsabströmung einer Niederdruckdampfturbine in axialer Richtung. Wiederum sind von der Niederdruckdampfturbine nur die in Bezug auf den Diffusor wesentlichen Bauteile dargestellt. Es sind der Turbinenrotor 1 mit Achse 2, eine auf dem Rotor 1 montierte Laufschaufel 3 der letzten Laufschaufelreihe sowie eine auf einem Schaufelträger 4 montierte Leitschaufel 3' gezeigt. Die Wand der Gehäusekontur verläuft in einem Winkel ε zu Rotorachse 2. Der Mehrkanal-Diffusor ist wiederum durch einen inneren Diffusorring 31 und einen äusseren Diffusorring 32 begrenzt. Der Diffusor ist durch zwei Leitbleche 33 und 34 in Teildiffusoren unterteilt, wovon der äussere Teildiffusor 35 durch das äusserste Leitblech 34 und den äusseren Diffusorring 32 gebildet ist. Der Teildiffusor 35 dient wiederum dazu, die supersonische Spaltabströmung aufzunehmen und leistungssteigernd umzusetzen.
  • 4 zeigt in näherem Detail die Geometrie des äusseren Teildiffusors 35 gemäss der Erfindung. Der äussere Teildiffusor 35 weist, ähnlich wie beim äusseren Teildiffusor des axial-radialen Diffusors von 1 und 2, einen Überschallteil 37 und Unterschallteil 38 auf. Der Beschaufelungsabströmung S', insbesondere die Spaltabströmung S, strömt zunächst in einen Einlaufkanal 39 mit einer Geschwindigkeit von Ma 1.6 bis 1.8 . Der Einlaufkanal 39 erstreckt sich vom Beginn des äusseren Teildiffusors 35 bis zu einem ersten Knick im Punkt M am äusseren Diffusorring 32. Er ist durch das Teilstück 40 und das Teilstück 42 des Leitblechs, welche parallel zueinander verlaufen, begrenzt. Der Knick im äusseren Diffusorring ist durch den Winkel θ zwischen einem ersten Teilstück 40 und einem nachfolgenden Teilstück 41 des äusseren Diffusorrings bestimmt, wobei der Knick zur Rotorachse hin orientiert ist. Beispielsweise beträgt dieser Winkel θ 7° bis 10°. Dieser Knick bewirkt einen schrägen Verdichtungsstoss in der Strömung, der im schraffiert angedeuteten Bereich sich vom Punkt M in einem Winkel φ vom ersten Teilstück 40 des äusseren Diffusorrings 32 zum Punkt N auf dem dem Teilstück 42 des Leitblechs 34 erstreckt. Dieser Verdichtungsstoss bewirkt eine Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit auf ca. Ma 1.4 bis 1.5. Das Teilstück 42 des Leitblechs 34, das dem äusseren Teildiffusor zugewandt ist, erstreckt sich in diesem Bereich geradlinig.
  • Dem ersten schrägen Verdichtungsstoss bei Punkt M folgt ein zweiter schräger Verdichtungsstoss, der sich vom Punkt N am Leitblech 34 in einem Winkel λ von 41 bis 47° bis zum Punkt R am äusseren Diffusorring erstreckt. Zwischen dem Teilstück 41 und dem nachfolgenden Teilstück 43 ist ein weiterer Knick durch den Winkel ω von 7° bis 10° bestimmt, wobei er von der Rotorachse weg gerichtet ist. Das Teilstück 43 und das Teilstück 42 des Leitblechs verlaufen wiederum parallel zueinander.
  • In Strömungsrichtung verläuft darauf ein Beruhigungskanal 44, der sich bis zu weiteren Knicken in den Punkten T und U erstreckt. Diese Knicke bewirken einen zur Strömung senkrecht verlaufenden Verdichtungsstoss. Der schraffiert angedeutete Verdichtungsstoss bewirkt eine Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit auf Ma<1, genauer auf Ma 0.8 bis 0.85. Die zwei vorgesehenen schrägen Verdichtungsstösse sowie der abschliessende senkrechte Verdichtungsstoss sind so ausgelegt, dass der gesamte Abfall des Totaldruckes, abhängig von der jewieligen Eintritts-Machzahl, ein Minimum wird. Die Knicke bei den Punkten T und U sowie die Teilstücke 45 und 46 sind dabei so gestaltet, dass sich der Teildiffusor 35 gemäss einem klassischen Diffusor aufweitet.
  • In einer Variante der Erfindung, angewendet auf einen axial-radialen oder auf einen axial-axialen Mehrkanal-Diffusor, weisen das äussere Leitblech sowie der äussere Diffusorring je einen Knick von 12 bis 16° auf. (Die Knickwinkel sind wiederum durch die Verlängerung eines ersten Teilstückes des Diffusorrings bzw. des Leitblechs und dem nachfolgenden Teilstück definiert.) Zwischen diesen Knicken verläuft ein schräger Verdichtungsstoss in einem Winkel von 33 bis 40° zu den Teilstücken. Dieser einzige, schräg verlaufende Verdichtungsstoss bewirkt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit von Ma 1.6 bis 1.8 auf ca. Ma 1.25 bis 1.35. Mindestens ein weiterer stromabwärts liegender Knick bewirkt in der Folge einen senkrechten Verdichtungsstoss, welcher die Strömungsgeschwindigkeit auf ca. Ma 0.8 reduziert. Der eine vorgesehene schräge Verdichtungsstoss sowie der abschliessende senkrechte Verdichtungsstoss sind wiederum so ausgelegt, dass der gesamte Abfall des Totaldruckes, abhängig von der jeweiligen Eintrtts-Machzahl, ein Minimum wird.
  • 1
    Turbinenrotor
    2
    Rotorachse
    3
    Letzte Laufschaufelreihe
    3'
    letzte Leitschaufelreihe
    4
    Schaufelträger
    5
    Gehäusewand
    6
    Innerer Diffusorring
    7
    Äusserer Diffusorring
    8
    Inneres Leitblech
    9
    Äusseres Leitblech
    10
    Innerer Teildiffusor
    11
    Mittlerer Teildiffusor
    12
    Äusserer Teildiffusor
    13
    Nabe
    14
    Übererschalldiffusor
    15
    Unterschalldiffusor
    16
    Einlaufkanal
    17, 22
    Teilstücke von Leitblech 9
    18, 19, 20, 23
    Teilstücke von äusserem Diffusorring 7
    21
    Beruhigungskanal
    α, α'
    Knickwinkel
    β, δ
    Winkel von Verdichtungsstoss
    ε
    Winkel Gehäusekontur zu Rotorachse
    A; D, E, F
    Knickpunkte
    S
    Spaltabströmung
    S'
    Turbinenströmung
    31
    innerer Diffusorring
    32
    äusserer Diffusorring
    33
    inneres Leitblech
    34
    äusseres Leitblech
    35
    Äusserer Teildiffusor
    37
    Überschallteil
    38
    Unterschallteil
    39
    Einlaufkanal
    40, 41, 43, 45
    Teilstücke von äusserem Diftusorring
    42, 46
    Teilstücke von Leitblech 34
    44
    Beruhigungskanal
    θ, ω
    Knickwinkel
    φ, λ
    Winkel von Verdichtungsstoss
    M, R, T, U
    Knickpunkte

Claims (7)

  1. Niederdruckdampfturbine mit einem Rotor (1) und einem Mehrkanal-Diffusor zur Führung einer Beschaufelungsabströmung (S, S') aus der Niederdruckdampfturbine mit einem inneren Diffusorring (6, 31) und einem äusseren Diffusorring (7, 32) und einem oder mehr Leitblechen (8, 9, 33, 34), die zwischen dem inneren und äusseren Diffusorring (6, 7, 31, 32) angeordnet sind und den Diffusor in einen äussersten Teildiffusor (12, 35) und einen oder mehr weiteren Teildiffusor (10,11) unterteilen, und der äussere Diffusorring (7, 32) und das ihm nächstliegende, äusserste Leitblech (9, 34) jeweils durch Teilstücke (17-20, 22, 23, 40-43, 45, 46) realisiert sind, welche im äusseren Diffusorring (7, 32) und im äussersten Leitblech (9,34) Knicke bilden dadurch gekennzeichnet, dass von dem äusseren Diffusorring (7,32) und dem äussersten Leitblech (9,34) mindestens der äussere Diffusorring (7, 32) zwei oder mehr Knicke aufweist, die durch einen Knickwinkel (α, α', θ, ω) zwischen den aufeinanderfolgenden Teilstücken (18-20, 22, 23, 40, 41 ,43, 45) gebildet sind und die Position (A, D, E, M, R, T) der zwei oder mehr Knicke im äusseren Diffusorring (7, 32) und die Grösse der Knickwinkel (α, α', θ, ω) so aufeinander abgestimmt sind, dass durch die Knicke ein oder mehr Verdichtungsstösse erzeugt werden, die schräg zur Beschaufelungsabströmung (S, S') verlaufen, die durch den äussersten Teildiffusor (12, 35) strömt, und durch die Knicke ein weiterer Verdichtungsstoss erzeugt wird, der senkrecht zur Strömung verläuft und stromabwärts von dem einen oder mehr schräg verlaufenden Verdichtungsstössen liegt.
  2. Niederdruckdampfturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrkanaldiffusor ein axial-radialer Diffusor ist und der äussere Diffusorring (7) drei Knicke (A,D,E) aufweist, wobei die Position und Grösse der ersten zwei Knicke so aufeinander abgestimmt sind, dass sie zwei zur Strömung im äussersten Teildiffusor (12) schräg verlaufende Verdichtungsstösse bewirken, und der dritte Knick (E) stromabwärts von den zwei ersten Knicken liegt, dessen Position und Grösse so bestimmt sind, dass er einen zur Beschaufelungsabtrömung (S, S') im äussersten Teildiffusor (12) senkrecht verlaufenden Verdichtungsstoss verursacht.
  3. Niederdruckdampfturbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Knicke (A, D, E) im äusseren Diffusorring (7) jeweils durch ein erstes und zweites Teilstück (18, 19, 20, 22, 23) realisiert sind, wobei für die in Strömungsrichtung ersten zwei Knicke (A; D) jeweils zwischen der Verlängerung des ersten Teilstücks (18,19) und dem zweiten Teilstück (19, 20) ein Knickwinkel (α, α') von 7–10° besteht und der erste Knick in Strömungsrichtung zum Rotor (1) hin und der zweite Knick vom Rotor (1) weg gerichtet ist und der dritte Knick (E) den äussersten Teildiffusor (12) aufweitet.
  4. Niederdruckdampfturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrkanal-Diffusor ein axial-axialer Diffusor ist und der äussere Diffusorring (32) drei Knicke (M, R, T) aufweist, wobei die Position und das Winkelausmass der in Strömungsrichtung ersten zwei Knicke so realisiert sind, dass zwei zur Strömung schräg verlaufende Verdichtungsstösse erzeugt werden und stromabwärts von den zwei ersten Knicken (M, R) der äussere Diffusorring (32) sowie das äusserste Leitblech (9) je einen Knick (T, U) aufweisen, der in Position und Winkelausmass so ausgebildet ist, dass ein zur Strömung senkrecht verlaufender Verdichtungsstoss erzeugt wird.
  5. Niederdruckdampfturbine nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Knicke (M, R, T) im äusseren Diffusorring (32) jeweils durch ein erstes und zweites Teilstück (40, 41, 43, 45) realisiert sind, wobei für die in Strömungsrichtung ersten zwei Knicke jeweils zwischen der Verlängerung des ersten Teilstücks (40, 41) und dem zweiten Teilstück (41, 43) ein Knickwinkel (θ,ω) von 7–10° besteht und der erste Knick in Strömungsrichtung zum Rotor (1) hin und der zweite Knick vom Rotor (1) weg gerichtet ist.
  6. Niederdruckdampfturbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Diffusorring (7, 32) und das äusserste Leitblech (9, 34) zwei Knicke aufweisen, wobei für den in Strömungsrichtung ersten Knick die Position und Grösse so bestimmt sind, dass er einen zur Strömung im äusseren Teildiffusor (12, 35) schräg verlaufenden Verdichtungsstoss bewirkt, und der zweite, stromabwärts von diesem ersten Knick liegende Knick in Position und Grösse so bestimmt ist, dass er einen zur Strömung im äussersten Teildiffusor (12, 35) senkrecht verlaufenden Verdichtungsstoss erzeugt.
  7. Niederdruckdampfturbine nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Knick im äusseren Diffusorring (7, 32) und am äussersten Leitblech (9, 34) durch ein erstes und ein zweites Teilstück realisiert ist, wobei zwischen der Verlängerung des ersten Teilstücks und dem zweiten Teilstück ein Knickwinkel von 12° bis 16° besteht.
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