DE1904438A1

DE1904438A1 - Abstroemgehaeuse einer axialen Turbomaschine

Info

Publication number: DE1904438A1
Application number: DE19691904438
Authority: DE
Inventors: Dr Sc Tech Alfred Christ; Viktor Schreiber; Dipl-Ing Erhard Tomica
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1968-02-15
Filing date: 1969-01-30
Publication date: 1969-09-18
Also published as: US3552877A; ES363673A1; GB1240568A; CH484358A; NL6902459A; DE1904438B2; SE357418B; DK118774B; BE727954A; NO130025B; FR2001948A1

Description

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Esche r Wyes G.m.b.H., Bavensburg (Württemberg)

Abströmgehäuse einer axialen Turbomaschine.

Die Erfindung betrifft ein Abströmgehäuse einer axialen Turbomaschine mit einem axialen Diffusor mit ringförmigem Kanal und einem in radialer Richtung endenden Umlenkungs-8tück.

Bei thermischen, axial durchströmten Turbomaschinen wie Dampf- oder Gasturbinen und Kompressoren ist der an den letzten Schaufelkranz anschliessende axiale Diffusor, im Gegensatz etwa zu Wasserturbinen, ringförmig ausgebildet. Bei der Entwicklung von Turbomaschinen grosser Leistung besteht die Tendenz, die axiale Durchströmgeschwindigkeit so hoch als möglich zu wählen, und damit werden auch die Austrittsgeschwindigkeiten aus den Ends»tufen immer grosser. Um den Austrittsverlust möglichst niedrig zu halten, muss die kinetische Energie der austretenden Strömung möglichst weitgehend in Druckenergie umgewandelt werden.

Ee sind lange ringförmige Diffusoren bekannt, deren Kanalachsen axial oder auch kontinuierlich radial nach aussen ge-

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krümmt oder diagonal verlaufen. Gemeinsam ist bei diesen Ausführungsformen der Nachteil einer grossen axialen Baulänge, die ein Mehrfaches der Höhe der Endschaufeln beträgt. Die Baulänge der ganzen Anlage wird zusätzlich dadurch erhöht, dass für die Unterbringung des Wellenlagers des Rotors in der Nähe der Endstufe kein Baum zur Verfügung steht und das Lager daher weiter entfernt angeordnet werden muss, oder aber dass ein kompliziertes Innenlager zur Anwendung gelangen muss.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu überwinden. Zu diesem Zwecke wird ein Abströmgehäuse der eingangs geschilderten* Art erfindungsgemäss derart ausgebildet, dass im Bereiche des Umlenkungsstückes der Durchströmungsquerschnitt abnimmt und anschliessend an das UmIenkungsstück ein radialer Diffusor vorgesehen ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in vereinfachter Form dargestellt. Es zeigen: Tig. 1 einen Axialschnitt durch einen Ausschnitt durch ein

Abströmungsgehäuse eines Axialkompressors, Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen Ausschnitt eines Ab-

strömungsgehäuses einer Niederdruckdampfturbine, und Fig. 3 und 4 Einzelteile aus Fig. 2 in grösserem Masstab. Einander entsprechende Teile weisen in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen auf.

In Fig. 1 erkennt man die Maschinenachse 1 und die. End-

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stufe 11 mit einer sichtbaren Laufschaufel 12. Abströmseitig der Endstufe ist ein ringförmiger axialer Diffusor 13 angeordnet. An diesen Diffusor ist anschliessend, das heisst abströmseitig, ein in radialer Richtung endendes Umlenkungsstück 14 vorgesehen. Im Bereiche des UmIenkungsstückes 14 nimmt der Durchströmquerschnitt ah; der Querschnitt F-. ist geringer als der Querschnitt F-. Anschliessend an das Umlenkungsstück 14, das heisst abströmseitig seines in radialer Sichtung weisenden Endes, ist ein radialer Diffusor 15 vorgesehen. Der Oeffnungswinkel & des axialen Diffusors 13 beträgt 13°t was gegenüber herkömmlichen Werten von 6 bis einen steilen Diffusor ergibt. Der radiale Diffusor 15 weist parallele, maschinenachssenkrechte Wände auf. Das Umlenkungs-Btück 14 wird von bogenförmig verlaufenden 7/änden begrenzt, an welche die Wände des axialen Diffusors und des radialen Diffusors tangential anschliessen.

Seim Betrieb wird ein beträchtlicher Teil der kinetischen Energie des die Endstufe 11 verlassenden Arbeitsmittels im axialen Diffusor 15 zwischen den Durchströmquerschnitten F.. und Ρ« in Druckenergie umgewandelt. Dabei reisst die Strömung trotz der Steilheit des Diffusors nicht ab, weil dieser kurz gehalten ist und an ihn das Umlenkungsstück 14 anschliesst, dessen Durchströmungsquerschnitt zwischen den Durchströmungsquerschnitten F und F 'abnimmt. Im radialen

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Diffusor 15 erfolgt zwischen den Durchströmungsquerschnitten

F- und F, nochmals eine Umwandlung von kinetischer in Druck- j 4

energie. Am Ende des radialen Diffusors 15 ist ein bekannter, nicht dargestellter Sammelraum angeschlossen, in welchem die Strömung keine besondere Führung mehr benötigt, und welcher beliebig ausgebildet sein kann.

Durch die erfinderischen Massnahmen erhält man ein Abströmgehäuse einer axialen Turbomaschine, welches eine den bekannten Ausführungen mindestens ebenbürtige Diffusorwirkung aufweist und gleichzeitig eine beträchtliche geringere axiale Baulänge hat, womit die Axiallänge der ganzen Maschine erheblich reduziert wird.

Je steiler der axiale Diffusor ausgebildet ist, desto kürzer kann er in seiner axialen Länge sein. Untersuchungen haben ergeben, dass für eine merkliche axiale Verkürzung des axialen Diffusors ein Oeffnungswinkel desselben von mindestens 12 nötig ist, dass hingegen ohne Notwendigkeit der Oeffnungswinkel nicht mehr als 55° betragen soll. Weiter haben Untersuchungen ergeben, dass der Durchströmquerschnitt im Umlenkungsstück vorzugsweise um 5 bis 15$ abnehmen soll. Die Wände des Umlenkungsstückes könnenvaus einem oder mehreren kreisbogenförmigen Sektoren oder aus einem oder mehreren Abschnitten bestehen, die tangential zur gedachten Bogenlinie verlaufen.

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Bei dem in Pig. I dargestellten Abströmgehäuse eines Kompressors weist die Endstufe Schaufelhöhen von nur einigen Zentimetern auf. Die Durchströmquerschnitte sind daher so gering, dass keine Hilfsmittel zur Führung der Strömung im und nach dem Umlenkungsstück in Form von Leitschaufeln nötig sind. Bei Niederdruckdampfturbinen hingegen kommen in der Endstufe Schaufelhöhen von 70 bis 90 cm vor. Hier stellt sich die Forderung nach geringer axialer Baulänge besonders dringlich, und entsprechend wird der axiale Diffusor besonders steil ausgebildet werden müssen, so dass es notwendig wird, Leitschaufeln vorzusehen.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Axialschnitt durch ein Abströmgehäuse einer ITiederdruckdampfturbine mit Leitschaufeln im und nach dem Umlenkungsstück. Mit 21 ist die Endstufe mit einer sichtbaren Laufschaufel 22 bezeichnet, mit 23 der axiale Diffusor, mit 24 das Umlenkungsstück und mit 25 der radiale Diffusor. Der axiale Diffusor 23 weist einen Oeffnungswinkel o( ρ von 52 auf. Die Wände des Umlenkungsstükkes 24· weisen gerade, tangential zur gedachten bogenförmigen Linien verlaufende Wände auf. Ein Vergleich mit Fig. 1 zeigt sofort, dass der axiale Diffusor 25, entsprechend seines grösseren Oeffnungswinkels, trotz grösserer Höhe der Schaufeln 22 gegenüber den Schaufeln 12, bedeutend kürzer ist als der axiale Diffusor 12.

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Im Umlenkungsstück .24 und im radialen Diffusor 25 sind vier Leitschaufeln 26 vorgesehen, deren Wände im wesentlichen parallel zu den Wänden des Umlenkungsstückes und parallel zu den Wänden des radialen Diffusors verlaufen. Sie sind mittels zylindrischer Stützen 27 im Bereiche des Endes des radialen Diffusors an der äusseren Diffusorwand befestigt-und begrenzen fünf Strömungskanäle 28.

Untersuchungen haben ergeben, dass für eine einwandfreie Führung der Strömung für jeden Strömungskanal 28 längs des Umlenkungsstückes und des radialen Diffusors die Bedingung erfüllt seift muss, dass das Verhältnis der Differenz zwischen dem Radius IK des abströmseitigen Endes des radialen Diffusorteiles 125 und dem inneren Radius R. des einströmseitigen Endes des Umlenkungsstückteils 124 zur Differenz des äusseren Radius R zum inneren Radius R. des einströmseitigen Endes des Umlenkungsstückteils 124 mindestens 3 betragen muss und vorzugsweise mindestens 4 betragen soll. Man ersieht aus Fig.3> welche die beiden in Fig. 2 rechts gelegenen Leitschaufeln 26 in doppeltem Masstab zeigt, dass das erwähnte Verhältnis

R — R ·

-Ä 1 4»5 beträgt. Da die Neigung der inneren Wand des

^Ra " ^Ri

axialen Diffusors 23 zur Maschinenachse 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel 3° beträgt und ganz allgemein stets gering sein wird, wobei der erforderliche 0öffnungswinkel U\ _p in erster Linie durch eine entsprechende Neigung der äusseren

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Wand des axialen Diffusors erreicht wird, besteht ein Zusammenhang zwischen dem Nabenverhältnis der Endstufe 21 und der Anzahl der notwendigen Leitschaufeln 26. Bei einer Schaufelhöhe von 80 cm einer Endstufe mit einem Nabenverhältnis von 0,5 bis 0,6 ergeben sich vorzugsweise vier Leitschaufeln, wenn die oben angegebenen Abmessungsverhältnisse in den einzelnen von den Leitschaufeln bestimmten Durchströmkanälen vorherrschen sollen.

In Pig. 1, wo Schaufelhöhen von wenigen cm und entsprechend kleine Durchströmquerschnitte vorliegen, sind die erwähnten AbmessungsVerhältnisse des Strömungskanals 18_t der sich über das Umlenkungsstück 14 und den radialen Diffusor 15 erstreckt, und der durch die Wände dieser Teile begrenzt wird, erfüllt, und es sind keine Leitschaufeln erforderlich. In Fig. 2, wo grosse Schaufelhöhen und entsprechende Durchströmquerschnitte vorliegen, sind die genannten Bedingungen für den sich über das umlenkungsstück 24 und den radialen Diffusor 25 erstreckenden Kanal, der durch die Wände der genannten Teile begrenzt wird, und der kein Bezugszeichen aufweist, nicht erfüllt, und um die genannten Bedingungen zu erfüllen, müssen die Leitschaufeln 26 vorgesehen werden, wobei dann die durch dieselben bestimmten Strömungskanäle 28 die erwähnten Bedingungen erfüllen.

Die gebogenen Abschnitte der Leitschaufeln 26 stellen

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im Prinzip Abschnitte von Torusschalen dar. Die Herstellung solcher Teile durch Metalldrücken ist aber schwierig und nur "bis zu einer gewissen Purchmessergrenze möglich und für bei Niederdruckdampfturbinen vorkommende Dimensionen nicht möglich, Daher weisen die Leitschaufeln 26 eine mehreckige Form gemäss Fig. 4 auf. Eine solche Leitschaufel lässt sich leicht aus mehreren einfach gekrümmten Blechschüssen zusammenschweissen.

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Claims

Pat entansprüche

1. Abströmgehäuse einer axialen Turbomaschine mit einem axialen Diffusor mit ringförmigem Kanal und einem radial endenden Umlenkungsstück,

dadurch gekennzeichnet, dass im Bereiche des Umlenkungsetückes (14t 24) der Durchströmungsquerschnitt (Pp, P^) abnimmt und anschliessend an das Umlenkungsstück ein radialer Diffusor (15, 25) vorgesehen ist.

2. .Abströmgehäuse nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oeffnungswinkel (cC^) des axialen Diffusors (13) mindestens 12° beträgt.

3· Abströmgehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Oeffnungswinkel (c< «) ^^es axialen Diffusors (23) höchstens 55° beträgt.

4. Abströmgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmungsquerschnitt (F_?, P^) innerhalb des ümlenkungsstückes (14, 24) in Strömungsrichtung um 5$ bis $ abnimmt.

5· Abströmgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich über das-umlenkungsstück (24) und den radialen Diffusor (25) erstreckende, zu den Wänden dieser Teile im wesentlichen parallel verlaufende Leitschaufeln (26) vorgesehen sind, welche einzelne Strömungskanäle (28) begrenzen .

6. Abströmgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (18) entlang des Ümlenkungsstückes (14) und des radialen Diffusors (15) durch die Wände dieser Teile gebildet wird.

Abströmgehäuse nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Strömungskanals (18) bzw. der

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Strömungskanäle (28) das Verhältnis der Differenz zwischen dem Badius (R_d) des abströmseitigen Endes des radialen Diffusors (15) bzw. Diffusorteils (125) und dem inneren Radius (R^) des einströmseitigen Endes des Umlenkungsstückes (14) bzw. ümlenkungsstückteils (124) zur Differenz zwischen dem äusseren Radius (R ) und dem inneren Radius (R.) des

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einströmseitigen Endes des umlenkungsstückes (14) bzw. des Umlenkungsstückteils (124) des zugeordneten Strömungskanals (18, 28) mindestens 3. vorzugsweise mindestens 4 beträgt.

8. Abströmgehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (26) innerhalb des Umlenkungsstückes (24) als mehreckige Mantel ausgebildet sind, deren in Umfangsrichtung gerade Sektoren tangential zu gedachten Torusschalenstücken verlaufen.

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