DE3049897C1 - Auspuffstutzen einer Turbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Auspuffstutzen einer Turbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Auspuff stutzen ist aus dem DE-GM19 35 534 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung handelt es sich um ein Gasstrahltriebwerk mit der Gasturbine nachgeschalteten Drehdüsen zur gesteuerten Abgasstrahlumlenkung. Um einen drallfreien Austritt des die letzte Turbinenstufe verlassenden Gasstroms in den zwischen dieser und den Drehdüsen gelegenen Strömungsraum zu gewährleisten, ist als Ablenker ein Kranz aus verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen, die jedoch nicht zur Änderung des Austrittsquerschnitts der Turbine bestimmt sind und auch nicht aus dem Strömungsweg herausgenommen werden können.

Mit der bekannten Ausführung des Auspuffstutzens wird keine gute Wirtschaftlichkeit des Arbeitsprozesses bei Turbinenbelastungen unterhalb der Nennbelastung erzielt; auch wird bei einem Volumendurchsatz des Arbeitsmediums unter V3 des Nenndurchsatzes die Be

triebssicherheit der Turbine fraglich.

Bei einer Herabsetzung der Turbinenbelastung durch Verminderung des Volumendurchsatzes des Arbeitsmediums, das durch die letzte Turbinenstufe bei einer konstantbleibenden Drehzahl der Laufschaufeln der letzten Stufe der Turbine durchströmt, hat der Arbeitsmediumsstrom am Eintritt des Auspuffstutzens einen Drall, wobei die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit im allgemeinen in ihrer Größe mit der Axialgeschwindigkeitskomponente vergleichbar ist und diese manchmal wesentlich übersteigt. Die Zentrifugalkräfte in der Drallströmung begünstigen durch den Zuwachs der Radialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit eine Ablösung der Strömung an der Innenwandung des Auspuffstutzens, wodurch die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit der Turbine beeinträchtigt werden.

Bei der bekannten Ausführung des Auspuffstutzens kann zwar der Zuwachs der Radialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar in der letzten Turbinenstufe und gleich hinter dieser durch Verstellung des Leitschaufelkranzes während des Turbinenbetriebes und die dadurch bewirkte Änderung der Durchgangsquerschnitte am Eintritt des Auspuffstutzens eingeschränkt werden, jedoch reichen bei volumetrischen Durchsätzen des Arbeitsmediums unter V3 des Nenndurchsatzes auch starke Veränderungen der Flächen der Durchgangsquerschnitte nicht aus, um Ablösungen der Strömung an der Innenwandung des Diffusors im Strömungsteil und auch unmittelbar an den Laufschaufeln der letzten Turbinenstufe zu verhindern, wodurch wiederum die Betriebszuverlässigkeit der Turbine beeinträchtigt wird.
Darüber hinaus tritt das Arbeitsmedium bei unter der Nennbelastung liegenden Belastungszuständen außerhalb des Diffusors mit einem Drall über den ganzen Diffusorraum heraus, wodurch große Verluste an kinetischer Strömungsenergie bei der Verwirbelung im Hauptströmungsteil des Auspuffstutzens verursacht werden und jedenfalls die Bewegung des größeren Teils des Arbeitsmediums im Auspuffstutzen nicht in optimalen Bahnen verläuft.

Durch diese Umstände wird im bekannten Auspuffstutzen nicht nur kein Rückgewinn des statischen Drucks des Arbeitsmediums erreicht, sondern es kann eine Verminderung der Druckgröße in Richtung vom Eintritt in den Auspuffstutzen bis zu dessen Austritt auftreten, welche die Wirtschaftlichkeit der Turbine im ganzen herabsetzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Auspuffstutzens einer Turbine, mit dem im ganzen Bereich der möglichen Turbinenbelastungszustände eine achssymmetrische, ablösungsfreie Strömung des Arbeitsmediums in der letzten Turbinenstufe erreicht sowie jede Verwirbelung im Strömungsteil des Auspuffstutzens beseitigt wird.

Ausgehend von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen gattungsmäßigen Ausbildung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Durch diese Ausbildung des Auspuffstutzens wird in den Teillast-Betriebszuständen der austretende Drallstrom in anpaßbar optimaler Weise in dem schraubenlinienförmigen Diffusorkanal bzw. den schraubenlinienförmigen Diffusorkanälen geführt und eine hohe Wirtschaftlichkeit des Arbeitsprozesses durch die Vermeidung von Verwirbelungen über den ganzen Bereich der

Betriebszustände der Turbine erreicht. Die allmählich zunehmende Querschnittsfläche des Diffusorkanais stimmt mit dem Zuwachs des Durchsatzes des Arbeitsmediums bei dessen Bewegung im genannten Kanal überein und begünstigt die Gleichmäßigkeit des Drukkes über diese Querschnittsfläche.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgvorschlags sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 stellt eine in Herstellung und Betrieb ziemlich einfache Ausbildung des Antriebswerks dar.

Durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale wird eine ausreichende Dichtigkeit des schraubenlinienförmigen Diffusorkanais erreicht, der Werkstoffaufwand für die Herstellung des Leitansatzes herabgesetzt und eine optimale Bewegungsbahn beim Austritt des Arbeitsmediumsstromes aus dem Diffusorkanal begünstigt sowie werden die Energieverluste durch Reibung der Schaufeln mit dem Arbeitsmedium vermindert.

Wenn schließlich gemäß Anspruch 4 der Austrittsquerschnitt des schraubenlinienförmigen Diffusorkanais zum Austrittsquerschnitt des Auspuffstutzens der Turbine wenigstens ungefähr parallel verläuft, so werden kürzestmögliche Bewegungsbahnen der Arbeitsmediumsteilchen im Strömungsteil des Aufpuffstutzen erreicht, d. h. es wird dessen maximale Wirtschaftlichkeit in allen Betriebszuständen der Turbine gesichert.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Auspuffstutzens der Turbine gibt die Möglichkeit, ohne Herabsetzung der Wirtschaftlichkeit des Auspuffstutzens beim Nennbetrieb eine axiale NichtSymmetrie der Strömung in der letzten Turbinenstufe und die Verwirbelung im Strömungsteil des Auspuffstutzens zu vermeiden, durch welche die Betriebssicherheit und -Wirtschaftlichkeit der Turbine bei Abweichung ihres Betriebszustandes von dem Nennbetrieb sonst beeinträchtigt würden.

Die axiale Symmetrie der Strömung des Arbeitsmediums ermöglicht die Vermeidung zusätzlicher schwingender Beanspruchungen der Beschaufelung des Laufrades und somit auch zusätzlicher Energieverluste an diesen. Die Vermeidung von Verwirbelungen in der Nähe der Beschaufelung des Laufrades verhindert die Erosion der Schaufelaustrittskanten.

Die Erfindung ermöglicht eine Steigerung der Betriebsdauer der Turbinenschaufeln, Verringerung des Ausfallrisikos, Herabsetzung der Reparaturkosten und Überholungskosten des Turbinenläufers sowie eine Steigerung der Turbinenwirtschaftlichkeit praktisch im ganzen Bereich der Turbinenbetriebszustände.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Auspuffstutzen in schematischer Längsschnittdarstellung mit dem Ablenker in seiner inaktiven Ausgangsstellung;

F i g. 2 den Auspuffstutzen gemäß F i g. 1 mit dem Ablenker in der Arbeitsstellung, in der er maximal gegeben ist;

F i g. 3 die Ansicht des Ablenkers;

F i g. 4 die Seitenansicht in Richtung C des unverformten Ablenkers in seiner Ausgangsstellung;

F i g. 5 die Seitenansicht in der Arbeitsstellung:

Fig.6 den schraubenlinienförmigen Diifusorkaaal in perspektivischer Darstellung;

F i g. 7 die Ansichi einc-> .-.echiwiligsn Ablenker«.

Der Airspuifsiui:-.;:! enier Turbine hat ein-Genä-r^ i, in dem ein Strömüagsraüm 2 zum DurchSeiten des Arbeitsmediums aus der letzten Turbinenstufe B vorgesehen ist, wobei diese aus einem ortsfesten, im Turbinenstator 5 befestigten Leitschaufelkranz 4 und einem Laufschaufelkranz 3 besteht.

Am Eintritt in den Strömungsraum 2 ist ein Leitansatz 6 in Form eines Drehungskörpers, vorliegend in Form eines Zylinders, vorgesehen. Die Längsachse 7 des Leitansatzes 6 fällt zusammen mit der der Turbine. Sein eines Ende liegt in der Nähe des Außenumfangs des Laufschaufelkranzes 3 der letzten Turbinenstufe B.

ίο Der Leitansatz 6 ist am Turbinenstator 5 auf geeignete Weise befestigt; er kann jedoch auch längs der Turbinenachse 7 verschieblich sein.

Im Strömungsraum 2 ist noch ein Ablenker 8 aus einem elastischen Werkstoff zur Bildung eines Kanals vorbestimmter Form vorgesehen.

In der in F i g. I bis 6 gezeigten Ausbildung ist der Ablenker 8 ein an einer Stelle 9 längs eines Radius geschnittener Ring. Seine Achse fällt im wesentlichen mit der Achse 7 der Turbine zusammen.

Der Ablenker 8 ist längs der Turbinenachse 7 verstellbar. Hierzu dient ein Verstellantrieh 10, der mit dem Ablenker 8 an drei Stellen derart verbunden ist, daß bei unterhalb der Nennleistung liegenden Leistungen des Turbinenbetriebs der Ablenker 8, wie in F i g. 2 gezeigt, in die Nähe der Laufschaufeln 3 verschoben und so gebogen wird, daß innerhalb des Leitansatzes 6 ein schraubenlinienförmiger Diffusorkanal 11 entsteht, dessen Austrittsquerschnitt 11a sich an der Schnittstelle 9 des Ringes 8 befindet.

Der schraubenlinienförmige Diffusorkanal 11 bewirkt bei Belastungen der Turbine unterhalb der Nennbelastung einen optimal wirtschaftlichen Verlauf des Entspannungsvorgangs des Arbeitsmediums im Auspuffstutzen A hinter dem Laufschaufelkranz 3 der letzten Turbinenstufe.

Der Verstellantrieb 10 enthält drei Stangen 12, die durch je eine Bohrung im Gehäuse 1 hindurchgeführt und kinematisch mit einem Antrieb 13 zur Hin- und Herbewegung längs der Turbinenachse 7 verbunden ist.

Jeder Antrieb 13 ist z.B. ein elektrischer Stellmotor, wobei dann die Stangen 12 als Gewindestangen ausgebildet sind; möglich wäre auch ein hydraulischer oder ein anderer geeigneter Antrieb.
Der Antrieb kann auch aus mehr als drei Stangen 12 bestehen.

Ein Ende jeder Stange 12 ist mit Hilfe eines Gelenks 14 mit der ebenen Seitenfläche des Ablenkers 8 verbunden. Dabei sind zwei Stangen 12 in der Nähe der Schnittstelle 9 in gleichen Entfernungen von dieser, und die dritte Stange 12 an der der Schnittsteile 9 diametral gegenüberliegenden Stelle am Ablenker 8 angeschlossen.

Der Ablenker 8 hat einen Aui3endurchmesser, der ein wenig kleiner als der Innendurchmesser des Leitansatzes 6 ist. Dadurch kann er in seiner Arbeitsstellung möglichst nah an die Laufschaufeln 3 aer letzten Turbinenstufe B herangeschoben werden. Auch ist so eine freie Verstellung des Ablenkers 8 im Leitansatz 6 und eine Veränderung der Biegungskrümmung des Ablenkers 8

eo in seiner Arbeitsstellung möglich, wodurch die Größe des Austrfttsquerschsitts 11a des Diffusorkanais 11 in Abhängigkeit von dein volumetrische!! Durchsatz des ArbeitSiTiiiiuns. -;;ngests'h '.verden kann.

Die Auicrhiskante öa des Leitansatzes t>. die dem Ab-

:■:=, linker £ 2;-5e^T-vinat hi. nut eine de-n Verlauf des Außenr^ndes Sa des .-iblenktrs E bsi cesser. größtmöglicher Durchbiegung entsprechende Gestalt. Dies ermöglicht die Bildung eines verhältnismäßig dichten scnraubenli-

nienförmigen Diffusorkanais 11 und einen ziemlich fließenden Austritt der Strömung aus diesem.

An der Schnittstelle 9 des Ablenkers 8 ist der Verlauf seines krummlinigen Außenrandes 8a unterbrochen und dementsprechend weist die Kante 6a des Leitansatzes 6 hier eine geradlinige Strecke 66 auf, die in der Ebene des Austrittsquerschnitts 11a des Diffusorkanais 11 liegt. Dieser Austrittsquerschnitt Ua liegt wiederum zum Austrittsquerschnitt 15 des Auspuffstutzens A selbst parallel. Dadurch ergibt sich eine Herausführung des Arbeitsmediums aus dem Auspuffstutzen A auf dem kürzesten Wege, nämlich rechtwinklig zu diesen Querschnitten, und demzufolge ein Minimum an Energieverlusten durch Verwirbelung.

F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablenkers 16, der an sechs Stellen längs Radien geschnitten und demzufolge in sechs gleiche Ablenkerteile 17 unterteilt ist. Jeder Ablenkerteil 17 hat einen Verstellantrieb 10 mit drei Stangen 12, die eine unabhängige Verstellung der Ablenkerteile 17 ermöglichen. Diese Ausbildung eröffnet die Möglichkeit, den Ablenker 16 auch an einem krummlinigen Gehäuse 1 anzuordnen, wenn die Form des Auspuffstutzens A aus Gründen der Festigkeit und des gedrängten Ausbaus entsprechend gewählt wurde und die Verwendung eines flachen Ringes 8 mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden wäre.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Auspuffstutzens ist folgende:

Bei der Nennbelastung und dieser nahen Belastungen der Turbine steht der Ablenker 8 gemäß der Fig. 1 in der rechten Ausgangsstellung und hat die Form eines ebenen, am Gehäuse 1 des Auspuffstutzens A anliegenden Ringes.

Bei einer Herabsetzung der Turbinenbelastung unter die Nennbelastung kommt es zu einer Verminderung des Durchflußvolumens des Arbeitsmediums, wodurch hinter den Laufschaufeln 3 ein Strömungsdrall in Richtung von deren Drehung entsteht und die radiale Strömungsgeschwindigkeitskomponente zunimmt. Dann werden die Antriebe 13 automatisch oder von Hand so betätigt, daß der Ablenker 8 zu den Laufschaufeln 3 verschoben und elastisch verformt wird, daß sich ein schraubenlinienförmiger Diffusorkanal 11 bildet. Wenn die untere Stange 12 ihre linke Endstellung in F i g. 2 erreicht, schalten alle Antriebe 13 ab. Der im Strömungsraum 2 des Auspuffstutzens A somit gebildete schraubenlinienförmige Diffusorkanal 11 ist begrenzt durch den Ablenker 8, den Leitansatz 6 und die Innenwandung des Gehäuses 1.

Aus dem Austrittsquerschnitt 11a des Diffusorkanais 11 tritt die Strömung im wesentlichen rechtwinklig heraus und erreicht den Austrittsquerschnitt 15 des Auspuffstutzens A, wodurch die radiale Komponente der Geschwindigkeit der Austrittsströmung aus den Laufschaufeln 3 ausgenutzt wird, d. h. die Wirtschaftlichkeit des Arbeitsprozesses wird somit im Auspuffstutzen A gesteigert.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung wird eine Verwirbelung in der Nähe der Laufschaufeln 3 der letzten Turbinenstufe B im ganzen Bereich der möglichen Betriebszustände ausgeschlossen, eine eventuelle Umfangsungleichmäßigkeit des Druckes des Arbeitsmediums vermieden und die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit der Turbine gesteigert. Die erzielbaren Verbesserungen sind besonders markant bei Axialturbinen mit nichtachssymmetrischem Austritt des Arbeitsmediums, auch bei Dampf- und Gasturbinen zum Antrieb von Elektrogeneratoren, Luftgebläsen, Schiffsschrauben usw., welche bei veränderlichen Durchflußmengen des Arbeitsmediums und mit veränderlicher Drehzahl des Läufers betrieben werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Auspuff stutzen (A) einer Turbine mit einem einen Strömungsraum (2) umschließenden Gehäuse (1), in dem ein als Drehungskörper ausgebildeter Leitansatz (6) so angeordnet ist, daß seine Längsachse mit der Turbinenachse zusammenfällt und sein Eintrittsrand sich in der Nähe der Enden der Laufschaufeln (3) der letzten Turbinenstufe (B,) befindet,
und in welchem ein verstellbarer, wenigstens einen schraubenlinienförmigen Diffusorkanal (11) bildender Ablenker (8) angeordnet ist, dessen Achse im wesentlichen mit der Turbinenachse (7) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet,

daß der Ablenker (8) aus wenigstens einem elastisch verformbaren Leitelement (8,17) besteht und in seiner Ausgangsstellung die Form eines radial zumindest an einer Stelle geschnittenen Ringes aufweist,
und daß der Verstellantrieb (10) an jedem der Leitelemente (8, 17) an zumindest drei Stellen derart angreift, daß während des Turbinenbetriebes bei unter der Nennleistung liegenden Belastungen der schraubenlinienförmige Diffusorkanal (11) bzw. die schraubenlinienförmigen Diffusorkanäle gebildet werden.

2. Auspuffstutzen einer Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstellantrieb (10) aus drei einen Axialverschiebungsantrieb (13) aufweisenden Stangen (12) besteht, von denen zwei an von den Schnitträndern gleich weit entfernten Stellen des zugehörigen Leitelements und eine an einer mittigen Position des Leitelements angreifen.

3. Auspuffstutzen einer Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsrand (6a) des Ablenkers (8) eine Gestalt aufweist, die dem Verlauf der krummlinigen Außenfläche (Sa) des Ablenkers (8) bei dessen größter Verformung entspricht.

4. Auspuff stutzen einer Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (llaj des schraubenlinienförmigen Diffusorkanais (11) zum Austrittsquerschnitt (15) des Auspuffstutzens (A) der Turbine wenigstens annähernd parallel verläuft.