DE3342351A1

DE3342351A1 - Kompakt-diffusor fuer hochleistungs-gasturbine

Info

Publication number: DE3342351A1
Application number: DE19833342351
Authority: DE
Inventors: Costantino Florenz Vinciguerra
Original assignee: Nuovo Pignone SpA
Current assignee: Nuovo Pignone SpA
Priority date: 1982-11-23
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1984-05-24
Also published as: NL8303937A; IT8224370A1; FR2536460A1; JPS59105905A; GB8330590D0; SE8306392L; CH655976A5; IT1153351B; GB2131100B; BE898296A; NO834253L; SE8306392D0; FR2536460B1; IT8224370A0; GB2131100A; DE3342351C2

Description

40/4/Zi

Kompakt-Diffusor für Hochleistungs-G-asturbinen.

Die Erfindung betrifft einen Diffusor, der insbesondere für Hochleistungs-Gasturbinen (mit über 10.000 k'ff)verwendbar ist, und der es ermöglicht, dass ein sehr hoher Diffusionswirkungsgrad bei kleinen Axial-und Radial-G-e sacitabmes sungen erreicht wird, die nicht die bei der üblichen Auslegung für Transportbedingungen zulässigen Abmessungen übersteigen. Infolge des erreichbaren hohen Diffusionswirkungsgrades und der pich daraus ergebenden geringen Abgasgeschwindigkeit wird auch eine wesentliche Reduzierung der Vibrationen und des Geräusches erreicht, so dass der Aufbau des Abgasgeräuschdämpfers einfacher wird, und damit die Kosten und der Raumbedarf vermindert werden.

Es ist bekannt, dass die üblicherweise für leistungsgasturbiner: verwendeten Diffusoren sich von denen ableiten, die für Jjuftfahrtturbinen ausgelegt sind, in welchen geringe Gesamtradialabmessungen wesentlich sind, und in denen die Diffusionsleitung von aerodynamisch profilierten Doppelwandrippen durchsetzt sein muss, die im Innenraum mit kaltem Gas gekühlt werden, um das Wellenlager abzustützen, was auf andere Y/eise nicht erreichbar ist.

Dies« Diffusoren sind aus zwei koaxialen konischen Wänden gebildet mit einem Winkel von etwa 7° zwischen den Konen. Aus diesem Grund hat ein Diffusor dieser Bauart seinen maximalen Wirkungsgrad unter Bedingungen des besten Kompromisses zwischen den Reibungsverlusten an beiden Wänden, der für gleiche Oberflächenbeschaffenheit abhängt von der Länge

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und auf diese Weise um so geringer sind₂ %e kurzer £er Diffusor ist und der Turbulenzverluste, die um so kleiner sind, je gradueller Diffusion verläuft, und daher je langer der Diffusor ist. Es wurde durch. Experimente festgestellt, dass die optimale Kompromisslänge in Abhängigkeit vom Grad der Oberfläche, der Geschwindigkeit usw« einer ersten Annäherung an den Winkel zwischen den Konen von etwa 7° -ür Zweiwanddiffus oren für die gebräuchlichen axialen Abmessungen entspricht.

Andererseits hat das Gas noch eine hohe Geschwindigkeit, ivenn es den Diffusor verlässt,, und seine Energie geht daher verloren, aber wenn das Abgas axial austritt und unter Berücksichtigung des aeronautischen Kompromisses zwischen Gewicht, Gesamtabmessung und Wirkungsgrad kann dieser Verlust hingenommen werden.

Am Boden stehende Turbinen, die sich aus den aeronsutischen Erfahrungen ableiten, verwenden ähnliche Diffusoren, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass am Ende des Diffusors das Gas eine Ablenkung in radiale..Richtung erhält, infolge der Tatsache, dass die Abgasführung bei am Boden stehenden Turbinen radial verläuft. TJm das Gas mit geringeren Verlusten und kleineren Radien abzulenken, sind häufig Anordnungen von Deflektoren an der Biegung angeordnet und haben einen Querschnitt in der Form von parallelen, kreisförmigen Bogen. Die Gasdiffusion kann am Ende des konischen Abschnittes als beendet betrachtet werden, und die Ablenkflächen dienen ausschliesslich zur Reduzierung des Druckabfalls in der Krümmung und nicht zur Diffusion.

Diese Art von Diffusoren berücksichtigt nicht den v.eiten Bereich von Abwandlungsformen, die sich im G-egensats zu Luftfahrtanlagen bei auf dem Boden stehenden Anlagen anbieten, insbesondere im Hinblick auf folgende Punktes

a) Ss werden die i»agerstützrippen an der Eintrittsseite der

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Diffusoren, wo das Gas eine erhebliche Geschwindigkeit ha«, beibehalten, so dass ein bestimmter Verlust auftritt, der grosser wird, wenn die Turbine unter anderen Bedingungen arbeitet, als denen für die sie ausgelegt ist, da in diesem Fall die durch die Querschnittsverminderung beim Durchgang durch die Rippen bewirkienVerluste, ,durch die Verluste erhöht werden, die durch das Anströmen des Gases gegen die Rippen bewirkt wird, wobei diesea. Anströmen in einen Incidenzwinkel erfolgt, der vom optimalen Winkel um so weiter entfernt ist, je mehr die Betriebsbedingungen von den ausgelegten Bedingungen abweichen (bei am Boden stehenden Turbinen ist es nicht üblich, bei 50$ der ursprünglich ausgelegten Geschwindigkeit zu arbeiten). Bei Luftfahrtturbinen sind die Rippen aus Gründen der Abmessungen und des Gewichts wesentlich. Bei auf dem Boden stehenden Turbinen kann das Lager statt dessen von aussen abgestützt v/erden, wenn bestimmte mechanische Probleme, die mit der Wellenführung zusammenhängen, gelöst werden.

b) Die Abgasgeschwindigkeit wird nicht auf ein Minimum reduziert, ohne den Wirkungsgrad und den Geräuschpegel zu verschlechtern.

Eine Art von Diffusoren, die sich gerade bei auf dem Boden stehenden Turbinen einführt, ist gerade durch den Portfall von diesen Rippen und den Versuch die Diffusion in der Endbiegung zu verbessern, gekennzeichnet. Die Rippen sind weggelassen durch Abstützung der Lager von der Aussenseite her, was möglich ist, da die Abgasführung nicht mehr axial verläuft, und die Biegung in Form eiries tatsächlich gekrümmten Diffusors ausgebildet ist, der komplizierter als ein gerade verlaufender Diffusor ist, bei sorgfältiger Auslegung und experimenteller Aufstellung aber eine verbesserte Entwicklung erreichen lca: m.

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Um weitere Verbesserungen dieser Art an Diffusoren zu erreichen, ist es erforderlich, entweder den axialen, konischen Abschnitt zu vergrössern, so dass an der Biegung ein grösserer Diffusionsgrad erreicht wird, was jedoch eine nicht tolerierbare Erhöhung der axialen Turbinenlänge erfordert, oder aber eine Zwischenwand in diesem Abschnitt anzuordnen, so dass der Diffusionswinkel verdoppelt wird. Dieser Weg wurde insbesondere durch die Hersteller beschritten, welche die Lagerstutzrippen beibehalten, so dass auch die Zwischenwand durch diese abgestützt wird. Diese Konstruktion gibt jedoch aus offensichtlichen Gründen nur unwesentliche Ergebnisse« Im Hinblick darauf treten bei Beibehaltung der Rippen alle die Vorstehend erwähnten,unter anderen Arbeitsbedingungen, als die ausgelegten Bedingungen auftretenden Verluste auf, und zusätzlich führt infolge des Gleichgewichts zwischen Reibungsverlusten und Diffusionsverlusten. das Einsetzen der Doppelwand in dem Bereich, in welchem das Gas noch eine hohe Geschwindigkeit hat, zu einer Erhöhung der Verluste infolge der Reibung und der Eintrittsanströmung, wodurch die theoretischen Vorteile der.verbesserten Diffusion erheblich vermindert werden.

Ein zweiter Weg liegt darin, den ge krumin ten Diffusorabschnitt zu vergrössern, jedoch führt dies zu einer vergrösserten Gesamtradialabmessung, die bei grossen Turbinen nicht hingenommen werden kann (Transportprobleme usw.).

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, diese Abmessungsprobleme zu überwinden und eine wesentlich verbesserte Diffusion und danit einen erhöhten Turbinenwirkungsgrad mit vermindertem Abgasgeräusch zu erreichen.

Dies wird gemäss der Erfindung im wesentlichen durch einen Diffusor erreicht, der einen ersten Diffusionsabschnitt aufweist, der aus zwei im v/es ent liehen konischen Y/ünden gebil-

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det wird und in einer Richtung verläuft, die einen gewissen Winkel zur Achse bildet, so dass er sich später besser in die Biegung einpasst.

Dieser erste Diffusorabschnitt, der frei von Rippen und Zwischenwänden ist, und der unter optimalen Bedingungen arbeitet, bildet den wesentlichsten Teil des Diffusionsvorganges, und ihm folgt ein doppelt gekrümmter Diffusor, der drei Wände einschliesst, welche eine optimale Enddiffusion in der Biegung und innerhalb der verfügbaren Gesamtabmessungen erlauben.

Die Zwischenwand, die die Ausbildung des Doppeldiffusors ermöglicht, ist durch einen Satz von aerodynamisch profilierten Rippen auslegerartig im Endteil des Diffusors abgestützt, in dem das Gas bereits völlig auf eine so niedrige Geschwindigkeit diffusioniert ist, dass sie keine wesentlichen Verluste mehr erzeugt.

Diese Anordnung, die es ermöglicht, dass der Anfangsteil der Zwischenwand auslegerartig abgestützt ist, wird durch die Starrheit möglich, welche die Zwischenwand infolge ihrer Krümmung besitzt. Dieser Anfangsteil der Zwischenwand wird so bearbeitet, dass er mit einem aerodynamischen Profil versehen ist, das geeignet ist, den von der ersten Diffusions stufe ankommenden Strom in zwei Ströme aufzuteilen, ohne dass ein Anblasverlust oder eine \vesentliche Querschnittsverminderung auftritt und zusätzlich, dass der Teil, der den weitesten Aus leger üb erhäng hat, nach unten zu einem Profil verdünnt wird , welches immer das Optimalste zum Vermeiden von Vibrationsformen bei den verschiedenen Frequenzen ist, die unter den unterschiedlichsten Laufbedingungen auftreten.

Bei hohen Geschwindigkeiten sind die Verluste infolge des Anströnens und der Reibung sehr ^ross (sie erhöhen sich in einem quadratischen Verhältnis), und dies hat zur Venaei-

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dung von Rippen und der Auswahl eines Diffusors geführt, der im ersten Abschnitt nur zwei Y/ände aufweist.

In dem gekrümmten Abschnitt hat das ausreichend verzögerte Gas eine grössere Notwendigkeit zur Führung (eine Diffusion durch eine Krümmung ist ausserordentlich kompliziert). Aus diesen Gründen ermäglicht die Verwendung einer im Anfangsteil rippenfreien Zwischenwand den Betrieb mit zwei parallel gekrümmten Diffusoren mit einem nahezu doppelten Diffusionswinkel, wodurch ermöglicht wird, dass das Gas in üie Abgaskamiaer mit einer Geschwindigkeit von etwa der Hälfte eintritt, die mit einem üblichen gekrümmten Enddiffusor erreichbar ist.

Die Endrippen, die die Zwischenwand abstützen sind ebenfalls derart ausgelegt und winkelmässig angeordnet, dass sie eine aerodynamisch vorteilhafte Punktion ausüben.

Im Hinblick darauf wird durch Erzeugung einer gesteuerten EndquerschnittQreduktion (wenn das Gas bereits seine Expansion vollendet hat) die Gleichförmigkeit seiner ümfangsauslassgeschwindigkeit erheblich verbessert.

Im Hinblick darauf,dass das Gas die Abgasleitung radial verlässt, ist eine grosse Ungleichförmigkeit in dem Y/eg der Austrittsbahnen der Strömung gegeben, und ohne dio "Rippen kann dies zu einer Austrittsgeschwindigkeit aus dem gebogenen Diffusorabschnitt in die Abgaskammer führen, die in dem dicht beim Abgasauslass liegenden Bereich grosser als in dem diametral gegenüberliegenden Bereich ist, und es ist im Hinblick darauf, dass der Druckabfall und das Geräusch sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ändern, erkennbar, dass diese Saugwirkung der Abgasmündung einen ausserordentlich negativen Einfluss ausüben kann.

Dies erklärt die scheinbar gegensätzliche Tatsache, dass eine Erhöhung des '.Virkur^n^radeo durch 3irJ:'ülirung von Ricpen (Drosselstellen) verbessert γ/erden kann. Dies hat seine

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Ursache darin, dass durch eine Querschnittsverminderung am Auslass des gekrümmten Abschnittes die Rippen bewirken, dass durch Abdecken der Saugwirkung des radialen Abgasauslasses das Gas sich gleichförmig entlang dem Auslassumfang

verteilt, wobei die Saugwirkung nicht symmetrisch um die Achse verläuft. Das Gas tritt in Umfangsrichtung bereits völlig verteilt aus· und durch Anordnung einer entsprechend geformten Leitung innerhalb der Abgaskammer, die das Gas in einer vorgesehenen Weise zum Auslass führt, erreicht dieses den Endgeräuschdämpfer mit einer sehr geringen Geschwindigkeit und praktisch ohne Druckpulsation und damit mit minimalem aerodynamischem Geräusch.

Die'se Endauslassanordnung ist wesentlich, da in vielen Diffusoren ein grosser Teil der Druckrückgewinnung, die sch?/ierig im Diffusor erreicht wird, in der Abgaskammer in Form eines Druckabfalls zerstört wird. Die Wirkung ist daher eine Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades und eine wesentliche Verminderung des Geräuschpegels des Abgases, der, wie bekannt, einen der am schwierigsten zu beseitigenden Nachteile bei am Boden stehenden Anlagen darstellt (grosse, kostspielige Geräuschdämpfer mit kurzer Lebensdauer, die ihre Ursache in dem Betrieb bei Temperaturen über 450° hat.

Versuche haben dieses Phänomen voll bestätigt, und die Endgeräuschverminderung ist tatsächlich ein indirektes und unmittelbares Mass des verbesserten Wirkungsgrades, wenn die verschiedenen Parameter (Anzahl der Rippen, Anströmprofil, Unterschiede in der Krümmung und den Verhältnissen)variieren. Ferner wurde experimentell festgestellt, dass innerhalb der zulässigen Gesamtabmessungen das Konzept der Vervielfachung der Wände in dem gekrümmten Diffusionsteil nicht weiter ausgedehnt v/erden kann, da, wenn eine zweite Zwischenwand vorgesehen wird, die sich daraus ergebenden Reibungsverlu-'ste die Verbesserungen aufheben. Wenn noch mehr vorgesehen werden, beginnt der VMrkun^a^rad sich zu verschlechtern.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen!

Pig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Leistungs-Gasturbine mit einem Diffusor,

Pig. 2 einen Teillängsschnitt durch den Diffusor gemäss Pig. 1 in grösserem Masstab, und

Pig. 3 einen Teillängsschnitt durch einen Teil des Diffusors in noch grösserem Masstab.

In den Piguren bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Gasgenerator für die Gasturbine, welche die Kraftturbine ?. beaufschlagt, deren Abgas durch den Diffusor 4 in das Abgasgehäuse 3 geleitet wird.

Der Diffusor 4 wird durch einen ersten Diffusorabschnitt 5 mit im wesentlichen axialer Erstreckung gebildet, der durch zwei im wesentlichen konische, koaxiale Wände 6 und 7 gebildet wird.

Dieser Abschnitt 5» der in einem bestimmten Winkel (siehe Pig. 2) zur Horizontalen geneigt ist, um den Gasstrom besser der Krümmung zuzuführen, bewirkt den wichtigsten Teil der Diffusion und führt sie in optimaler Weise durch, da keine Rippen oder Zwischenwände vorhanden sind.

Dem Abschnitt 5 folgt ein doppelt gekrümmter Diffusor, der aus drei Wänden, 8,9 und 10 besteht, die die Diffusion des Gases vollenden, welches jetzt in zwei unabhängige Ströme unterteilt ist, und es gleichzeitig radial ablenken.

Die gekrümmte Zwischenwand 9, die die Bildung des Boppeldiffusors ermöglicht, ist durch einen Satz von aerodynamisch profilierten Rippen 11 aucle^erartig abgestützt, deren Erzeugende parallel zur horizontalen Achse der Llaschiiie liegen,

und die nur im Sndbereich des doppelt gekrümmten Diffusors angeordnet sind. Die Rippen 11 sind so bemessen, dass sie im Doppeldiffusor eine gesteuerte Quersehnittsverminderung am Auslass von dem gekrüiamten Abschnitt bewirken, um eine gleichförmige Umfangsverteilung der Ausströmgeschwindigkeit des Gases, welches in das Abgasgehäuse 3 eintritt, zu erreichen, und auf diese' Weise im wesentlichen die nicht symmetrische Saugwirkung im Gas durch die Mündung 12 des Abgasgehäuses 13 beseitigen. Um die Gleichförmigkeit der Umfangsausströmung des Gases aus dem Diffusor nicht zu stören, und dadurch einen geordneten Gasstrom auf die Abgasmündung 12 zu begünstigen, ist der Diffusor 4 mit dem Abgasgehäuse 3 durch ein Gehäuse 13 verbunden, dessen Konturen glatt mit dem Diffusor verbunden sind, und das in dem Abgasgehäuse selbst enthalten ist. Endlich beginnt die gekrümmte Zwischenwand 9 mit einem Abschnitt 9', der aerodynamisch so bearbeitet und profiliert ist (siehe insbesondere Pig. 3), dass '3er Gasstrom, der von dem ersten Abschnitt 5 des Diffusor«? mit einer bereits verminderten Geschwindigkeit ankommt, in zwei Ströme geteilt wird, ohne dass er Anblasverlusten oder wesentlichen Änderungen des Querschnitts unterworfen wird.

Claims

Dr F. Zumstein sen. ■ Dr. E. Assmann Dipl.-lng. F. Klingeelsen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

40/4/Zi Nuovo Pignone S.p.A., Florenz/Italien Cs.1552

Kompakt-Diffus * für Hochleistungs-Gasturbine

Patentansprüche

Kompakt-Diffusor für Hochleistungsgasturbinen gekennzeichnet durch, einen ersten Diffusionsabschnitt (5), der frei von Eippen und/oder Zwischenwänden ist, im wesentlichen axial verläuft und durch zwei etwa konische koaxiale Wände (6,7) 'gebildet wird, und dem ein doppelt gekrümmter Diffusor mit drei Wänden (8,9» 10) folgt, dessen geltrüzrrte Zwischenwand (9) auslegerartig durch einen Satz von Eirpen (11) abgestützt ist, deren LIantellinien parallel zv.v horizontalen Achse der Turbine liegen, und die im weserrt-Ii;hen am Ende des doppelt gekrümmten Diffusors liegen,
2. Diffusor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , dass die gekrümmte Zwischenwand (9) des doppelt gekrümmten Diffusors mit einem Abschnitt (9^!) beginnt, welcher Iar~ art aerodynamisch bearbeitet und profiliert ist, dass er den Gasstrom ohne Anblasverluste oder eine wesentliche Änderung des Querschnitts zu bewirken, teilt.
3. Diffusor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11) so aerodynamisch profiliert und bemessen. sind, dass sie eine gesteuerte Verminderung des Querschnitts am Auslass aus dem gekrümmten Abccnr.itt des Diffusors bewirken.

A-* Diffusor nach Ancpruch 1,

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dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (4·) mit dem lurbinenabgasgehäuse (3) über ein Gehäuse (13) verbunden ist, dessen Konturen stetig mit dem Diffusor in Verbindung stehen, und der im Abgasgehäuse (3) selbst enthalten ist.

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