DE4328186C2

DE4328186C2 - Strömungsteiler für radial-axiale Eintrittsgehäuse

Info

Publication number: DE4328186C2
Application number: DE4328186A
Authority: DE
Inventors: Franz Kreitmeier
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1993-08-21
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2013-08-22
Also published as: US5397216A; DE4328186A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Strömungsteiler für radial- axiale Eintrittsgehäuse von rotierenden thermischen Maschi nen.

Stand der Technik

Derartige Strömungsteiler sind bekannt. Ihre Aufgabe besteht in der Stabilisierung der Strömung, bevor diese die erste Leitreihe der Maschine erreicht.

Bekannt ist eine Gasturbine, welche ein Heissgasgehäuse mit Einzug des Unterteils aufweist, beim dem zur Stabilisierung der Strömung ein grosser plattenförmiger gekühlter Strömungs teiler verwendet wird, welcher in einem Gebiet mit geringer Geschwindigkeit angeordnet ist. Der Nachteil dieser Lösung sind periodische Überströmungen auf Grund der geringen Strö mungsgeschwindigkeit. Ausserdem sind die Herstellungskosten der thermischen Maschine wegen des Einzuges am Heissgasgehäu seunterteil hoch. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass wegen der grossen Abmessungen des Strömungsteilers relativ viel Kühlluft verbraucht wird, so dass die Temperaturinhomo genitäten und die NO_x-Werte anwachsen.

Bekannt ist auch ein dachförmiger bzw. schmetterlingsförmiger Strömungsteiler, welcher in einem Heissgasgehäuse ohne Einzug des Unterteils angeordnet ist. Bei dieser bekannten Lösung ist der Überströmquerschnitt sehr gross, so dass es zu perio dischen Instabilitäten kommen kann. Der dachförmige Strö mungsteiler liegt im Gebiet mit niederer Strömungsgeschwin digkeit, so dass die stabilisierende Wirkung gering ist. Weitere Nachteile sind die teure Herstellung und der hohe Kühlluftverbrauch auf Grund der ausserordentlich grossen Ab masse des Strömungsteilers. Letzteres hat auch hier höhere Temperaturinhomogenitäten und höhere NO_x-Werte zur Folge.

Aus US-PS 2 187 788 ist eine Turbine bekannt mit einer Regelstufe mit Partialbeaufschlagung und einem anschliessend voll beaufschlagten Teil. Bei Teillast ensteht bei dieser Turbinenart im Ringraum ein Drall, welcher zu einem bedeutenden Energieverlust des Strömungsmediums führt. Um dies zu verhindern, wird gemäss der genannten US-Druckschrift im Ringraum ein Blech angeordnet.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer rotierenden thermischen Maschinen mit radial-axialem Eintrittsgehäuse einen Strö mungsteiler zu schaffen, der eine grosse Stabilisierung der Strömung bewirkt und bei dem ein Überströmen verhindert bzw. erschwert wird, der minimale Mengen an Kühlluft benötigt, billig in der Herstellung ist und auch bei Eintrittsgehäusen ohne Einzug am Unterteil eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Strö mungsteiler im Turbineneinlauf dem Eintritt gegenüberliegend vor der ersten Leitreihe bzw. im Verdichtereinlauf dem Ein tritt gegenüberliegend vor den Rippen angeordnet ist, dass der Strömungsteiler im mittleren Staupunkt der Gehäuseströ mung angebracht ist, dass der Strömungsteiler ein dickköpfi ges Profil mit einer maximalen Profildicke (d_max) und einer geraden Skelettlinie aufweist, dass die in Strömungsrichtung hintere Seite des Strömungsteilers senkrecht zur Rotorwelle in einem Abstand zur ersten Leitreihe bzw. zu den Rippen angeordnet ist, dass zwischen der in radialer Richtung ge sehenen inneren Seite des Strömungsteilers und der Gehäusewand ein Spiel vorhanden ist und die Sehnenlänge des Strö mungsteilers von innen nach aussen abnehmend ist, und dass die in Strömungsrichtung vordere Seite des Strömungsteilers geneigt ist wie eine begradigte Potentiallinie.

Die Vorteile der Erfindung liegen u. a. darin, dass eine grosse stabilisierende Wirkung auf die Strömung erreicht und damit der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird und dass nur geringe Kühlluftmengen benötigt werden, was sich in einer Verringerung der Temperaturinhomogenitäten und der NO_x-Werte bemerkbar macht. Ausserdem können auch radial-axiale Ein trittsgehäuse ohne Einzug am Unterteil eingesetzt werden, so dass die Kosten sinken.

Es ist besonders zweckmässig, wenn das Profil des Strömungs teilers ähnlich dem Profil der ersten Turbinenleitreihe bzw. der Rippen ist und die maximale Profildicke d_max unabhängig vom Radius und damit über die gesamte Höhe des Strömungstei lers konstant ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der maximalen Profildicke d_max zur Sehnenlänge des Strömungsteilers an der Nabe 1/6 beträgt und der Abstand zwischen Strömungsteiler und ersten Leitreihe bzw. Rippen 1/4 der Schaufelteilung t der ersten Leitreihe bzw. der Rippe beträgt.

Vorteilhaft ist, wenn die in radialer Richtung gesehene äus sere Seite des Strömungsteilers im Turbineneinlauf maximal so breit wie das darunterliegende Wärmestausegment ist und der Strömungsteiler mit über das Wärmestausegment zugeführter Kühlluft kühlbar ist.

Die zirkulare Lage des Strömungsteilers in Strömungsrichtung gesehen ist eine Funktion der Schrägstromcharakteristik der ersten Turbinenleitreihe bzw. der Rippen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer einwelligen axial durchströmten Gasturbine dar gestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Turbine;

Fig. 2 einen vergrösserten Teillängsschnitt des Heissgasgehäuses mit dem Strömungsteiler;

Fig. 3 die schematische Darstellung der zirkularen Lage des Strömungsteilers in Strömungsrichtung gesehen;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt des Verdichters.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Kühlluft ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Teillängsschnitt einer axial durchströmten Gasturbine mit einem radial-axialen Eintrittsgehäuse 1, in Fig. 2 ist der Ausschnitt mit dem Strö mungsteiler im Heissgasgehäuse der Turbine vergrössert darge stellt. Im Turbineneinlauf sitzt erfindungsgemäss dem Ein tritt gegenüberliegend der Strömungsteiler 2 vor der ersten Turbinenleitreihe 3. Er ist im mittleren Staupunkt der Gehäu seströmung angebracht. Da die zirkulare Lage des Strömungs teilers 2 abhängig ist von der Schräganströmungscharakteri stik der ersten Leitreihe 3, verschiebt sich der untere Stau punkt bei Verwendung von gekrümmten Schaufeln, wie sie z. B. in Fig. 2 mit der Position 3 dargestellt sind, um ca. 3° entgegen der Drehrich tung des Rotors 4, d. h. γ < 180° (siehe Fig. 3). Würde man den Strömungsteiler bei einem zirkularen Winkel von γ = 180° anordnen, würde er überströmt werden.

Der Strömungsteiler 2 weist ein dickköpfiges Profil mit gerader Skelettlinie auf. Es ähnelt dem Profil der ersten Turbinenleitreihe 3. Die maximale Profildicke d_max ist über die gesamte Höhe des Strömungsteilers konstant. In unserem Ausführungsbeispiel beträgt d_max = 30 mm.

Die untere Seite des Strömungsteilers 2 ist maximal so breit wie das darunterliegende Wärmestausegment 5. Zwischen der in radialer Richtung gesehenen inneren Seite des Strömungstei lers 2 und der Gehäusewand ist ein Spiel j vorhanden, welches nur so gross ist, wie für Differenzdehnungen infolge von Temperaturschwankungen notwendig ist. Die Sehnenlänge s des Strömungsteilers 2 an der Nabe beträgt das 6-fache von d_max, in unserem Beispiel sind das 180 mm. Der Winkel zwischen der vorderen Kante des Strömungsteilers 2 und der Flächennormalen der oberen Gehäusewand beträgt 23°.

Der Abstand a vom Strömungsteiler 2 zur ersten Leitreihe 3 beträgt 1/4 der Schaufelteilung t der ersten Leitreihe 3. Bei einer Schaufelteilung von t = 120 mm ist in unserem Beispiel der Abstand a = 30 mm.

Der im Turbineneinlauf dem Eintritt gegenüberliegende Strö mumgsteiler 2 wird während des Betriebes mit Kühlluft ver sorgt. Diese wird beispielsweise durch kleine Kanäle über das Wärmestausegment 5 herangeführt.

Der erfindungsgemässe Strömungsteiler 2 hat eine Reihe von Vorteilen. Seine stabilisierende Wirkung ist sehr gross, weil er im Gebiet höherer Strömungsgeschwindigkeit liegt. Der Querschnitt des Strömungsteilers 2 in zirkularer Richtung be trägt nur 4 bis 5% vom Gesamtquerschnitt. Auf Grund seiner geringen Grösse ist der Kühlluftbedarf minimal, deshalb sind die NO_x-Werte und Temperaturinhomogenitäten sehr gering. Da kein Überströmen des Strömungsteilers möglich ist, sind vor der ersten Turbinenleitreihe 3 nur minimale Strömungsinhomo genitäten vorhanden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass am Heissgasgehäuseunterteil kein Einzug mehr nötig ist. Die Herstellung dieser rotationssymmetrischen Schale ist billig. Der Strömungsteiler 2 selbst ist ebenfalls mit niedrigen Kosten herstellbar.

Sinngemäss gilt das oben Gesagte auch für das in Fig. 4 darge stellte Ausführungsbeispiel. Der Strömungsteiler 2 ist hier im Verdichtereinlauf dem Eintritt gegegüberliegend unmittel bar vor der Rippe 6 angeordnet. Im Gegensatz zum Ausführungs beispiel 1 ist in diesem Beispiel die zirkulare Lage des Strömungsteilers 2 durch einen Winkel von γ = 180° gekenn zeichnet, da sich in Falle der axial orientierten geraden Rippen 6 der untere Staupunkt dort befindet.

Bezugszeichenliste

1

Eintrittsgehäuse

2

Strömungsteiler

3

erste Leitreihe

4

Rotor

5

Wärmestausegment

6

Rippen
a Abstand zwischen Strömungsteiler und erster Leit reihe bzw. Rippen
d_max

maximale Profildicke
t Schaufelteilung
s Sehnenlänge des Strömungsteilers
j Spiel zwischen Strömungsteiler und Gehäusewand
γ zirkularer Winkel

Claims

1. Strömungteiler für radial-axiale Eintrittsgehäuse (1) von rotierenden thermischen Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsteiler (2) im Turbineneinlauf dem Eintritt gegenüberliegend vor der ersten Leitreihe (3) bzw. im Verdichtereinlauf dem Eintritt gegenüberliegend vor den Rippen (6) an geordnet ist, dass der Strömungsteiler (2) von der vertikalen Gehäuseachse aus unter einem zirkularen Winkel γ ≦ 180° in Drehrichtung des Rotors (4) angebracht ist, dass der Strömungsteiler (2) ein dickköpfiges Profil mit einer maximalen Profildicke (d_max) und einer geraden Skelettlinie aufweist, dass die in Strömungs richtung hintere Seite des Strömungsteilers (2) senkrecht zur Rotorwelle in einem Abstand (a) zur ersten Leitreihe (3) bzw. zu den Rippen (6) angeordnet ist, dass zwischen der in radialer Richtung gesehenen inneren Seite des Strömungsteilers (2) und der Gehäusewand ein Spiel (j) vorhanden ist und die Sehnenlänge (s) des Strömungsteilers (2) von innen nach aussen abnehmend ist, und dass die in Strömungsrichtung vordere Seite des Strömungsteilers (2) geneigt ist wie eine begradigte Potentiallinie.

2. Strömungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Strömungsteilers (2) ähnlich dem Profil der ersten Turbinenleitreihe (3) bzw. der Rippen (6) ist.

3. Strömungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine maximale Profildicke (d_max) unabhängig vom Radius und damit über die gesamte Höhe des Strömungsteilers (2) konstant ist.

4. Strömungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Profildicke (d_max) zur Sehnenlänge (s) des Strömungsteilers (2) an der Nabe 1/6 beträgt.

5. Strömungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Strömungsteiler und erster Leit reihe bzw. Rippen (a) 1/4 der Schaufelteilung (t) der ersten Leitreihe (3) bzw. der Rippen (6) beträgt.

6. Strömungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung gesehene äussere Seite des Strömungsteilers (2) im Turbineneinlauf maximal so breit wie das darunterliegende Wärmestausegment (5) ist und der Strö mungsteiler (2) mit über das Wärmestausegment (5) geführter Kühlluft kühlbar ist.

7. Strömungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zirkulare Lage des Strömungsteilers (2) in Strö mungsrichtung gesehen eine Funktion der Schräganströmungs charakteristik der ersten Turbinenleitreihe (3) bzw. der Rippen (6) ist.