DE834474C - Axial beaufschlagte Kreiselrad-Stroemungsmaschine, insbesondere Gas- oder Luftturbine mit Austrittsdiffusor - Google Patents

Axial beaufschlagte Kreiselrad-Stroemungsmaschine, insbesondere Gas- oder Luftturbine mit Austrittsdiffusor

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DE834474C
DE834474C DEM4948A DEM0004948A DE834474C DE 834474 C DE834474 C DE 834474C DE M4948 A DEM4948 A DE M4948A DE M0004948 A DEM0004948 A DE M0004948A DE 834474 C DE834474 C DE 834474C
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DE
Germany
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diffuser
flow machine
axially loaded
outlet
machine according
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Expired
Application number
DEM4948A
Other languages
English (en)
Inventor
Dipl-Ing Christian Schoerner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D25/30Exhaust heads, chambers, or the like

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Axial beaufschlagte Kreiselrad-Strömungsmaschine, insbesondere Gas- oder Luftturbine mit Austrittsdiffusor Die Gasturbinen zeichnen sich gegenüber den Dampfturbinen durch große Durchsätze bei verhältnismäßig klein @n Gefällen und durch die im Durchschnitt höheren Treibmitteltemperaturen aus. Besonders die Berücksichtigung der höheren Temperaturen bedingt infolge der höheren Schnelläufigkeit bei genügend langer Lebensdauer der Schauflung eine Auslegung mit passenden Axialkomponenten der Geschwindigkeitsdreiecke, um tragbare Lauf-Schaufellängen ohne Schwingungsdämpfungshilfsmittel (Bindedrähte usw.) zu bekommen. Die geringeren Umlenkungen sind zum Teil auch willkommen wegen der günstigeren Reibungsverlustziffern und der Gewinnung einer ausreichenden Teilung für eine solide Fußbefestigung. Die hohen Axialgeschwindigkeiten verursachen aber auch, selbst für Auslegungen mit senkrechtem Austritt zur Umfangsrichtung, bezogen auf das geringe Teilgefälle einer Turbine, wie sie bei den meisten Gasturbinenprozessen vorkommen, einen hohen Auslaßverlust, da in den nachgeschalteten Einrichtungen des Arbeitsprozesses, z. B. Zwischenüberhitzungs-Brennkammern oder Wärmetauschern für Luftvorwärmung, nur geringe Durchflußgeschwindigkeiten im Verhältnis dazu möglich sind. Man ist daher bestrebt, durch strömungstechnisch günstige Verzögerungen der Austrittsströmung aus dem Schaufelritter der letzten Stufe einen möglichst großen Druckrückgewinn zu erzielen.
  • Gasturbinen weisen daher vielfach eine besonders sorgfältige Ausbildung des Abströmteils auf, am besten in Form eines nachgeschalteten Diffusarringraumes mit einer Umlenkung nach außen, an welche sich ein spiralig ausgebildeterAbgassammelraum mit senkrecht zur Wellenachse abgehenden Stutzen anschließt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei Auslegungen mit hoher Axialgeschwindigkeit das hinter der letzten Turbinenstufe strömende Arbeitsmittel auf gedrängtem Raum wirksam und günstig zu verzögern, so daß am Eintritt in dem erwähnten Sammelraum die Geschwindigkeit schon weitgehend herabgesetzt ist und darin bei geeigneter Beaufschlagung und entsprechender Querschnittsfolge keine nennenswerten Verluste bis zum Abgasstutzen auftreten.
  • Es ist bekannt, daß die Erweiterungswinkel der Meridianbegrenzung des Diffusorringraumes für eine vorgesehene Verzögerung der Strömung innerhallr sehr enger Grenzen liegen, um die Ablösungsgefahr zu vermeiden. Der Diffusor erfordert dementsprechend eine größere axiale Erstreckung und damit längere Reibungswege. Ferner ergeben sich längere Übergangsstücke von der beschaufelten Läufertrommel zum Tragzapfen und damit ein höherer Materialeinsatz und unter Umständen auch Schwierigkeiten in der Gewährleistung steifer Läuferformen und eine größere mechanische und thermische Massenträgheit. Es ist ferner bekannt, (laß durch Al),saugen der Grenzschicht der Strömungswirkungsgrad von Diffusoren mit größeren Öffnungswinkeln der Begrenzungswände verbessert werden kann.
  • Im Rahmen der baulichen Gegebenheiten eines Abströmteiles einer größeren Gas- oder Luftturbine wird daher erfindungsgemäß die innere und äußere Begrenzung des Diffusorringraumes hinter der letzten Turbinenstufe doppelwandig ausgeführt und mit Öffnungen an geeigneter Stelle zum Diffusorraum versehen. Diese Verbindungsöffnungen in Gestalt von Bohrungen, Schlitzen oder Ringschlitzen sind an Stellen der Diffusorwandungen angeordnet, an denen die Grenzschichtdicke schon bedenklich angewachsen ist und größere Ablösungen zu befürchten wären. Die Hohlräume sind nach der vorderen Stirnseite zu offen, so daß unter dem Einfluß des bis zum Schlitz bereits erfolgten Druckanstieges im. Diffusorringrauminnern und dem noch geringen Druck im Hohlraum der inneren und äußeren Wand auf einfache Weise eine Absaugwirkung entsteht. Durch diese Grenzschichtabsaugung kann aber der Erweiterungswinkel des Diffusors größer gemacht werden, seine axiale Baulänge wird kleiner und der Läufer wird kürzer und leichter, was für die kritische Drehzahl und Aufheiz- und Anfahrvorgänge beim Regeln der Anlage sehr nützlich ist. Die Absaugung der Grenzschicht beim Austrittsdiffusor von Kreiselradströmungsmaschinen entsprechend der Erfindung ist besonders zweckmäßig, da die Strömung hinter einem umlaufenden Schaufelgitter weitgehend turbulent und instationär ist. Außerdem tritt auch bei der Beibehaltung des Axialquerschnittes am Diffusoreingang eine plötzliche Verzögerung ein im Verhältnis der Verengung, welche die Laufschauflung für den axialen Durchfluß darstellt. Deshalb ist es gut, wenn gerade an dieser Stelle die weiter hinten abgesaugten. strömungstechnisch ungünstigen Randschichten wieder zugeführt werden, wobei der Abgasstrahl aus dem Turbinenlaufgitter eine gewisse Ejektorwirkung ausübt.
  • Ferner hat sich gezeigt, daß am Austritt der Umlenkung der Ringdiffusorströmung nach außen das Geschwindigkeitsprofil über die Breite des Übertrittsquerschnittes zum Abgassammelraum - nicht mehr praktisch rechteckig ist, sondern eine parabolische Verteilung hat. Da diese starke Ungleichmäßigkeit für die Strömungsverluste in diesem spiralig im Querschnitt ausgelegten Sammelringraum zum Abführstutzen wenig günstig ist, wird in Weiterausbildung dter Erfindung an dieser übergangsstelle der Strömungsringraum so aufgeteilt, daß einzelne Teilringräume entstehen, die eine verschiedene Plattendiffusorwirkung haben. Insbesondere wird dadurch im mittleren Teil eine größere Verzögerung der austretenden Strömung erzielt, so daß am Ende dieser Unterteilung (las Strömungsprofil wieder gleichmäßiger ist. XLit 1Zücksicht auf die notwendige starke Ankriimmung des Begrenzungsmeridians an der einen Seite ist unter Umständen eine gewisse Angleichung der Krümmung der Sammlerrückwand auf der anderen Seite zweckmäßig. Uie konstruktive Durchführung dieser Maßnahme wird besonders erleichtert, wenn die Abströniquerschnitte der Turbinenabgase zur leichteren Herstellung und bequemeren Anpassung an günstigste Verhältnisse als Blecheinsätze innerhalb einer lediglich nach Festigkeits- und Herstellungsrücksichten festgelegten Geliäuseaußenform ausgeführt sind. Bei höheren Driikken und Temperaturen lassen sich bekanntlich durch eine gewisse Isolierwirkung des Zwischenraumes zwischen Verschalung und Gehäuse günstige Betriebsbedingungen für (las Gehäuse erreichen.
  • Die Gestaltung der Treibmittelabströmung entsprechend der Erfindung hat gerade für große Leistungen der Turbinen besondere Bedeutung, da sie die Verarbeitung großer Treibmitteldurchsätze mit großen Axialgeschwindigkeiten ohne besondere Energieeinbußen erlaubt.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Austrittsteile einer Gasturbine nach der Erfindung im Schnitt dargestellt.
  • Von dem Turbinenläufer i mit seinen Laufschaufelkränzen 2 sowie den Leitschaufelkränzen 3 isl nur der dem Gasaustritt zugewendete Teil dargestellt. Die Durchführung durch das Al>strömgehäuse q mit Stutzen 5 wird durch den Labyrintheinsatz 6 abgedichtet. Das Abgas ist in einem strömungstechnisch gut anpaßbaren Blecheinsatz 7 aus hitzebeständigem Material geführt, welcher aus einem Ringraumdiffusor 8, dem Umlenkringraum 9 und dem Sammelraum io besteht, wobei letzterer sich zum Abführstutzen 5 hin spiralförmig erweitert. Die innere und äußere Begrenzung des Diffusorringraum-es 8 ist erfindungsgemäß hohl ausgebildet, und zwar derart, daß die Hohlräume i i und 12 nach der Turbinenseite zu offen sind. Er weist zum eigentlichen Diffusorströmungskanal an passenden Stellen der axialen Erstreckung Absaugöffnungen 13 bis 16 für die Grenzschicht auf. Wenn mehrere Öffnungen auf einer Seite in der Abströmrichtung des Arbeitsgases hintereinander erforderlich sind, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, ist es zweckmäßig, Abdeckungen 17 an den der stirnseitigen Öffnung der inneren und äußeren Hohlwände näher liegenden Öffnungen vorzusehen. Damit wird eine einwandfreie Abführung der abgesaugten Grenzschicht zur lumischstelle am Ditffusoreingang i8 gewährleistet, ohne daß eine Absauguti@g die@andere stört. Durch .Maßnahmen entsprechend der Erfindung können die Haulänge /_ und die Erweiterungswinkel E der Meridianbegrenzungswände so gewählt werden, daß auch bei Auslegung auf kleinem Raum wesentliche Energieeinbußen bei der Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie in statischen Druck vermieden werden.
  • Der Crbertrittsringquerschnitt vom angekrümmten Diffusorringraumende g zum Sammelraum io ist unterteilt. An der Innenseite der scharfen Umlenkung nach außen ist sowieso ein Umlenkschaufelritlg 20 zweckmäßig. Zusätzlich sind eine oder mehrere weitere Ringwände 21 mit verhältnismäßig kurzer radialer Erstreckung eingebaut, durch welche Teilringräurne entstehen. Dabei ist im mittleren Bereich die Form so gewählt, daß für eine rationelle Herabsetzung der mittleren GeschwindigkeitsscheitelNverte der austretenden Strömung geeignete Querschnittsverhältnisse d; - b;lda - b" entstehen. Die gebogene kiickwand des Einsatzes 7 ist bei dieser Abstimmung des Querschnittsverlaufes der einzelnen Lcitringräume für sich und untereinander gegebenenfalls stärker anzukrümmen, wodurch die Kontur des Sammlerprofils weitgehend beeipflußt werden kann und evtl. auch die Rückwand zum Abführstutzen hin geschweift auszubilden ist.

Claims (4)

  1. PATFNTANSPRUCHE: i. Axial beaufschlagteKreiselrad-Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine mit Austrittsdiffusor im Austrittssammlerraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorwände (1i, 12) doppelwandig ausgebildet und mit Al>saugöffnungen (i3 bis 16) versehen sind.
  2. 2. Axial beaufschlagte Kreiselrad-Strömungsmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel der im Diffusor (8) abgesaugten Grenzschicht am Diffusoranfang (i8) wieder zugeführt wird.
  3. 3. Axial beaufschlagte Kreiselrad-Strömungsmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei :Anordnung mehrerer Absaugöffnungen (i3 bis 16) hintereinander die näher am Diffusoranfang (i8) angeordneten Absaugöffnungen mit Abdeckungen (i7) versehen sind, die einen Schutz gegen das weiter hinten abgesaugte Strömungsmittel bilden. .
  4. 4. Axial beaufschlagte Kreiselrad-Strömungsmaschine nach .Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Austrittsdiffusor (8) anschließende radiale Ringübergang (9) durch radial oder annähernd radial stehende Leitringe (20, 21) derart unterteilt ist, daß die mittleren Teilleitringräume besonders erweitert sind. 5. :axial 1>eaufsclilagte Kreiselrad-Strömungsmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammlerrückwand (7) der Ouerschnittsaufteilung den einzelnen Teilleitfingräumen angepaßt ist.
DEM4948A 1950-07-01 1950-07-01 Axial beaufschlagte Kreiselrad-Stroemungsmaschine, insbesondere Gas- oder Luftturbine mit Austrittsdiffusor Expired DE834474C (de)

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DE (1) DE834474C (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4029430A (en) * 1975-09-02 1977-06-14 Fonda Bonardi Giusto Short subsonic diffuser for large pressure ratios
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