EP0581978B1 - Multi-zone diffuser for turbomachine - Google Patents

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Publication number
EP0581978B1
EP0581978B1 EP92113180A EP92113180A EP0581978B1 EP 0581978 B1 EP0581978 B1 EP 0581978B1 EP 92113180 A EP92113180 A EP 92113180A EP 92113180 A EP92113180 A EP 92113180A EP 0581978 B1 EP0581978 B1 EP 0581978B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zone
diffuser
flow
diffusion zone
struts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP92113180A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0581978A1 (en
Inventor
Franz Kreitmeier
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.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority to DE59204947T priority Critical patent/DE59204947D1/en
Priority to EP92113180A priority patent/EP0581978B1/en
Priority to US08/098,814 priority patent/US5338155A/en
Priority to JP19225493A priority patent/JP3416210B2/en
Publication of EP0581978A1 publication Critical patent/EP0581978A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0581978B1 publication Critical patent/EP0581978B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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

Definitions

  • Such multi-zone diffusers for turbomachinery are known from EP-A 265 633.
  • a rectifying grating is provided within the diffuser, which extends over the entire height of the channel through which flow passes .
  • These means for swirl removal are cylindrical flow ribs arranged uniformly over the circumference with thick straight profiles, which are designed according to the knowledge of turbomachine construction and which should be as insensitive as possible to oblique flow. The leading edge of these ribs is located relatively far behind the trailing edge of the last blades in order to avoid excitation of the last row of blades caused by the pressure field of the ribs.
  • This distance is dimensioned such that the front edge of the ribs is in a plane in which a diffuser area ratio of preferably three predominates.
  • This first diffusion zone between the blading and the flow ribs should thus remain undisturbed due to total rotational symmetry.
  • the fact that no interference effects between the ribs and the blades are to be expected is due to the fact that the ribs only become effective in a plane in which a relatively low speed level already prevails.
  • the known diffuser for supporting the flow in the radial direction is divided into several partial diffusers by means of flow-guiding rings.
  • These guide rings extend from a level directly at the exit of the blading to a level at which a diffusion ratio of three has been reached, i.e. over the entire first diffusion zone.
  • these guide rings should preferably be formed in one piece. This leads to a solution which is disadvantageous for assembly reasons, without a parting plane.
  • the guide rings lead to large diameters, so that transport problems can arise.
  • a second diffusion zone extends from the front edge of the thick flow ribs to the greatest profile thickness of the ribs. In this second zone, the swirling of the flow is to be carried out for the most part, largely without delay. In a third subsequent diffusion zone in the form of a straight diffuser there is a further delay in the flow, which at the time was almost swirl-free.
  • the diffuser is flowed at at idle under a speed ratio c t / c n of approximately 1.2, where c t means the tangential speed and c n the axial speed of the medium. This oblique flow leads to a drop in the pressure recovery C p .
  • the large drop in pressure recovery can be attributed to the fact that, under the extreme conditions mentioned, a strong vortex is formed between the outlet blades and flow ribs.
  • the vortex is limited by the flow ribs on which the tangential component of the velocity is dissipated. If solid particles, for example in gas turbines or water droplets, for example in steam turbines, are carried along with the return flow, an acute risk of foot erosion can arise on the blades of the last run row.
  • the object of the invention is for a multi-zone diffuser of the type mentioned at the given diffuser area ratio, which is understood to mean the ratio of the flow cross sections at the outlet to the inlet of the diffuser, and with the smallest possible diameter in the first diffusion zone, as well as with the physically greatest possible pressure recovery and swirl-free outflow, to keep the total length of the diffuser to a minimum.
  • the advantage of the invention is to be seen, inter alia, in the fact that the bend angle idea can be implemented for the first time by means of a single-channel diffuser in the case of a strongly divergent flow.
  • the ratio of the rib spacing a from the exit of the blades to the rib pitch t is at least 0.5. This measure also results in a full utilization of the working ability of the fluid.
  • the ratio of rib chord s to rib pitch t is at least 1, it is ensured that the sensitive diffuser flow is free of detachment in the axial outflow direction is redirected and that a contribution to the desired delay is made.
  • the ratio of the greatest profile thickness d max of the flow ribs to the rib chord s is at most 0.15 and is largely constant over the rib height, overspeeds, local Mach number problems and different displacement effects are minimized.
  • the curvature of the Velcro line of the ribs is advantageously chosen with regard to a smooth entry and an axial outflow. This guarantees the desired high pressure recovery as well as a certain insensitivity to partial load.
  • the meridian contour of the diffuser in the region of the ribs is additionally expanded in order to avoid overspeeds on the ribs.
  • the displacement effect caused by the ribs is compensated for at least in the peripheral zones.
  • the diffuser is provided with a horizontal parting plane in the first diffusion zone. Due to the fact that, in contrast to the solution mentioned at the beginning, the first diffusion zone is not equipped with guide rings, which are usually made in one piece for reasons of vibration, thanks to the parting plane it is possible to cover the first zone and thus easy assembly and disassembly of the blading, for example guaranteed without auxiliary devices and without axial displacement.
  • ribs In the case of a parting plane in the first diffusion zone, an even number of ribs is provided, ribs being arranged in the vertical plane, but not in the horizontal plane.
  • the lower vertical rib can thus be used to support the diffuser and there is no need for split ribs.
  • the same elements are each designated with the same reference symbols, but with different indices.
  • the embodiment shown in FIGS. 1, 2 and 3 has no indices.
  • the articulation angles are designated as such only in FIG. 2.
  • the direction of flow of the working fluid is indicated by arrows.
  • the gas turbine of which only the last three axially flowed stages are shown in FIG. 1, essentially consists of the bladed rotor 1 and the blade carrier 2 equipped with guide blades.
  • the blade carrier is suspended in the turbine housing 3.
  • the rotor lies in a support bearing 4, which in turn is supported in an exhaust housing.
  • this exhaust housing essentially consists of a hub-side inner part 6 and an outer part 7, which limit the diffuser 13.
  • Both elements 6 and 7 are pot housings with a horizontal parting plane at shaft height. They are connected to one another by a plurality of welded supporting flow ribs 8, which are evenly distributed over the circumference and whose profile is indicated by 9.
  • the exhaust housing is designed so that it is not in contact with the exhaust gas flow.
  • the actual flow control is taken over by the diffuser, which is designed in its first zone as an insert for the exhaust housing.
  • the outer boundary wall 14 and the inner boundary wall 15 of the diffuser are held over the flow ribs 8.
  • the walls are penetrated by actual support bodies 10 which extend within the flow ribs and hold the exhaust gas housing 6, 7.
  • the decisive factor for the desired functioning of the diffuser is now the kink angle of its two boundary walls 14 and 15 directly at the exit of the blading.
  • This is a highly loaded reaction blading with a large opening angle.
  • a high Mach number flows through the last row of blades.
  • the channel contour on the blade root is cylindrical, that on the blade tip runs obliquely at an angle of approx. 30 °. If this conicity were to be continued in the diffuser, the angle of 30 ° mentioned would be completely unsuitable in order to delay the flow and to achieve the desired pressure increase.
  • the current would detach from the walls. Purely constructive considerations would normally lead to a reduction of the diffuser angle from 30 ° to 7 °.
  • the diffuser is therefore designed solely on the basis of fluid dynamics. The considerations must lead to achieving the most homogeneous possible total pressure profile over the entire channel height, i.e. also on the hub and on the cylinder. The two bending angles are therefore determined on the basis of the entire flow in the blading and in the diffuser.
  • the equation for the radial equilibrium teaches that the meridian curvature of the streamlines is primarily responsible for the extent of the pressure increase mentioned above. This must therefore be primarily influenced by adjusting the angle of attack in order to achieve a homogeneous total pressure distribution.
  • the kink angle ⁇ N (FIG. 2) of the inner boundary wall 14 at the diffuser inlet is in principle determined. In the present case, this leads to an angle ⁇ N which rises from the horizontal in a positive direction, namely by almost 15 °. This is due, among other things, to the influence of cooling air.
  • the hub ie the rotor surface and the blade roots, are usually cooled down to a tolerable level with cooling air.
  • the total opening angle of the diffuser is in the range of the opening angle of the blading, and may even be greater than this. Under no circumstances does it assume a value that would correspond to purely constructive considerations.
  • the channel is therefore divided in the radial direction by means of flow-guiding rings into a plurality of partial diffusers which are dimensioned according to the known rules.
  • the first diffusion zone 50 extends from the exit plane of the last row of blades to a plane at the outlet of the flow ribs 8.
  • the latter are therefore included and their type, their design, their arrangement and their number based on the following considerations.
  • the distance a from the leading edge 24 of the flow ribs 8 to the exit of the blading is set in relation to the rib pitch t - which is the measure for the number of ribs. If this ratio is at least 0.5, interference with the last row 12 of the blading can be largely avoided.
  • the minimum cross-section should not be undercut. Sufficient space must be created in the interior of the ribs for the arrangement of the supporting bodies 10.
  • a minimum chord length should also not be undercut. Now the ratio of rib chord s to Rib division t at least 1, so both tasks can be performed.
  • the first diffusion zone 50 is provided with a horizontal parting plane, i.e. the outer boundary wall 14 and the inner boundary wall 15 of the diffuser are designed to be divided. No flow ribs are preferably installed in this horizontal parting plane in order to avoid a division of the ribs. On the other hand, it is advisable to arrange flow ribs in the vertical plane.
  • the vertically oriented flow rib of the lower half can thus be used for support functions.
  • the ratio of the greatest profile thickness d max of the flow ribs to the rib chord s should not exceed 0.15 and is kept largely constant over the rib height. This, in turn, in contrast to the flow ribs in the diffuser mentioned at the outset - relatively thin ribs avoid local Mach number problems and minimize different displacement effects above the blade height.
  • the flow ribs are curved.
  • the curvature of the Velcro line of the ribs is with regard to a shock-free entry and an axial one Outflow selected, which leads to a variable curvature above the rib height.
  • the front edges 24 of the ribs are oriented above the rib height so that they are cut perpendicularly by the streamlines. This leads to leading edges, which in no way have to be aligned radially, as illustrated in FIG. 3.
  • the meridian contour of the diffuser in the area of the ribs 8 is additionally expanded. At least this measure is taken in the area 25 from the front rib edge 24 to the greatest profile thickness. In this way, overspeeds on the ribs can be largely avoided.
  • This first diffusion zone 50 which ends at the outlet of the flow ribs, is designed with an area ratio of 1.8.
  • a second diffusion zone 51 in the form of a multi-channel diffuser part adjoins the first diffusion zone. It is designed with an area ratio of 2.5.
  • two flow-guiding rings 16 are arranged downstream of the ribs 8, which divide the channel into three partial diffusers 17.
  • L is the axial extent of the second diffusion zone
  • L 1K is the axial extent of one single-channel diffuser with the same area ratio
  • n the number of partial diffusers.
  • this second diffusion zone 51 there are three profiled hollow ribs 18 distributed uniformly over the circumference, one of these hollow ribs standing vertically in the upper half. Electrical, air and oil lines can be passed through these hollow ribs.
  • the blunt trailing edges of these hollow ribs are provided with defined tear-off edges 19.
  • the annular inner boundary wall 15 of the diffuser which ends at the outlet of the second diffusion zone 51 with a blunt section 20, is also provided with such a defined tear-off edge 21.
  • this second diffusion zone 51 has a considerably larger diameter than the first diffusion zone 50.
  • the second zone is merely a sheet metal construction which can be assembled from disassembled parts at the installation site of the system, this fact offers in particular no difficulties with the rail transport.
  • a third diffusion zone 52 in the form of an impact diffuser is provided downstream of the second diffusion zone 51, this being a sudden expansion.
  • the area ratio of this third diffusion zone 52 is 1.2, the trailing of the three hollow ribs also having to be taken into account here.
  • the total area ratio of the diffuser is therefore 5.3.
  • both the cylindrical exhaust pipe 22 and the outer boundary wall 14 of the second diffusion zone 51 are welded together on the construction site to form a one-piece element.
  • the second diffusion zone 51 is designed to be insertable axially into the third diffusion zone 52, as is indicated schematically at 23 in FIG. 1.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and described in FIGS. 1 and 2, which has a diffuser with an axial outlet and thus greatly facilitates the arrangement of the flow ribs. It is particularly applicable in particular to steam turbines or gas turbines in general in turbines of exhaust gas turbochargers, and in compressors of gas turbines, which generally all have a so-called axial-radial or axial-radial-axial diffuser.
  • the first diffusion zone 50B here corresponds to that of FIG. 1.
  • the second diffusion zone 51B which is divided into three partial diffusers 17B by means of two guide rings 16B, opens into a third diffusion zone 53B, which deflects strongly with only a slight delay. This strong deflection is greatly favored by the arrangement of the guide rings continuing into the diffusion zone 53B.
  • R is the radius of curvature of the third diffusion zone
  • R 1K is the mean radius of curvature of a single-channel diffusion zone with the same area ratio
  • n is the number of channels.
  • the third diffusion zone 53B opens radially into the chimney 27. The idea of an impact diffuser is also realized in this transition to the chimney.
  • the flow ribs can also be made full instead of hollow.
  • This solution is useful if, for example, an actual exhaust housing is not used, i.e. when the exhaust housing takes over the flow-guiding tasks, i.e. when the outer boundary wall 14 of the diffuser forms the end to the outside and is flanged directly to the turbine housing.
  • FIG. 5 shows how the idea of the invention can be implemented in a compressor diffuser.
  • This could be, for example, the compressor of the gas turbine shown in FIG. 1, it being possible for the system to be equipped with a standing individual combustion chamber (not shown). The latter configuration leads to the almost radial exit from the diffuser shown.
  • both a regular compressor guide row and a follow-up row are provided in the first diffusion zone for swirling the flow. They take over the function of the flow ribs.
  • the compressor guide row acting as the first flow rib 8C is designed according to the above-mentioned criteria, but there is no axial exit from the rib. Because in the flow direction, the rib 8C is followed by a guide line 8'C for further rectification of the flow, which of course can also be designed according to the criteria mentioned.
  • the first diffusion zone extends from the rear edge of the blade 12C to a level behind the guide line 8'C.
  • the two ribs 8C and 8'C could also be combined into a single flow rib.
  • the second diffusion zone is divided into two partial diffusers 17C by a guide ring 16C.
  • This guide ring is held in its position in a third diffusion zone 53C, which is not very delaying but strongly deflects, via ribs 28 on a rotor cover 29C and on the outer boundary wall 14C.
  • the third diffusion zone merges into a fourth diffusion zone 54C, in which deceleration is continued.
  • the shaft part located between the turbine and the compressor is designed as a drum 30.
  • This is surrounded by the already mentioned rotor cover 29C.
  • the annular duct 31C formed between the drum and the rotor cover takes over the guidance of the entire rotor cooling air removed on the hub side between the ribs 8C and 8'C of the compressor to the front side of the turbine, from where it reaches the cooling ducts on the rotor side.
  • This cooling air on the rotor side is combined with the their adherent swirl directed into the ring channel 31C. This ensures on the one hand that the heating of the rotor via the cooling air and thus the level of the transient voltages is as small as possible.
  • the variant of the multi-zone diffuser shown in FIG. 6 is suitable for systems which are equipped with an annular combustion chamber.
  • the available space leads to an almost 180 ° deflection of the diffuser flow.
  • only one compressor guide row is provided, which takes over the function of the flow ribs 8D. They are designed according to the criteria mentioned several times.
  • the rotor-side cooling air is removed from the hub directly at the outlet of the last rotor blades 12D and conducted into the annular duct 31D.
  • the cooling air thus has less pressure, but more swirl, provided that there are the same conditions on both compressors at the outlet of the blades.
  • the second diffusion zone is divided into two partial diffusers 17D by a guide ring 16D.
  • This guide ring is held in its position in a third diffusion zone 53D, which is not very slow but strongly deflects, via ribs (not shown) on the rotor cover 29D and on the outer boundary wall 14D.
  • the third diffusion zone merges into a single-channel fourth diffusion zone 54D, in which deceleration continues.
  • the guide ring is made in two parts. In its first section, it consists of a cylindrical sheet metal jacket 16Da, which is held in position on the blade carrier 2D via a plurality of profiled ribs 32 distributed over the circumference. In its second deflecting section 16Db, it consists, for example, of a cast part which is screwed to the first part. To cool the combustion chamber walls, air is branched off from the third diffusion zone via a further annular channel 33.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft einen mehrzonigen Diffusor für eine axial durchströmte Turbomaschine,

  • wobei die Knickwinkel des Diffusoreintritts sowohl an der Nabe als auch am Zylinder der Turbomaschine ausschliesslich zwecks Vergleichmässigung des Totaldruckprofils über der Kanalhöhe am Austritt der letzten Schaufelreihe festgelegt sind,
  • wobei innerhalb der Verzögerungszone des Diffusors Mittel zur Drallwegnahme der drallbehafteten Strömung in Form von Strömungsrippen vorgesehen sind,
  • und wobei strömungsführende Leitringe den Diffusor mehrkanalig unterteilen.
The invention relates to a multi-zone diffuser for an axially flow-through turbomachine.
  • the kink angles of the diffuser inlet both on the hub and on the cylinder of the turbomachine being determined exclusively for the purpose of making the total pressure profile uniform over the channel height at the outlet of the last row of blades,
  • wherein means for removing the swirl of the swirled flow in the form of flow ribs are provided within the delay zone of the diffuser,
  • and flow-guiding rings divide the diffuser into multiple channels.

Stand der TechnikState of the art

Derartige mehrzonige Diffusoren für Turbomaschinen sind bekannt aus der EP-A 265 633. Um der dortigen Forderung nach bestmöglichem Druckrückgewinn und drallfreier Diffusorabströmung bei Teillast gerecht zu werden, ist innerhalb des Diffusors ein gleichrichtendes Gitter vorgesehen, das sich über die ganze Höhe des durchströmten Kanals erstreckt. Es handelt sich bei diesen Mitteln zur Drallwegnahme um gleichmässig über dem Umfang angeordnete zylindrische Strömungsrippen mit dicken geraden Profilen, die nach den Erkenntnissen des Strömungsmaschinenbaus ausgelegt sind und die gegen Schräganströmung möglichst unempfindlich sein sollen. Die angeströmte Vorderkante dieser Rippen befindet sich relativ weit hinter der Austrittskante der letzten Laufschaufeln, um eine durch das Druckfeld der Rippen verursachte Anregung der letzten Schaufelreihe zu vermeiden. Dieser Abstand ist so bemessen, dass sich die Vorderkante der Rippen in einer Ebene befindet, bei welcher ein Diffusorflächenverhältnis von vorzugsweise drei vorherrscht. Diese erste Diffusionszone zwischen der Beschaufelung und den Strömungsrippen soll damit infolge totaler Rotationssymmetrie ungestört bleiben. Die Tatsache, dass keine Interferenzeffekte zwischen Rippen und Beschaufelung zu erwarten sind, ist darauf zurückzuführen, dass die Rippen erst in einer Ebene wirksam werden, in der bereits ein relativ tiefes Geschwindigkeitsniveau vorherrscht.Such multi-zone diffusers for turbomachinery are known from EP-A 265 633. In order to meet the demand there for the best possible pressure recovery and swirl-free diffuser outflow at part load, a rectifying grating is provided within the diffuser, which extends over the entire height of the channel through which flow passes . These means for swirl removal are cylindrical flow ribs arranged uniformly over the circumference with thick straight profiles, which are designed according to the knowledge of turbomachine construction and which should be as insensitive as possible to oblique flow. The leading edge of these ribs is located relatively far behind the trailing edge of the last blades in order to avoid excitation of the last row of blades caused by the pressure field of the ribs. This distance is dimensioned such that the front edge of the ribs is in a plane in which a diffuser area ratio of preferably three predominates. This first diffusion zone between the blading and the flow ribs should thus remain undisturbed due to total rotational symmetry. The fact that no interference effects between the ribs and the blades are to be expected is due to the fact that the ribs only become effective in a plane in which a relatively low speed level already prevails.

Da bei üblichen hochbelasteten Beschaufelungen von Turbinen deren Öffnungswinkel jenen eines guten Diffusors weit überschreitet, ist der bekannte Diffusor zur Stützung der Strömung in radialer Richtung mittels strömungsführender Leitringe in mehrere Teildiffusoren unterteilt. Diese Leitringe erstrecken sich von einer Ebene unmittelbar am Austritt der Beschaufelung bis hin zu einer Ebene, bei welcher ein Diffusionsverhältnis von drei erreicht ist, d.h. über die gesamte erste Diffusionszone. Aus Schwingungsgründen sind diese Leitringe vorzugsweise einteilig auszubilden. Dies führt zu einer aus Montagegründen nachteiligen Lösung ohne Trennebene. Darüberhinaus führen die Leitringe zu grossen Durchmessern, so dass sich Transportprobleme ergeben können.Since, in the case of customary, heavily loaded blades of turbines, their opening angle far exceeds that of a good diffuser, the known diffuser for supporting the flow in the radial direction is divided into several partial diffusers by means of flow-guiding rings. These guide rings extend from a level directly at the exit of the blading to a level at which a diffusion ratio of three has been reached, i.e. over the entire first diffusion zone. For reasons of vibration, these guide rings should preferably be formed in one piece. This leads to a solution which is disadvantageous for assembly reasons, without a parting plane. In addition, the guide rings lead to large diameters, so that transport problems can arise.

Eine zweite Diffusionszone erstreckt sich von der Vorderkante der dicken Strömungsrippen bis zur grössten Profildicke der Rippen. In dieser zweiten Zone soll die Entdrallung der Strömung grösstenteils vorgenommen werden und zwar weitgehend verzögerungsfrei. In einer dritten anschliessenden Diffusionszone in Form eines geraden Diffusors erfolgt eine weitere Verzögerung der zu dem Zeitpunkt nahezu drallfreien Strömung.A second diffusion zone extends from the front edge of the thick flow ribs to the greatest profile thickness of the ribs. In this second zone, the swirling of the flow is to be carried out for the most part, largely without delay. In a third subsequent diffusion zone in the form of a straight diffuser there is a further delay in the flow, which at the time was almost swirl-free.

Mit all diesen Massnahmen soll neben einem maximalen Druckrückgewinn insbesondere bei Teillast auch eine Verkürzung der Baulänge der Anlage erreicht werden.With all of these measures, in addition to maximum pressure recovery, in particular at partial load, the overall length of the system is to be shortened.

In üblichen Gasturbinen wird der Diffusor bei Leerlauf unter einem Geschwindigkeitsverhältnis ct/cn von etwa 1,2 angeströmt, wobei ct die Tangentialgeschwindigkeit und cn die Axialgeschwindigkeit des Mediums bedeutet. Diese schräge Anströmung führt zu einem Abfall im Druckrückgewinn Cp.In conventional gas turbines, the diffuser is flowed at at idle under a speed ratio c t / c n of approximately 1.2, where c t means the tangential speed and c n the axial speed of the medium. This oblique flow leads to a drop in the pressure recovery C p .

Bei andern Maschinentypen, wie beispielsweise Dampfturbinen oder Gasturbinen für Wirbelschichtfeuerung, kommt es durchaus vor, dass der Volumenstrom bis auf 40% reduziert wird und damit ct/cn Verhältnisse bis zu 3 vorliegen. Bei solchen Maschinentypen bietet sich eine feste Diffusorgeometrie nicht an, da der Druckrückgewinn sogar negativ werden könnte. Dies gilt selbst für den Fall, bei dem das Verhältnis Teilung zu Sehne der Strömungsrippen 0,5 beträgt. Strömungsrippen mit Teilung/sehne-Verhältnissen von etwa 1, welche bei Vollast, d.h. ct/cn = ca.0, zwar einen etwas grösseren Druckrückgewinn ergeben würden, sind bei derartigen Maschinen überhaupt nicht anwendbar.With other machine types, such as steam turbines or gas turbines for fluidized bed combustion, it is quite possible that the volume flow is reduced to 40% and thus there are c t / c n ratios of up to 3. With such machine types, a fixed diffuser geometry is not recommended, since the pressure recovery could even become negative. This applies even in the case where the ratio of pitch to chord of the flow ribs is 0.5. Flow ribs with pitch / chord ratios of about 1, which would result in a somewhat greater pressure recovery at full load, ie c t / c n = approx. 0, cannot be used at all in such machines.

Der grosse Abfall im Druckrückgewinn ist darauf zurückzuführen, dass sich bei den genannten extremen Verhältnissen ein starker Wirbel zwischen Austrittslaufschaufeln und Strömungsrippen ausbildet. Der Wirbel wird durch die Strömungsrippen begrenzt, an denen die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit dissipiert wird. Werden an der sich einstellenden Rückströmung feste Partikel, bspw. in Gasturbinen oder Wassertröpfchen, bspw. in Dampfturbinen mitgeführt, so kann eine akute Gefahr der Fusserosion an den Schaufeln der letzten Laufreihe entstehen.The large drop in pressure recovery can be attributed to the fact that, under the extreme conditions mentioned, a strong vortex is formed between the outlet blades and flow ribs. The vortex is limited by the flow ribs on which the tangential component of the velocity is dissipated. If solid particles, for example in gas turbines or water droplets, for example in steam turbines, are carried along with the return flow, an acute risk of foot erosion can arise on the blades of the last run row.

Zur Abhilfe ist es aus der EP 0 417 433 Al bekannt, bei einer Strömungsmaschine der axialen Bauart im Diffusor zwischen den Mitteln zur Drallwegnahme und den Austrittslaufschaufeln mindestens eine Reihe mit verstellbaren Leitschaufeln anzuordnen. Die Mittel zur Drallwegnahme innerhalb des Diffusors sind auch hier gleichmässig über dem Umfang angeordnete Strömungsrippen mit gerader Skelettlinie und symmetrischem Profil und mit einem Verhältnis Teilung zu Sehne zwischen 0.5 und 1 im Mittelschnitt des durchströmten Kanales. Diese Strömungsrippen verlaufen in radialer Richtung konisch. Mit diesen Massnahmen der Diffusionsgestaltung soll das Teillastverhalten der Maschine nochmals verbessert werden.To remedy this, it is known from EP 0 417 433 A1, in the case of a turbomachine of the axial type in the diffuser to arrange at least one row with adjustable guide vanes between the means for swirl removal and the outlet rotor blades. The means for swirl removal within the diffuser are here also flow ribs arranged uniformly over the circumference with a straight skeleton line and a symmetrical profile and with a ratio of division to chord between 0.5 and 1 in the middle section of the flowed channel. These flow ribs are tapered in the radial direction. These measures of diffusion design are intended to further improve the part-load behavior of the machine.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Unter Zugrundelegung einer 3D-Optimierung mit Navier-Stokes Rechenmethoden liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrzonigen Diffusor der eingangs genannten Art bei vorgegebenem Diffusor-Flächenverhältnis, worunter das Verhältnis der Strömungsquerschnitte am Austritt zum Eintritt des Diffusors verstanden wird, und bei kleinstmöglichem Durchmesser der ersten Diffusionszone sowie bei physikalisch grösstmöglichem Druckrückgewinn und drallfreier Abströmung die Gesamtlänge des Diffusors minimal zu halten.On the basis of a 3D optimization using Navier-Stokes computing methods, the object of the invention is for a multi-zone diffuser of the type mentioned at the given diffuser area ratio, which is understood to mean the ratio of the flow cross sections at the outlet to the inlet of the diffuser, and with the smallest possible diameter in the first diffusion zone, as well as with the physically greatest possible pressure recovery and swirl-free outflow, to keep the total length of the diffuser to a minimum.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht,

  • dass eine erste Diffusionszone sich von der Austrittsebene der letzten Schaufelreihe bis zu einer Ebene am Austritt der Strömungsrippen erstreckt und einkanalig ausgebildet ist, wobei der äquivalente Öffnungswinkel der Meridiankonturen stromabwärts der Knickwinkel zur Vermeidung von Strömungsablösung reduziert wird, so dass eine Art Glockendiffusor entsteht;
  • und dass eine zweite Diffusionszone in Form eines mehrkanaligen Diffusorteils gebildet wird, wobei die strömungsführenden Leitringe stromabwärts der Strömungsrippen angeordnet sind.
According to the invention, this is achieved by
  • that a first diffusion zone extends from the exit plane of the last row of blades to a plane at the exit of the flow ribs and is of single-channel design, the equivalent opening angle of the meridian contours downstream of the kink angle being reduced to avoid flow separation, so that a kind of bell diffuser is formed;
  • and that a second diffusion zone is formed in the form of a multi-channel diffuser part, the flow-conducting guide rings being arranged downstream of the flow ribs.

Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass bei einer stark divergenten Strömung erstmals die Knickwinkelidee mittels eines einkanaligen Diffusors durchführbar ist. Dadurch, dass auf die bisherige Mehrkanaligkeit in der ersten Diffusionszone verzichtet werden kann, ergibt sich der gewünschte kleine Durchmesser dieser Zone. Dieser Durchmesser ist massgebend für die Transportierbarkeit der montierten Maschine auf Eisenbahnen. Dies gilt selbst für die derzeit üblichen grössten Einheitsleistungen bei beispielsweise Gasturbinen.The advantage of the invention is to be seen, inter alia, in the fact that the bend angle idea can be implemented for the first time by means of a single-channel diffuser in the case of a strongly divergent flow. The fact that the previous multi-channel system in the first diffusion zone can be dispensed with results in the desired small diameter of this zone. This diameter is decisive for the portability of the assembled machine on railways. This applies even to the largest unit outputs currently customary in gas turbines, for example.

Es ist besonders zweckmässig, wenn stromabwärts der zweiten Diffusionszone eine dritte Diffusionszone in Form eines Stossdiffusors gebildet wird, dessen axiale Länge im wesentlichen L = D/n beträgt, worin D der Durchmesser des durchströmten Kanals (im Abgasrohr) und n die Anzahl der Kanäle in der zweiten Diffusionszone beträgt. Hierdurch können Strömungsinhomogenitäten nach der zweiten Diffusionszone ausgeglichen werden und der Druckrückgewinn kann weiter erhöht werden. Zudem können dadurch Interferenzeffekte mit nachfolgenden Strömungskomponenten wie Schalldämpfer, Kessel usw. vermieden werden. Ausserdem reduziert eine derartige Ausgleichs zone die Empfindlichkeit des Druckrückgewinns auf Teillastbedingungen.It is particularly expedient if a third diffusion zone in the form of an impact diffuser is formed downstream of the second diffusion zone, the axial length of which is essentially L = D / n, where D is the diameter of the flowed-through channel (in the exhaust pipe) and n the number of channels in the second diffusion zone. As a result, flow inhomogeneities after the second diffusion zone can be compensated for and the pressure recovery can be increased further. In addition, interference effects with downstream flow components such as silencers, boilers etc. can be avoided. In addition, such a compensation zone reduces the sensitivity of the pressure recovery to partial load conditions.

Es ist sinnvoll, wenn zur weitgehenden Vermeidung von Interferenzen mit der letzten Laufreihe der Beschaufelung das Verhältnis Rippenabstand a vom Austritt der Beschaufelung zu Rippenteilung t mindestens 0,5 beträgt. Diese Massnahme ergibt zudem eine vollständige Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit des Strömungmittels.It is useful if, in order to largely avoid interference with the last row of the blades, the ratio of the rib spacing a from the exit of the blades to the rib pitch t is at least 0.5. This measure also results in a full utilization of the working ability of the fluid.

Wenn das Verhältnis Rippensehne s zu Rippenteilung t mindestens 1 beträgt, wird sichergestellt, dass die empfindliche Diffusorströmung ablösungsfrei in die axiale Abströmrichtung umgelenkt wird und dass ein Beitrag zur gewünschten Verzögerung geleistet wird.If the ratio of rib chord s to rib pitch t is at least 1, it is ensured that the sensitive diffuser flow is free of detachment in the axial outflow direction is redirected and that a contribution to the desired delay is made.

Sofern das Verhältnis von grösster Profildicke dmax der Strömungsrippen zu Rippensehne s höchstens 0,15 beträgt und über der Rippenhöhe weitgehend konstant ist, werden dadurch Übergeschwindigkeiten, lokale Machzahlprobleme und unterschiedliche Verdrängungswirkungen minimiert.Provided that the ratio of the greatest profile thickness d max of the flow ribs to the rib chord s is at most 0.15 and is largely constant over the rib height, overspeeds, local Mach number problems and different displacement effects are minimized.

Es ist zudem angebracht, wenn die Vorderkanten der Rippen über der Rippenhöhe so orientiert werden, dass sie von den Stromlinien senkrecht geschnitten werden. Zusammen mit der Massnahne dmax/s = konstant wird hierdurch sichergestellt, dass die Strömung nicht radial nach aussen abgedrängt wird und sich eine Nabenseparation ausbildet.It is also appropriate if the leading edges of the ribs are oriented above the rib height so that they are cut perpendicularly by the streamlines. Together with the measure d max / s = constant, this ensures that the flow is not pushed radially outwards and hub separation is formed.

Mit Vorteil ist die Krümmung der Sklettlinie der Rippen hinsichtlich eines stossfreien Eintritts und einer axialen Abströmung gewählt. Dies garantiert den angestrebten hohen Druckrückgewinn sowie eine gewisse Unempfindlichkeit bei Teillast.The curvature of the Velcro line of the ribs is advantageously chosen with regard to a smooth entry and an axial outflow. This guarantees the desired high pressure recovery as well as a certain insensitivity to partial load.

Zweckmässig ist es, wenn zur Vermeidung von Übergeschwindigkeiten an den Rippen die Meridiankontur des Diffusors im Bereich der Rippen zusätzlich erweitert ist. Mit dieser Massnahme wird der durch die Rippen verursachte Verdrängungseffekt zumindest in den Randzonen kompensiert.It is expedient if the meridian contour of the diffuser in the region of the ribs is additionally expanded in order to avoid overspeeds on the ribs. With this measure, the displacement effect caused by the ribs is compensated for at least in the peripheral zones.

Besonders günstig ist es, wenn der Diffusor in der ersten Diffusionszone mit einer horizontalen Trennebene versehen ist. Dadurch, dass im Gegensatz zur eingangs erwähnten Lösung die erste Diffusionszone nicht mit Leitringen bestückt ist, welche aus Schwingungsgründen in der Regel einteilig ausgeführt sind, ist dank der Trennebene die Möglichkeit zur Abdeckung der ersten Zone und damit eine einfache Montage und Demontage beispielsweise der Beschaufelung ohne Hilfseinrichtungen und ohne axiale Veschiebung gewährleistet.It is particularly favorable if the diffuser is provided with a horizontal parting plane in the first diffusion zone. Due to the fact that, in contrast to the solution mentioned at the beginning, the first diffusion zone is not equipped with guide rings, which are usually made in one piece for reasons of vibration, thanks to the parting plane it is possible to cover the first zone and thus easy assembly and disassembly of the blading, for example guaranteed without auxiliary devices and without axial displacement.

Im Fall einer Trennebene in der ersten Diffusionszone ist eine gerade Anzahl Rippen vorgesehen, wobei Rippen in der Vertikalebene, nicht jedoch in der Horizontalebene angeordnet sind. Die untere vertikale Rippe kann somit zur Abstützung des Diffusors verwendet werden und es kann auf geteilte Rippen verzichtet werden.In the case of a parting plane in the first diffusion zone, an even number of ribs is provided, ribs being arranged in the vertical plane, but not in the horizontal plane. The lower vertical rib can thus be used to support the diffuser and there is no need for split ribs.

Es bietet sich an, in der zweiten Diffusionszone mehrere gleichmässig über dem Umfang verteilte und symmetrisch zur Vertikalebene angeordnete profilierte Hohlrippen mit definierten Abreisskanten vorzusehen. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Nabenkörper durch natürliche Konvektion zu ventilieren. Die notwendigen Versorgungsleitungen für die Lagerung und die Rotor- und Gehäusekühlung können durch diese Hohlrippen hindurchgeführt werden. Gegebenenfalls können auch die für den Verdichter einer Gasturbinenanlage notwendigen Ausblasemengen durch diese Hohlrippen dem Abgas beigemischt werden.It is advisable to provide several profiled hollow ribs with defined tear-off edges in the second diffusion zone, which are distributed uniformly over the circumference and arranged symmetrically to the vertical plane. This makes it possible to ventilate the hub body using natural convection. The necessary supply lines for the storage and the rotor and housing cooling can be led through these hollow ribs. If necessary, the blow-out quantities required for the compressor of a gas turbine system can also be mixed into the exhaust gas through these hollow ribs.

Günstig ist es, die innere Ringwandung des Diffusors am Austritt der zweiten Diffusionszone mit einer definierten Abreisskante zu versehen. Dadurch wird einerseits der Abrissquerschnitt minimiert und andererseits der Ausgleich der Strömungsinhomogenitäten beschleunigt.It is expedient to provide the inner ring wall of the diffuser with a defined tear-off edge at the outlet of the second diffusion zone. On the one hand, this minimizes the cross-section of the demolition and, on the other hand, speeds up the compensation of the flow inhomogeneities.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch und vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1
einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit erfindungsgemässem Diffusor;
Fig. 2
das Detail 2 gemäss Fig. 1 in vergrössertem Massstab;
Fig. 3
eine perspektivische Ansicht einer strömungsorientierten Rippe in Form von Netzlinien;
Fig. 4
einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit axial/radialem Abgasdiffusor;
Fig. 5
einen Teillängsschnitt des Verdichters einer Gasturbinenanlage mit stehender Einzelbrennkammer;
Fig. 6
einen Teillängsschnitt des Verdichters einer Gasturbinenanlage mit ringförmiger Brennkammer.
In the drawing, several embodiments of the invention are shown schematically and in a simplified manner. Show it:
Fig. 1
a partial longitudinal section of a gas turbine with a diffuser according to the invention;
Fig. 2
detail 2 according to FIG. 1 on an enlarged scale;
Fig. 3
a perspective view of a flow-oriented rib in the form of net lines;
Fig. 4
a partial longitudinal section of a gas turbine with axial / radial exhaust gas diffuser;
Fig. 5
a partial longitudinal section of the compressor of a gas turbine system with a standing single combustion chamber;
Fig. 6
a partial longitudinal section of the compressor of a gas turbine system with an annular combustion chamber.

Bei der Gasturbine nach Fig. 1 mit axial/axialem Abgasdiffusor sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichterteil, die Brennkammer sowie das vollständige Abgasrohr und der Kamin.In the gas turbine according to FIG. 1 with an axial / axial exhaust gas diffuser, only the elements essential for understanding the invention are shown. The system does not show, for example, the compressor section, the combustion chamber and the complete exhaust pipe and chimney.

Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils mit denselben Bezugszeichen, jedoch mit unterschiedlichen Indizes bezeichnet. Das in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel trägt keine Indizes. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind die Knickwinkel nur in der Fig. 2 als solche bezeichnet. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.In the different exemplary embodiments, the same elements are each designated with the same reference symbols, but with different indices. The embodiment shown in FIGS. 1, 2 and 3 has no indices. For the sake of clarity, the articulation angles are designated as such only in FIG. 2. The direction of flow of the working fluid is indicated by arrows.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die Gasturbine, von der in Fig.l lediglich die drei letzten, axialdurchströmten Stufen dargestellt sind, besteht im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor 1 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger 2. Der Schaufelträger ist im Turbinengehäuse 3 eingehängt. Der Rotor liegt in einem Traglager 4 ein, welches sich seinerseits in einem Abgasgehäuse abstützt. Dieses Abgasgehäuse besteht im Beispielsfall im wesentlichen aus einem nabenseitigen, innenliegenden Teil 6 und einem aussenliegenden Teil 7, welche den Diffusor 13 begrenzen. Beide Elemente 6 und 7 sind Topfgehäuse mit einer horizontalen Trennebene in Achshöhe. Sie sind miteinander verbunden durch mehrere angeschweisste tragende Strömungsrippen 8, die gleichmässig verteilt über dem Umfang angeordnet sind und deren Profil mit 9 angedeutet ist. Das Abgasgehäuse ist so konzipiert, dass es mit der Abgasströmung nicht in Kontakt ist. Die eigentliche Strömungsführung wird vom Diffusor übernommen, der in seiner ersten Zone als Einsatz zum Abgasgehäuse ausgelegt ist. Hierzu sind die äussere Begrenzungswand 14 und die innere Begrenzungswand 15 des Diffusors über die Strömungsrippen 8 gehalten. Die Wände sind dabei durchdrungen von eigentlichen Tragkörpern 10, welche sich innerhalb der Strömungsrippen erstrecken und das Abgasgehäuse 6, 7 halten.The gas turbine, of which only the last three axially flowed stages are shown in FIG. 1, essentially consists of the bladed rotor 1 and the blade carrier 2 equipped with guide blades. The blade carrier is suspended in the turbine housing 3. The rotor lies in a support bearing 4, which in turn is supported in an exhaust housing. In the example, this exhaust housing essentially consists of a hub-side inner part 6 and an outer part 7, which limit the diffuser 13. Both elements 6 and 7 are pot housings with a horizontal parting plane at shaft height. They are connected to one another by a plurality of welded supporting flow ribs 8, which are evenly distributed over the circumference and whose profile is indicated by 9. The exhaust housing is designed so that it is not in contact with the exhaust gas flow. The actual flow control is taken over by the diffuser, which is designed in its first zone as an insert for the exhaust housing. For this purpose, the outer boundary wall 14 and the inner boundary wall 15 of the diffuser are held over the flow ribs 8. The walls are penetrated by actual support bodies 10 which extend within the flow ribs and hold the exhaust gas housing 6, 7.

Massgebend für die gewünschte Funktionsweise des Diffusors ist nunmehr der Knickwinkel seiner beiden Begrenzungswände 14 und 15 unmittelbar am Austritt der Beschaufelung. Bei dieser handelt es sich um eine hochbelastete Reaktionsbeschaufelung mit grossem öffnungswinkel. Die letzte Laufschaufelreihe wird mit hoher Machzahl durchströmt. Die Kanalkontur am Schaufelfuss ist zylindrisch, jene an der Schaufelspitze verläuft schräg unter einem Winkel von ca. 30°. Würde man diese Konizität im Diffusor weiterführen, so wäre der genannte Winkel von 30° völlig ungeeignet, um die Strömung zu verzögern und den gewünschten Druckanstieg zu erzielen. Die Strömung würde von den Wandungen ablösen. Rein konstruktive Überlegungen würden nun in der Regel dazu führen, den Diffusorwinkel von 30° auf 7° zu reduzieren. Die dadurch bewirkte Umlenkung der Stromlinien an den Knickstellen des Diffusoreintritts und der damit verbundene schädliche Druckaufbau reduziert indes das Gefälle, d.h. die Gasarbeit über der Beschaufelung. Daraus resultiert eine geringere Leistung. Die nicht verwertete Energie führt am Diffusoraustritt lokal zu Übergeschindigkeiten und dissipiert in der Folge im Abgasrohr.The decisive factor for the desired functioning of the diffuser is now the kink angle of its two boundary walls 14 and 15 directly at the exit of the blading. This is a highly loaded reaction blading with a large opening angle. A high Mach number flows through the last row of blades. The channel contour on the blade root is cylindrical, that on the blade tip runs obliquely at an angle of approx. 30 °. If this conicity were to be continued in the diffuser, the angle of 30 ° mentioned would be completely unsuitable in order to delay the flow and to achieve the desired pressure increase. The current would detach from the walls. Purely constructive considerations would normally lead to a reduction of the diffuser angle from 30 ° to 7 °. The resulting deflection of the streamlines at the kinks at the diffuser inlet and the associated harmful pressure build-up meanwhile reduce the gradient, ie the gas work above the blading. This results in lower performance. The energy not used leads locally to excess speeds at the diffuser outlet and subsequently dissipates in the exhaust pipe.

Der Diffusor wird deshalb einzig und allein nach strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgelegt. Die Überlegungen müssen dahin führen, ein möglichst homogenes Totaldruckprofil über der ganzen Kanalhöhe, also auch an der Nabe und am Zylinder zu erreichen. Die beiden Knickwinkel werden demnach bestimmt aufgrund der gesamten Strömung in der Beschaufelung und im Diffusor.The diffuser is therefore designed solely on the basis of fluid dynamics. The considerations must lead to achieving the most homogeneous possible total pressure profile over the entire channel height, i.e. also on the hub and on the cylinder. The two bending angles are therefore determined on the basis of the entire flow in the blading and in the diffuser.

Die Gleichung für das radiale Gleichgewicht lehrt, dass in erster Linie die Meridiankrümmung der Stromlinien verantwortlich ist für das Ausmass der oben erwähnten Druckerhöhung. Diese muss also primär beeinflusst werden durch Anpassen des Anstellwinkels, um eine homogene Totaldruckverteilung zu erzielen. Mit dieser Überlegung ist der Knickwinkel αN (Fig. 2) der inneren Begrenzungswand 14 am Diffusoreintritt im Prinzip festgelegt. Im vorliegenden Fall führt dies zu einem Winkel αN, der von der Horizontalen in positiver Richtung ansteigt und zwar um nahezu 15°. Dies ist u.a. noch auf den Kühllufteinfluss zurückzuführen. Denn bekanntlich werden die Nabe, d.h. die Rotoroberfläche sowie die Schaufelfüsse in der Regel mit Kühlluft auf ein erträgliches Mass heruntergekühlt. Ein Teil dieser Kühlluft strömt nun entlang der Rotoroberfläche in den Hauptkanal ein. Diese Kühlluft weist eine tiefere Temperatur auf als die Hauptströmung, was unmittelbar an der Nabe hinter der letzten Laufschaufel energiearme Zonen verursacht. Diese gasturbinenspezifische Tatsache führt nun dazu, dass an der Stelle des Energiemangels der erwähnte Druckgradient an dieser Stelle erzwungen werden muss. Und dies wird durch vermehrtes Anstellen der inneren Begrenzungswand 15 und eine dadurch bedingte meridionale Umlenkung der Strömung erreicht. Die hierdurch aufgebaute Energie verhindert ein Ablösen der Strömung an der Nabe des Diffusors. Aus alldem ist zu erkennen, dass ein willkürliches, z.B. zylindrisches Weiterführen der inneren Begrenzungswand des Diffusors auf jeden Fall ungeeignet wäre, um die typischen Abströmmängel auszugleichen.The equation for the radial equilibrium teaches that the meridian curvature of the streamlines is primarily responsible for the extent of the pressure increase mentioned above. This must therefore be primarily influenced by adjusting the angle of attack in order to achieve a homogeneous total pressure distribution. With this consideration, the kink angle α N (FIG. 2) of the inner boundary wall 14 at the diffuser inlet is in principle determined. In the present case, this leads to an angle α N which rises from the horizontal in a positive direction, namely by almost 15 °. This is due, among other things, to the influence of cooling air. As is well known, the hub, ie the rotor surface and the blade roots, are usually cooled down to a tolerable level with cooling air. Part of this cooling air now flows into the main duct along the rotor surface. This cooling air has a lower temperature than the main flow, which causes low-energy zones directly on the hub behind the last rotor blade. This gas turbine-specific fact now leads to the fact that the pressure gradient mentioned must be enforced here at the point of the lack of energy. And this is achieved by increasing the inner boundary wall 15 and a meridional deflection of the flow caused thereby. The energy built up in this way prevents the flow at the hub of the diffuser from becoming detached. From all this it can be seen that an arbitrary, for example cylindrical, continuation of the inner boundary wall of the diffuser would in any case be unsuitable to compensate for the typical leakage defects.

Die gleichen Überlegungen sind nun auch bezüglich des Knickwinkels αz am Zylinder, d.h. an der äusseren Begrenzungswand 14, anzustellen. Hier gilt es allerdings zu berücksichtigen, dass die Strömung infolge des Spaltstromes zwischen Schaufelspitze und Schaufelträger 2 sehr energiereich ist. Ausserdem weist sie einen starken Drall auf. Eine homogene Energieverteilung lässt sich hier nur dann erzielen, wenn der Knickwinkel αZ am Zylinder gegenüber der Schrägen des Beschaufelungskanals in jedem Fall nach aussen öffnet. Im Beispielsfall geschieht dies um zusätzliche 10°.The same considerations are now also to be made with regard to the articulation angle α z on the cylinder, ie on the outer boundary wall 14. Here, however, it is important to take into account that the flow is very high in energy due to the gap flow between the blade tip and blade carrier 2. In addition, it has a strong swirl. A homogeneous energy distribution can only be achieved here if the kink angle α Z on the cylinder opens towards the outside in any case with respect to the inclines of the blading channel. In the example, this is done by an additional 10 °.

Im Ergebnis zeigt sich, dass der Gesamtöffnungswinkel des Diffusors im Bereich des Öffnungswinkels der Beschaufelung liegt, ja selbst grösser als dieser sein kann. Keinesfalls nimmt er jedoch einen Wert an, welcher rein konstruktiven Überlegungen entsprechen würde.The result shows that the total opening angle of the diffuser is in the range of the opening angle of the blading, and may even be greater than this. Under no circumstances does it assume a value that would correspond to purely constructive considerations.

Damit sind die Bedingungen geschaffen, dass im nachfolgenden Diffusor die Druckumsetzung so erfolgt, dass an dessen Austritt eine homogene, gleichmässige Abströmung vorliegt.This creates the conditions for the pressure to be converted in the downstream diffuser in such a way that a homogeneous, uniform outflow is present at the outlet thereof.

Nun ist indes klar, dass ein Diffusor mit 30° Öffnungswinkel ungeeignet ist, um die Strömung zu verzögern. Bei dem eingangs erwähnten bekannten Diffusor wird der Kanal deshalb in radialer Richtung mittels strömungsführender Leitringe in mehrere Teildiffusoren unterteilt, welche nach den bekannten Regeln dimensioniert sind.However, it is now clear that a diffuser with a 30 ° opening angle is unsuitable to delay the flow. In the known diffuser mentioned at the outset, the channel is therefore divided in the radial direction by means of flow-guiding rings into a plurality of partial diffusers which are dimensioned according to the known rules.

Der vorliegenden Erfindung liegt indes die Idee zugrunde, die erste Diffusionszone 50 einkanalig auszubilden. Die strömungsführenden Teile dieser erste Diffusionszone 50 sind in Fig. 2 dargestellt. Um die Einkanaligkeit zu realisieren, wird ein sogenannter Glockendiffusor 26 (bell shaped diffusor) angewendet. Dies bedeutet, dass der äquivalente Öffnungswinkel θ der Meridiankonturen stromabwärts der nach obigen Kriterien festgelegten Knickwinkel αZ und αN zur Vermeidung von Strömungsablösung reduziert wird. Dies geschieht zunächst in stärkerem Masse und anschliessend in schwächerem Masse, was zur gezeigten Glockenform führt. Unter äquivalentem Öffnungswinkel Θ wird hier verstanden: tan Θ/2= 1 U · dA ds

Figure imgb0001
worin

  • U = der lokale Umfang des Strömungsquerschnittes;
  • dA = die lokale Änderung des Strömungsquerschnittes;
  • ds = die lokale Änderung des Strömungsweges entlang des Diffusors.
However, the present invention is based on the idea of designing the first diffusion zone 50 as a single channel. The flow-carrying parts of this first diffusion zone 50 are shown in FIG. 2. A so-called bell-shaped diffuser 26 (bell-shaped diffuser) is used to achieve the single-channel configuration. This means that the equivalent opening angle θ of the meridian contours downstream of the kink angles α Z and α N determined according to the above criteria is reduced in order to avoid flow separation. this happens first to a greater extent and then to a lesser extent, which leads to the bell shape shown. The equivalent opening angle Θ is understood here: tan Θ / 2 = 1 U · there ds
Figure imgb0001
wherein
  • U = the local circumference of the flow cross-section;
  • dA = the local change in the flow cross-section;
  • ds = the local change in the flow path along the diffuser.

Ebenfalls im Gegensatz zum bekannten eingangs erwähnten Diffusor erstreckt sich im vorliegenden Fall die erste Diffusionszone 50 von der Austrittsebene der letzten Schaufelreihe bis zu einer Ebene am Austritt der Strömungsrippen 8. Letztere sind demnach mitumfasst und ihrer Art, ihrer Gestaltung, ihrer Anordnung und ihrer Anzahl liegen folgende Überlegungen zugrunde.Also in contrast to the known diffuser mentioned at the outset, in the present case the first diffusion zone 50 extends from the exit plane of the last row of blades to a plane at the outlet of the flow ribs 8. The latter are therefore included and their type, their design, their arrangement and their number based on the following considerations.

Zunächst wird der Abstand a der Vorderkante 24 der Strömungsrippen 8 zum Austritt der Beschaufelung ins Verhältnis zur Rippenteilung t - welches Mass für die Rippenanzahl ist - gesetzt. Beträgt dieses Verhältnis mindestens 0,5, so können Interferenzen mit der letzten Laufreihe 12 der Beschaufelung weitgehend vermieden werden.First, the distance a from the leading edge 24 of the flow ribs 8 to the exit of the blading is set in relation to the rib pitch t - which is the measure for the number of ribs. If this ratio is at least 0.5, interference with the last row 12 of the blading can be largely avoided.

Bei der Bestimmung der Sehnenlänge der Strömungsrippe gilt es im vorliegenden Fall zweierlei zu berücksichtigen. Hat die Strömungsrippe eine Tragfunktion, so ist ein minimaler Querschnitt nicht zu unterschreiten. Im Rippeninnern muss genügend Raum für die Anordnung der Tragkörper 10 geschaffen werden. Bezüglich der Umlenkaufgabe der Strömungsrippe - mit ihrer Hilfe soll die drallbehaftete Strömung gleichgerichtet werden - ist ebenfalls eine Minimalsehnenlänge nicht zu unterschreiten. Beträgt nun das Verhältnis Rippensehne s zu Rippenteilung t mindestens 1, so können beide Aufgaben wahrgenommen werden.In the present case, two things have to be taken into account when determining the tendon length of the flow rib. If the flow rib has a supporting function, the minimum cross-section should not be undercut. Sufficient space must be created in the interior of the ribs for the arrangement of the supporting bodies 10. With regard to the deflection task of the flow rib - with the help of which the swirled flow is to be rectified - a minimum chord length should also not be undercut. Now the ratio of rib chord s to Rib division t at least 1, so both tasks can be performed.

Ist die Sehnenlänge und über das Verhältnis s/t auch die Rippenteilung festgelegt, so ist im Prinzip auch die Anzahl der Strömungsrippen gegeben. Die Anordnung dieser Rippen unterliegt nunmehr folgenden Kriterien: Um den Zugang zur Beschaufelung und zur Lagerung zu ermöglichen, ist die erste Diffusionszone 50 mit einer horizontalen Trennebene versehen, d.h. die äussere Begrenzungswand 14 und die innere Begrenzungswand 15 des Diffusors sind geteilt ausgeführt. In diese horizontale Trennebene werden vorzugsweise keine Strömungsrippen verlegt, um eine Teilung der Rippen zu vermeiden. Andererseits bietet es sich an, in der Vertikalebene Strömungsrippen anzuordnen. Die vertikal ausgerichtete Strömungsrippe der unteren Hälfte kann somit für Stütz funktionen herangezogen werden. Besteht man überdies aus Symmetriegründen auf einer geraden Anzahl Rippen, so ergibt sich eine minimale Anzahl von 6 Strömungsrippen über dem Umfang, was für kleinere Maschinen durchaus sinnvoll sein kann. Die nächstmögliche und für vorliegende Zwecke bestgeignete Anzahl Rippen beträgt 10. Eine noch höhere Anzahl würde bereits wieder den durchströmten Querschnitt beeinträchtigen und den Aufwand beträchtlich erhöhen.If the length of the chord and the rib division is also determined via the ratio s / t, the number of flow ribs is also given in principle. The arrangement of these ribs is now subject to the following criteria: In order to allow access to the blading and storage, the first diffusion zone 50 is provided with a horizontal parting plane, i.e. the outer boundary wall 14 and the inner boundary wall 15 of the diffuser are designed to be divided. No flow ribs are preferably installed in this horizontal parting plane in order to avoid a division of the ribs. On the other hand, it is advisable to arrange flow ribs in the vertical plane. The vertically oriented flow rib of the lower half can thus be used for support functions. If you insist on an even number of ribs for reasons of symmetry, there is a minimum number of 6 flow ribs over the circumference, which can be very useful for smaller machines. The next possible number of ribs which is best suited for the present purposes is 10. An even higher number would again impair the cross-section through which the flow passes and considerably increase the effort.

Das Verhältnis von grösster Profildicke dmax der Strömungsrippen zu Rippensehne s soll höchstens 0,15 betragen und ist über der Rippenhöhe weitgehend konstant gehalten. Diesewiederum im Gegensatz zu den Strömungsrippen im eingangs erwähnten Diffusor - relativ dünnen Rippen vermeiden lokale Machzahlprobleme und minimieren unterschiedliche Verdrängungswirkungen über der Schaufelhöhe.The ratio of the greatest profile thickness d max of the flow ribs to the rib chord s should not exceed 0.15 and is kept largely constant over the rib height. This, in turn, in contrast to the flow ribs in the diffuser mentioned at the outset - relatively thin ribs avoid local Mach number problems and minimize different displacement effects above the blade height.

Wiederum im Gegensatz zu den Strömungsrippen im eingangs erwähnten Diffusor sind die Strömungsrippen gekrümmt ausgebildet. Die Krümmung der Sklettlinie der Rippen ist dabei hinsichtlich eines stossfreien Eintritts und einer axialen Abströmung gewählt, was zu einer variablen Krümmung über der Rippenhöhe führt.Again, in contrast to the flow ribs in the diffuser mentioned at the beginning, the flow ribs are curved. The curvature of the Velcro line of the ribs is with regard to a shock-free entry and an axial one Outflow selected, which leads to a variable curvature above the rib height.

Wie aus den Fig. 1, 2 und insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Rippen eine grundsätzliche Konizität auf. Dem liegt der Gedanke von s/t = konstant über der Rippenhöhe zugrunde. Diese radiusunabhängige Konfiguration bildet die Ausgangslage, die anschliessend schnittweise über der Rippenhöhe an die tatsächliche Strömung angepasst wird. Die Vorderkanten 24 der Rippen werden hierzu über der Rippenhöhe so orientiert, dass sie von den Stromlinien senkrecht geschnitten werden. Dies führt zu Vorderkanten, die keineswegs radial ausgerichtet sein müssen, wie dies Fig. 3 anschaulich darlegt.As can be seen from FIGS. 1, 2 and in particular from FIG. 3, the ribs have a basic conicity. This is based on the idea of s / t = constant above the height of the ribs. This radius-independent configuration forms the starting position, which is then adapted to the actual flow in sections above the height of the ribs. For this purpose, the front edges 24 of the ribs are oriented above the rib height so that they are cut perpendicularly by the streamlines. This leads to leading edges, which in no way have to be aligned radially, as illustrated in FIG. 3.

In Abweichung von der Glockenform ist die Meridiankontur des Diffusors im Bereich der Rippen 8 zusätzlich erweitert ist. Zumindest wird diese Massnahme getroffen im Bereich 25 von der Rippenvorderkante 24 bis zur grössten Profildicke. Damit können Übergeschwindigkeiten an den Rippen weitgehend vermieden werden.In a departure from the bell shape, the meridian contour of the diffuser in the area of the ribs 8 is additionally expanded. At least this measure is taken in the area 25 from the front rib edge 24 to the greatest profile thickness. In this way, overspeeds on the ribs can be largely avoided.

Diese erste Diffusionszone 50, die am Austritt der Strömungsrippen ihren Abschluss findet, ist mit einem Fächenverhältnis von 1,8 ausgelegt.This first diffusion zone 50, which ends at the outlet of the flow ribs, is designed with an area ratio of 1.8.

An die erste Diffusionszone schliesst sich eine zweite Diffusionszone 51 in Form eines mehrkanaligen Diffusorteils an. Sie ist mit einem Fächenverhältnis von 2.5 ausgelegt. Hierzu sind stromabwärts der Rippen 8 zwei strömungsführende Leitringe 16 angeordnet, die den Kanal in drei Teildiffusoren 17 unterteilen. Die Teildiffusoren sind als gerade Diffusoren nach den an sich bekannten Regeln mit äquivalenten Öffnungswinkeln von je ca. 7,5° ausgebildet. Diese Massnahme bewirkt eine Verkürzung der zweiten Diffusionszone nach der Regel L = L1K/n. Hierin bedeuten L die axiale Erstreckung der zweiten Diffusionszone, L1K die axiale Erstreckung eines einkanaligen Diffusors mit dem gleichen Flächenverhältnis, n die Anzahl der Teildiffusoren.A second diffusion zone 51 in the form of a multi-channel diffuser part adjoins the first diffusion zone. It is designed with an area ratio of 2.5. For this purpose, two flow-guiding rings 16 are arranged downstream of the ribs 8, which divide the channel into three partial diffusers 17. The partial diffusers are designed as straight diffusers according to the known rules with equivalent opening angles of approximately 7.5 ° each. This measure shortens the second diffusion zone according to the rule L = L 1K / n. Here L is the axial extent of the second diffusion zone, L 1K is the axial extent of one single-channel diffuser with the same area ratio, n the number of partial diffusers.

Am Ende dieser zweiten Diffusionszone 51 sind drei gleichmässig über dem Umfang verteilte profilierte Hohlrippen 18 angeordnet, wobei eine dieser Hohlrippen vertikal in der oberen Hälfte steht. Durch diese Hohlrippen können elektrische sowie Luft- und Ölleitungen hindurchgeführt werden. Die stumpfen Hinterkanten dieser Hohlrippen sind mit definierten Abreisskanten 19 versehen. Auch die ringförmige innere Begrenzungswand 15 des Diffusors, welche am Austritt der zweiten Diffusionszone 51 mit einem stumpfen Abschnitt 20 abschliesst, ist mit einer solchen definierten Abreisskante 21 versehen. Mit diesen Massnahmen wird der Abrissquerschnitt kleinstmöglich gehalten, der Ausgleich beschleunigt und es wird das Nabentotwasser reduziert.At the end of this second diffusion zone 51 there are three profiled hollow ribs 18 distributed uniformly over the circumference, one of these hollow ribs standing vertically in the upper half. Electrical, air and oil lines can be passed through these hollow ribs. The blunt trailing edges of these hollow ribs are provided with defined tear-off edges 19. The annular inner boundary wall 15 of the diffuser, which ends at the outlet of the second diffusion zone 51 with a blunt section 20, is also provided with such a defined tear-off edge 21. With these measures, the cross-section of the demolition is kept as small as possible, the compensation is accelerated and the hub dead water is reduced.

Diese zweite Diffusionszone 51 hat infolge der Auffächerung einen erheblich grösseren Durchmesser als die erste Diffusionszone 50. Da es sich indes bei der zweiten Zone lediglich um eine reine Blechkonstruktion handelt, die problemlos am Aufstellungsort der Anlage aus zerlegten Teilen zusammengefügt werden kann, bietet diese Tatsache indbesondere hinsichtlich des Eisenbahntransportes keine Schwierigkeiten.As a result of the fanning out, this second diffusion zone 51 has a considerably larger diameter than the first diffusion zone 50. However, since the second zone is merely a sheet metal construction which can be assembled from disassembled parts at the installation site of the system, this fact offers in particular no difficulties with the rail transport.

Stromabwärts der zweiten Diffusionszone 51 ist eine dritte Diffusionszone 52 in Form eines Stossdiffusors vorgesehen, wobei es sich hierbei um eine plötzliche Erweiterung handelt. Die axiale Länge dieses als Ausgleichzone konzipierten Carnot-Diffusors beträgt L=D/n, worin D der Durchmesser des durchströmten Kanals im zylindrischen Abgasrohr 22 und n die Anzahl der Kanäle in der zweiten Diffusionszone 51 beträgt. Das Flächenverhältnis dieser dritten Diffusionszone 52 beträgt 1.2, wobei hierbei auch der Nachlauf der drei Hohlrippen zu berücksichtigen ist.A third diffusion zone 52 in the form of an impact diffuser is provided downstream of the second diffusion zone 51, this being a sudden expansion. The axial length of this Carnot diffuser, which is designed as a compensation zone, is L = D / n, where D is the diameter of the flow-through channel in the cylindrical exhaust pipe 22 and n is the number of channels in the second diffusion zone 51. The area ratio of this third diffusion zone 52 is 1.2, the trailing of the three hollow ribs also having to be taken into account here.

Das gesamte Flächenverhältnis des Diffusors beträgt somit 5.3.The total area ratio of the diffuser is therefore 5.3.

In der Regel werden auf der Baustelle sowohl das zylindrische Abgasrohr 22 als auch die äussere Begrenzungswand 14 der zweiten Diffusionszone 51 zu einem einteiligen Element zusammengeschweisst. Um den freien Zugang zur zweiten Diffusionszone zu gewährleisten, ist die zweite Diffusionszone 51 axial in die dritte Diffusionszone 52 einschiebbar gestaltet, wie dies in der Fig. 1 bei 23 schematisch angedeutet ist.As a rule, both the cylindrical exhaust pipe 22 and the outer boundary wall 14 of the second diffusion zone 51 are welded together on the construction site to form a one-piece element. In order to ensure free access to the second diffusion zone, the second diffusion zone 51 is designed to be insertable axially into the third diffusion zone 52, as is indicated schematically at 23 in FIG. 1.

Die neue Massnahme ermöglicht es auch, am Austritt aus den letzten Laufschaufeln 12 einen gewissen Gegendrall zuzulassen, da stromabwärts im Diffusor eine axiale Ausrichtung durch die Strömungsrippen stattfindet. Dieser Gegendrall bietet die folgenden Vorteile:

  • Die Stufenarbeit kann gesteigert werden bei gleichbleibendem Wirkungsgrad oder
  • der Wirkungsgrad kann gesteigert werden bei gleichbleibender Stufenarbeit;
  • die Schaufeln der letzten Laufreihe könnten weniger verwunden ausgebildet werden, was zu einer Verbilligung führt;
  • die Umlenkung in der letzten Turbinenstufe kann reduziert werden, was wegen der Partikelseparation insbesondere bei wirbelschichtgefeuerten Gasturbinen zum Tragen kommt.
The new measure also makes it possible to allow a certain counter-swirl at the outlet from the last blades 12, since an axial alignment takes place downstream in the diffuser through the flow ribs. This counter-swirl offers the following advantages:
  • The step work can be increased with the same efficiency or
  • the efficiency can be increased with constant step work;
  • the blades of the last row could be made less wounded, which leads to a reduction in price;
  • the deflection in the last turbine stage can be reduced, which is particularly important in the case of fluidized-bed-fired gas turbines because of the particle separation.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in den Fig 1 und 2 gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, welches einen Diffusor mit axialem Austritt zum Gegenstand hat und damit die Anordnung der Strömungsrippen stark erleichtert. Sie ist insbesondere auch anwendbar bei Dampfturbinen oder Gasturbinen allgemein und insbesondere bei Turbinen von Abgasturboladern, sowie bei Verdichtern von Gasturbinen, welche in der Regel alle einen sogenannten axial-radialen oder axial-radial-axialen Diffussor haben.Of course, the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and described in FIGS. 1 and 2, which has a diffuser with an axial outlet and thus greatly facilitates the arrangement of the flow ribs. It is particularly applicable in particular to steam turbines or gas turbines in general in turbines of exhaust gas turbochargers, and in compressors of gas turbines, which generally all have a so-called axial-radial or axial-radial-axial diffuser.

Ein derartiges Beispiel ist anhand einer Gasturbine in Fig. 4 dargestellt. Die erste Diffusionszone 50B entspricht hier jener von Fig. 1. Die zweite Diffusionszone 51B, welche mittels 2 Leitringen 16B in drei Teildiffusoren 17B unterteilt ist, mündet in eine dritte Diffusionszone 53B, welche bei nur geringer Verzögerung stark umlenkt. Diese starke Umlenkung wird durch die Anordnung der sich in die Diffusionszone 53B fortsetzenden Leitringe stark begünstigt. Diese Massnahme bewirkt eine Reduktion des mittleren Krümmungsradius der dritten Diffusionszone nach der Regel R = R1K/n. Hierin bedeuten R der Krümmungsradius der dritten Diffusionszone, R1K der mittlere Krümmungsradius einer einkanaligen Diffusionszone mit dem gleichen Flächenverhältnis, n die Anzahl der Kanäle. Die dritte Diffusionszone 53B mündet radial in den Kamin 27. Auch bei diesem Übergang zum Kamin ist die Idee eines Stossdiffusors verwirklicht.Such an example is shown in FIG. 4 using a gas turbine. The first diffusion zone 50B here corresponds to that of FIG. 1. The second diffusion zone 51B, which is divided into three partial diffusers 17B by means of two guide rings 16B, opens into a third diffusion zone 53B, which deflects strongly with only a slight delay. This strong deflection is greatly favored by the arrangement of the guide rings continuing into the diffusion zone 53B. This measure reduces the average radius of curvature of the third diffusion zone according to the rule R = R 1K / n. Here, R is the radius of curvature of the third diffusion zone, R 1K is the mean radius of curvature of a single-channel diffusion zone with the same area ratio, n is the number of channels. The third diffusion zone 53B opens radially into the chimney 27. The idea of an impact diffuser is also realized in this transition to the chimney.

Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Lösung können die Strömungsrippen statt hohl auch voll ausgebildet werden. Diese Lösung bietet sich an, wenn beispielsweise auf ein eigentliches Abgasgehäuse verzichtet wird, d.h. wenn das Abgasgehäuse die strömungsführenden Aufgaben übernimmt, d.h wenn die äussere Begrenzungswand 14 des Diffusors den Abschluss nach aussen bildet und direkt am Turbinengehäuse angeflanscht ist.In a departure from the solution shown in FIG. 1, the flow ribs can also be made full instead of hollow. This solution is useful if, for example, an actual exhaust housing is not used, i.e. when the exhaust housing takes over the flow-guiding tasks, i.e. when the outer boundary wall 14 of the diffuser forms the end to the outside and is flanged directly to the turbine housing.

Wie die Erfindungsidee bei einem Verdichterdiffusor verwirklicht werden kann, zeigt Fig. 5. Hierbei könnte es sich beispielsweise um den Verdichter der in Fig. 1 gezeigten Gasturbine handeln, wobei die Anlage mit einer (nicht dargestellten) stehenden Einzelbrennkammer ausgerüstet sein kann. Letztere Konfiguration führt zu dem dargestellten, nahezu radialen Austritt aus dem Diffusor.FIG. 5 shows how the idea of the invention can be implemented in a compressor diffuser. This could be, for example, the compressor of the gas turbine shown in FIG. 1, it being possible for the system to be equipped with a standing individual combustion chamber (not shown). The latter configuration leads to the almost radial exit from the diffuser shown.

Zur Entdrallung der Strömung sind beim vorliegenden Fall in der ersten Diffusionszone sowohl eine reguläre Verdichterleitreihe als auch eine Nachleitreihe vorgesehen. Sie übernehmen die Funktion der Strömungsrippen. Die als erste Strömungsrippe 8C wirkende Verdichterleitreihe ist nach den oben erwähnten Kriterien ausgelegt, wobei indes auf einen axialen Austritt aus der Rippe verzichtet wird. Denn in Strömungsrichtung folgt auf die Rippe 8C eine Nachleitreihe 8'C zur weiteren Gleichrichtung der Strömung, die selbsterständlich ebenfalls nach den genannten Kriterien ausgelegt sein kann. Die erste Diffusionszone reicht von der Hinterkante der Laufschaufel 12C bis zu einer Ebene hinter der Nachleitreihe 8'C. Selbstverständlich könnten die beiden Rippen 8C und 8'C auch zu einer einzigen Strömungsrippe zusammengefasst werden.In the present case, both a regular compressor guide row and a follow-up row are provided in the first diffusion zone for swirling the flow. They take over the function of the flow ribs. The compressor guide row acting as the first flow rib 8C is designed according to the above-mentioned criteria, but there is no axial exit from the rib. Because in the flow direction, the rib 8C is followed by a guide line 8'C for further rectification of the flow, which of course can also be designed according to the criteria mentioned. The first diffusion zone extends from the rear edge of the blade 12C to a level behind the guide line 8'C. Of course, the two ribs 8C and 8'C could also be combined into a single flow rib.

Die zweite Diffusionszone ist durch einen Leitring 16C in zwei Teildiffusoren 17C unterteilt. Dieser Leitring wird in einer dritten, wenig verzögernden, jedoch stark umlenkenden Diffusionszone 53C über Rippen 28 an einer Rotorabdeckung 29C und an der äusseren Begrenzungswand 14C in seiner Stellung gehalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel geht die dritte Diffusionszone in eine vierte Diffusionszone 54C über, in der weiter verzögert wird.The second diffusion zone is divided into two partial diffusers 17C by a guide ring 16C. This guide ring is held in its position in a third diffusion zone 53C, which is not very delaying but strongly deflects, via ribs 28 on a rotor cover 29C and on the outer boundary wall 14C. In this exemplary embodiment, the third diffusion zone merges into a fourth diffusion zone 54C, in which deceleration is continued.

Bei einer derartigen einwelligen axialdurchströmten Gasturbine ist der zwischen Turbine und Verdichter liegende Wellenteil als Trommel 30 ausgebildet. Diese ist von der bereits erwähnten Rotorabdeckung 29C umgeben. Der zwischen Trommel und Rotorabdeckung gebildete Ringkanal 31C übernimmt die Führung der gesamten, nabenseitig zwischen den Rippen 8C und 8'C des Verdichters entnommenen Rotorkühlluft zur Stirnseite der Turbine, von wo sie in die rotorseitigen Kühlkanäle gelangt. Diese rotorseitige Kühlluft wird mit dem ihr anhaftenden Drall in den Ringkanal 31C geleitet. Hierdurch wird zum einen gewährleistet, dass die Aufheizung des Rotors über die Kühlluft und somit das Niveau der transienten Spannungen kleinstmöglich ist. Darüberhinaus wird durch die nabenseitige Entnahme reinstmögliche, nahezu staubfreie Luft in den Ringkanal eingeleitet. Für den anschliessenden Diffusor hat die Luftentnahme den Vorteil, dass die bei Verdichtern ausgeprägte energiearme Zone an der Nabe weitgehend abgezogen wird, was bezüglich des Diffusoreintritts bessere Bedingungen schafft. Es versteht sich, dass diese Massnahme bei der Bestimmung der Knickwinkel am Austritt der Laufschaufel 12C und der Auslegung des einkanaligen Glockendiffusors in der ersten Diffusionszone berücksichtigt werden.In such a single-shaft, axially flow-through gas turbine, the shaft part located between the turbine and the compressor is designed as a drum 30. This is surrounded by the already mentioned rotor cover 29C. The annular duct 31C formed between the drum and the rotor cover takes over the guidance of the entire rotor cooling air removed on the hub side between the ribs 8C and 8'C of the compressor to the front side of the turbine, from where it reaches the cooling ducts on the rotor side. This cooling air on the rotor side is combined with the their adherent swirl directed into the ring channel 31C. This ensures on the one hand that the heating of the rotor via the cooling air and thus the level of the transient voltages is as small as possible. In addition, the purest possible, almost dust-free air is introduced into the ring channel through the hub-side removal. For the subsequent diffuser, air extraction has the advantage that the low-energy zone on the hub, which is pronounced in the case of compressors, is largely removed, which creates better conditions with regard to the diffuser inlet. It goes without saying that this measure is taken into account when determining the buckling angle at the outlet of the rotor blade 12C and the design of the single-channel bell diffuser in the first diffusion zone.

Die in Fig. 6 dargestellte Variante des mehrzonigen Diffusors bietet sich an bei Anlagen, die mit einer Ringbrennkammer ausgerüstet sind. Die zur Verfügung stehenden Platzverhältnisse führen zu einer nahezu 180°-igen Umlenkung der Diffusorströmung. Bei dieser Ausführung ist nur eine Verdichterleitreihe vorgesehen, welche die Funktion der Strömungsrippen 8D übernehmen. Sie sind nach den mehrfach erwähnten Kriterien ausgelegt. Demzufolge wird hier die rotorseitige Kühlluft an der Nabe unmittelbar am Austritt der letzten Laufschaufeln 12D entnommen und in den Ringkanal 31D geleitet. Gegenüber der Ausführung nach Fig. 5 weist die Kühlluft somit hier weniger Druck, jedoch mehr Drall auf, vorausgesetzt, es liegen an beiden Verdichtern gleiche Verhältnisse am Austritt der Lauf schaufeln vor.The variant of the multi-zone diffuser shown in FIG. 6 is suitable for systems which are equipped with an annular combustion chamber. The available space leads to an almost 180 ° deflection of the diffuser flow. In this embodiment, only one compressor guide row is provided, which takes over the function of the flow ribs 8D. They are designed according to the criteria mentioned several times. As a result, the rotor-side cooling air is removed from the hub directly at the outlet of the last rotor blades 12D and conducted into the annular duct 31D. Compared to the embodiment according to FIG. 5, the cooling air thus has less pressure, but more swirl, provided that there are the same conditions on both compressors at the outlet of the blades.

Auch hier ist die zweite Diffusionszone durch einen Leitring 16D in zwei Teildiffusoren 17D unterteilt. Dieser Leitring wird wird in einer dritten, wenig verzögernden, jedoch stark umlenkenden Diffusionszone 53D über (nicht dargestellte) Rippen an der Rotorabdeckung 29D und an der äusseren Begrenzungswand 14D in seiner Stellung gehalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel geht die dritte Diffusionszone in eine einkanalige vierte Diffusionszone 54D über, in der weiter verzögert wird.Here, too, the second diffusion zone is divided into two partial diffusers 17D by a guide ring 16D. This guide ring is held in its position in a third diffusion zone 53D, which is not very slow but strongly deflects, via ribs (not shown) on the rotor cover 29D and on the outer boundary wall 14D. In this embodiment the third diffusion zone merges into a single-channel fourth diffusion zone 54D, in which deceleration continues.

Der Leitring ist zweiteilig ausgeführt. In seinem ersten Abschnitt besteht er aus einem zylindrischen Blechmantel 16Da, der über mehrere über den Umfang verteilte, profilierte Rippen 32 am Schaufelträger 2D in seiner Stellung gehalten ist. In seinem zweiten umlenkenden Abschnitt 16Db besteht er beispielsweise aus einem Gussteil, welches mit dem ersten Teil verschraubt ist. Zur Kühlung der Brennkammerwandungen wird über einen weiteren ringförmigen Kanal 33 Luft aus der dritten Diffusionszone abgezweigt.The guide ring is made in two parts. In its first section, it consists of a cylindrical sheet metal jacket 16Da, which is held in position on the blade carrier 2D via a plurality of profiled ribs 32 distributed over the circumference. In its second deflecting section 16Db, it consists, for example, of a cast part which is screwed to the first part. To cool the combustion chamber walls, air is branched off from the third diffusion zone via a further annular channel 33.

BezugszeichenlisteReference list

11
Rotorrotor
22nd
SchaufelträgerShovel carrier
33rd
TurbinengehäuseTurbine casing
44th
TraglagerSupport bearing
55
AbgasgehäuseExhaust housing
66
innenliegender Teil von 5inner part of 5
77
aussenliegender Teil von 5outside part of 5
88th
StrömungsrippeFlow rib
99
Profil von 8Profile of 8
1010th
TragkörperSupporting body
1111
Leitschaufelvane
1212th
AustrittslaufschaufelExit blade
1313
DiffusorDiffuser
1414
äussere Begrenzungswand des Diffusorsouter boundary wall of the diffuser
1515
innere Begrenzungswand des Diffusorsinner boundary wall of the diffuser
1616
LeitringGuide ring
1717th
TeildiffusorPartial diffuser
1818th
HohlrippeHollow rib
1919th
AbreisskanteTear-off edge
2020th
stumpfer Abschnittblunt section
2121
AbreisskanteTear-off edge
2222
zylindrisches Abgasrohrcylindrical exhaust pipe
2323
VerschiebemöglichkeitPossibility to move
2424th
Vorderkante von 8Leading edge of 8
2525th
erweiterter Bereichextended area
2626
GlockendiffusorBell diffuser
2727
Kaminstack
2828
Ripperib
2929
RotorabdeckungRotor cover
3030th
Trommeldrum
3131
RingkanalRing channel
3232
Ripperib
3333
ringförmiger Kanal
annular channel
5050
erste Diffusionszonefirst diffusion zone
5151
zweite Diffusionszonesecond diffusion zone
5252
dritte Diffusionszonethird diffusion zone
5353
dritte Diffusionszone in Fig 5 und 6third diffusion zone in FIGS. 5 and 6
5454
vierte Diffusionszone in Fig 5 und 6fourth diffusion zone in FIGS. 5 and 6
aa
Abstand von 12 zu 24Distance from 12 to 24
dmax d max
grösste Profildicke von 8greatest profile thickness of 8
ss
Sehne von 8Tendon of 8
αZ α Z
Knickwinkel an 14Kink angle at 14
αN α N
Knickwinkel an 15Articulation angle at 15

Claims (15)

  1. Multi-zone diffuser for an axial-flow turbomachine
    - in which the kink angles of the diffuser inlet both at the hub and at the cylinder of the turbomachine are fixed exclusively for the purpose of evening out the total pressure profile over the duct height at the outlet from the last rotor blade row (12),
    - in which means, in the form of streamlined struts (8), are provided within the deceleration zone of the diffuser (13) for the removal of swirl from the swirling flow,
    - and in which flow guide rings (16) subdivide the diffuser in multi-duct fashion,
    - characterized in that a first diffusion zone (50) extends from the outlet plane of the last rotor blade row (12) to a plane at the outlet from the streamlined struts (8) and is configured as one duct in which the equivalent opening angle (θ) of the meridian contours downstream of the kink angles is reduced to avoid flow separation so that a type of bell-shaped diffuser (26) is formed;
    - and in that a second diffusion zone (51) is fashioned in the form of a multi-duct diffuser part (17), the flow guide rings (16) being arranged downstream of the streamlined struts (8).
  2. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that a third diffusion zone (52) is formed downstream of the second diffusion zone (51) in the form of a dump diffuser whose axial length is substantially L = D/n, where D is the diameter of the flow duct in the exhaust pipe (22) and n is the number of ducts (17) in the second diffusion zone (51).
  3. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the ratio between the distance (a) between the struts and the outlet from the blading, on the one hand, and the strut pitch (t), on the other, is at least 0.5 in order substantially to avoid interference with the last rotor row (12) of the blading.
  4. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the ratio between the strut chord (s) and the strut pitch (t) is at least 1 and is substantially constant over the height of the struts in order to secure execution of the deflection duty.
  5. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the maximum ratio between the maximum profile thickness (dmax)of the streamlined struts and the strut chord (s) is 0.15 and is substantially constant over the height of the struts.
  6. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the respective curvature of the camber line of the streamlined strut (8) is selected with a view to shock-free entry and axial outlet flow over the whole height of the struts.
  7. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the meridian contour of the diffuser is additionally widened (25) in the region of the struts in order to avoid excessive velocities on the streamlined struts (8).
  8. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the leading edges (24) of the streamlined strut (8) are so oriented over the height of the struts that they are intersected at right angles by the streamlines.
  9. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the diffuser is provided with a horizontal split plane in the first diffusion zone (50).
  10. Multi-zone diffuser according to Claim 9, characterized in that an even number of streamlined struts (8) is provided, struts being arranged in the vertical plane but not in the horizontal plane.
  11. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that a plurality of hollow profiled struts (18), which have defined separation edges (19), are arranged evenly distributed about the periphery and are arranged symmetrically about the vertical plane, are provided in the second diffusion zone (51).
  12. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that the inner boundary wall (15) of the diffuser at the outlet from the second diffusion zone (51) is provided with a defined separation edge (21).
  13. Multi-zone diffuser according to Claim 2, characterized in that the second diffusion zone (51) is designed so that it can be pushed axially into the third diffusion zone (52).
  14. Multi-zone diffuser according to Claim 1, characterized in that a third, likewise multi-duct diffusion zone (53), in which there is weak deceleration but strong deflection, is arranged downstream of the second diffusion zone (51).
  15. Multi-zone diffuser according to Claim 14, characterized in that a fourth, single-duct or multi-duct diffusion zone (54), in which there is strong deceleration but weak deflection, is arranged downstream of the third difusion zone (53).
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