EP1153219A1 - Diffusor ohne pulsation der stoss-grenzschicht und verfahren zum unterdrücken der stoss-grenzschicht-pulsation von diffusoren - Google Patents

Diffusor ohne pulsation der stoss-grenzschicht und verfahren zum unterdrücken der stoss-grenzschicht-pulsation von diffusoren

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EP1153219A1
EP1153219A1 EP00907578A EP00907578A EP1153219A1 EP 1153219 A1 EP1153219 A1 EP 1153219A1 EP 00907578 A EP00907578 A EP 00907578A EP 00907578 A EP00907578 A EP 00907578A EP 1153219 A1 EP1153219 A1 EP 1153219A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffuser
fluid
turbine
section
pulsation
Prior art date
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EP00907578A
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English (en)
French (fr)
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EP1153219B1 (de
Inventor
Peter Kraus
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Universitaet Stuttgart
MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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Publication date
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Publication of EP1153219A1 publication Critical patent/EP1153219A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1153219B1 publication Critical patent/EP1153219B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/30—Exhaust heads, chambers, or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/04—Antivibration arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/19—Two-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/191—Two-dimensional machined; miscellaneous perforated
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the invention relates to a diffuser for decelerating a fluid with at least one wall forming a channel with an inlet cross section and an outlet cross section, the flow cross section of the channel being larger at the outlet cross section than at the inlet cross section.
  • Diffusers of this type are known from a large number of turbomachines. For example, at the low pressure end of a steam turbine
  • the reduced heat input due to dissipation also reduces the cooling capacity of the condenser, which is connected downstream of steam turbines.
  • a suction pipe is connected to Francis turbines through which a liquid flows, in order to achieve the above-mentioned conversion from speed energy to pressure energy and thus to increase the performance of the turbine.
  • a fundamental problem with diffusers of all kinds is that separation effects between the flow and the wall of the diffuser can occur due to the delayed flow. In any case, these detachment effects reduce the free cross section of the diffuser and thus at least partially cancel out its effect. You can also use the WO 00/49297 PCTtEPOO / 01300
  • pulsations Detachment effects of so-called impact boundary layer pulsations, hereinafter referred to as pulsations, in which fluid is generated which can excite the turbine blades and the housing of an upstream turbine and the housing of the diffuser to vibrate. These vibrations are highly undesirable, since they represent an additional mechanical load on the components affected by them and can therefore significantly reduce the operational safety and service life of these components.
  • baffles By installing baffles in the channel of the diffuser, an attempt was made, for example, to prevent the flow from detaching from the convexly curved wall of the diffuser. This can reduce pulsation. However, the efficiency of the diffuser deteriorates significantly due to the fixed baffles during the entire operating time.
  • Another approach to preventing pulsations is to increase the ratio of the outlet cross-section to the inlet cross-section of the diffuser (change in impact length). Also through this measure Impact boundary layer pulsations cannot be completely suppressed.
  • the invention is based on the object of providing a diffuser and a turbine which have a good efficiency in the entire operating range and over the entire operating time and during their operation no impact boundary layer pulsations occur.
  • the invention has for its object to provide a method to effectively suppress pulsations in a diffuser.
  • a diffuser for retarding a fluid with at least one wall forming a channel with an inlet cross section and an outlet cross section, the flow cross section of the channel being larger at the outlet cross section than at
  • Entry cross-section is and the wall has at least one opening through which an energizing fluid can be conveyed into the channel.
  • the inlet opening or the inlet openings are circular or as an elongated hole, so that the openings are easy to manufacture and have only a slight notch effect.
  • the inlet openings are arranged in at least one or more areas of the wall, in particular in the areas in which a pulsation of the shock boundary layer between fluid and wall occurs, so that the wall of the diffuser is weakened the inlet openings remain small and, in addition, this pulsation is deliberately influenced or suppressed by conveying the energizing fluid into the region or regions of the wall in which pulsation of the impact boundary layer occurs.
  • the channel has an annular cross section, so that diffusers with an inner shell and a convexly curved outer shell can be operated safely and with good efficiency at all operating points.
  • the fluid enters the diffuser in the axial direction and / or has a swirl in the inlet cross section and / or the fluid exits the diffuser in the radial direction, so that the installation of a diffuser according to the invention between a steam turbine and a Condenser with various inflow and outflow conditions is easily possible.
  • the diffuser is rotationally symmetrical.
  • At least one pressure sensor on the diffuser, which measures the pressure of the fluid transiently, so that the occurrence of pulsations can be continuously monitored during operation.
  • a control device which determines the amplitudes and frequencies of the pressures measured by the pressure sensor and which triggers the delivery of the energizing fluid into the diffuser if the amplitudes exceed a threshold value within a predetermined frequency range. This ensures that whenever pulsations occur, energizing fluid is conveyed into the diffuser and, on the other hand, the energizing fluid is not conveyed if no pulsations are measured. Thereby The efficiency of the diffuser according to the invention is in no way impaired at the operating times when there are no pulsations, and there is only a very slight reduction in the operating times during which a pulsation occurs
  • the efficiency of the diffuser according to the invention is therefore as good in all operating states as the efficiency of a diffuser according to the prior art, as long as there are no pulsations. If pulsations occur in a diffuser according to the prior art, the efficiency of the diffuser according to the invention, in which no pulsations occur, is significantly better.
  • the operational reliability of a turbine equipped with a diffuser according to the invention is significantly increased compared to the prior art.
  • the energizing fluid has the same or similar consistency as the fluid, so that, for example, by branching off a partial steam flow in the medium or low-pressure part of the upstream steam turbine, an energizing fluid is available inexpensively and without any equipment outlay, the parameters ( Pressure, temperature, mass flow) can be precisely matched to the application.
  • steam from a bleed line of a steam turbine can be used as the energizing fluid.
  • the energizing fluid is compressed air, so that the pulsations can be suppressed without interfering with the turbine or another apparatus upstream of the diffuser according to the invention.
  • a turbine with a housing, with an impeller and with a diffuser, wherein the housing is flowed through by a fluid, the fluid driving the impeller and the diffuser, viewed in the flow direction of the fluid, behind the Impeller is arranged, characterized in that the diffuser is a diffuser according to one of the preceding claims. All of the above-mentioned advantages of the diffuser according to the invention are thus also used in a turbine according to the invention.
  • the turbine is a steam turbine, a gas turbine or a Francis turbine, so that, regardless of the different fluids with which the turbines are operated, a pulsation in the diffuser of the steam or gas turbine or in the intake manifold the Francis turbine is omitted.
  • the object mentioned at the outset is also achieved according to the invention by a method for preventing impact boundary layer pulsations in a diffuser, in which the pressure of the fluid in the diffuser is measured transiently,
  • Energizing fluid is conveyed into the diffuser when the amplitudes exceed a threshold value within a predetermined frequency range.
  • This method according to the invention makes it possible that whenever an operating point is approached in which pulsations occur, these are measured, recognized and suppressed by conveying energizing fluid into the diffuser. So u can. a. Existing diffusers in which pulsations occur are also monitored and the pulsations are prevented by conveying energizing fluid into the diffuser.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a low-pressure steam turbine
  • Fig. 2 a partial section through an impeller
  • Diffuser outlet 5: Measured pulsation amplitudes of a diffuser according to the prior art plotted against the frequency; 6: Measured pulsation amplitudes of a diffuser according to the invention plotted against the
  • a low pressure (LP) steam turbine 1 with a horizontally extending shaft 3 is shown in longitudinal section. Via an inflow line 5, the steam indicated below by an arrow 7 and referred to as fluid is conducted into the low-pressure steam tunnel.
  • a guide device 9 is present in the turbine, which guides the fluid onto an impeller 11. After the fluid has flowed along the arrows 12 through a plurality of rows of guide blades 9 and the impeller 11 with a plurality of rows of blades and has thereby given work to the shaft 3, it reaches diffusers 13.
  • the diffusers 13 each have a convexly curved outer shell 15 and a concavely curved inner shell 16 on.
  • the fluid enters the diffuser 13 through a diffuser inlet 17 and exits through a diffuser outlet 18.
  • the same components or designations are provided with the same reference symbols in all the figures.
  • the impeller 11 shows an impeller 11 with a diffuser 13 in partial section.
  • the main mass flow 31 of the fluid reaches the diffuser 13 through the impeller 11.
  • a gap mass flow 35 reaches the diffuser through the gap 33 between the impeller 11 and the outer shell 15 of the diffuser 13.
  • Flow velocity in the gap 33 is higher than that of the main mass flow 31 because the gap mass flow 35 is not braked by the impeller 11. After the last row of blades of shaft 3 there is an additional acceleration of the gap mass flow 35, which also takes place in a comparable form in a Laval nozzle.
  • the outflow of the fluid from the turbine indicated by the impeller 11 into the diffuser 13 is influenced to a large extent by the interaction of the main mass flow 31 and the gap mass flow 35.
  • the energizing effect exerted by the gap mass flow 35 on the flow boundary layer on the outer shell of the diffuser is particularly important for the axi-radial deflection of the fluid in the diffuser 13.
  • the energization of the boundary layer by the gap mass flow 35 is the cause for the displacement of the separation area on the outer shell 15 in the direction of the diffuser outlet 18 and the reduction in the blocking effect which is induced as a result of the boundary layer detachment arises to look at.
  • the blocking effect is greatest at the diffuser outlet 18.
  • FIG. 2 the flow states arising during the axiradial deflection in the course of the diffuser 13 are shown schematically in a two-dimensional representation.
  • the gap mass flow 35 reaches the diffuser 13 at supersonic speed (Ma> 1), while the main mass flow 31 reaches the diffuser 13 at subsonic speed (Ma ⁇ 1).
  • the boundary between these two areas is represented by a sound line 39.
  • the location of the compression shock is represented by a line 41.
  • a detachment area 43 is shown on the outer shell 15, within which the flow of the fluid has detached from the outer shell 15.
  • the gap energization has a disadvantageous effect on the diffuser flow in higher load cases, since it causes a shock-boundary layer pulsation, also called diffuser hum, on the wall contour under certain conditions of the static pressures in the diffuser inlet and outlet.
  • This pulsation can successively influence the diffuser flow over a large area and cause undesirable blade vibrations in the impeller 11.
  • the flow phenomenon of shock boundary layer pulsation is harmful in many aerodynamic areas Effect on the adjacent flow fields with the dependence of the flow states on the frequency and the amplitude of the pulsation is an important research topic.
  • the extent of the efficiency losses caused by the pulsation and the harmful effect of the pulsation on the blades of the LP steam turbine 1 and the diffuser 13 can, according to the invention, be prevented by one or more openings 45 in the diffuser 13.
  • An energizing fluid can be conveyed through the openings 45 into the diffuser via supply lines 46.
  • any pulsations that may have occurred with any of the diffusers and operating states examined so far could be completely prevented.
  • the pulsations can be detected by means of a non-stationary pressure sensor 47.
  • FIG. 3 the division of the total mass flow 31 + 35 after flowing through a turbine and the diffuser 13 is shown in perspective in partial section. If one imagines this arrangement installed in the exhaust steam housing 19 from FIG. 1, it becomes clear that the total mass flow, as shown in FIG. 3, flows downwards after exiting the diffuser. For the part of the total mass flow that emerges from the diffuser 13 at the designation 0 °, this means that it splits into a right and a left part 48 and 49. The total mass flows emerging laterally at the designations 90 ° or 270 ° are deflected downward, as shown in FIG. 3. Due to the different outflow conditions over the circumference of the diffuser outlet, the pulsations that may occur over the circumference of the diffuser outlet are also not the same.
  • FIG. 4 shows the results of the amplitudes, which were measured by means of transient pressure transducers DA1 and DA2 for a constant flow state.
  • the recorded different curve shape of DA1 and DA2 is due to that different positions. 4 shows that the pulsation amplitudes measured with a first pressure transducer DA1 are the greatest in the range between 150 ° and 210 °.
  • the measured values, shown in dashed lines, recorded with a second pressure transducer DA2 are somewhat lower overall, but also have a pronounced maximum in the range between 190 ° and 215 °.
  • FIG. 5 shows an operating state of a diffuser according to the prior art, in which a pulsation with an amplitude of 9.9 mbar occurs at 382 Hz.
  • the amplitude could be reduced to 2.4 mbar at 440 Hz in otherwise identical operating states and thus completely suppressed.
  • the efficiency of the diffuser has decreased only to a very small extent compared to its efficiency at the nominal point.
  • FIG. 7 shows another operating state of the turbine or of the diffuser, in which an amplitude of 15.8 mbar at 417 Hz was measured without conveying energizing fluid into the diffuser.
  • the amplitude has decreased to 4.1 mbar at 425 Hz, which can also be seen as a complete suppression of the pulsation.
  • the suppression of the pulsation can be completely suppressed by using a diffuser according to the invention or by using the method according to the invention. It is irrelevant whether the fluid is steam, flue gas, air or water, for example.
  • the method according to the invention can be used for compressible and incompressible fluids of all kinds.

Description

Titel: Diffusor ohne Pulsation der Stoß-Grenzschicht und Verfahren zum Unterdrücken der Stoß-GrenzSchicht- Pulsation von Diffusoren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Diffusor zur Verzögerung eines Fluids mit mindestens einer einen Kanal bildenden Wandung mit einem Eintrittsquerschnitt und einem Austrittsquerschnitt, wobei der Strömungsquerschnitt des Kanals am Austrittsquerschnitt größer als am Eintrittsquerschnitt ist.
Derartige Diffusoren sind aus einer Vielzahl von Strömungsmaschinen bekannt. Beispielsweise wird am Niederdruckende einer Dampfturbine die
Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes in einem Diffusor verringert, so dass WO 00/49297 PCTtEPOO/01300
- das nutzbare Druck- bzw. Enthalpiegefälle der Turbine erhöht wird;
- ein Teil der kinetischen Energie wird in Druckenergie umgewandelt wird;
- das strömende Medium verzögert wird und
- die Strömungsverluste am Diffusoraustritt zu den Kondensatorbündeln hin verkleinert werden;
Durch die verminderte Wärmezufuhr infolge Dissipation reduziert sich auch die notwendige Kühlleistung des Kondensators, der bei Dampfturbinen nachgeschaltet ist.
In ähnlicher Weise wird an Francisturbinen, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden, ein Saugrohr angeschlossen, um die oben genannte Umwandlung von Geschwindigkeits- in Druckenergie zu erreichen und damit die Leistung der Turbine zu erhöhen. Auch bei Gasturbinen und anderen mit hoher Geschwindigkeit durchströmten Apparaten ist man bestrebt, durch den Anbau eines Diffusors mindestens einen Teil der Strömungsenergie des Fluids zurückzugewinnen.
Ein grundsätzliches Problem bei Diffusoren aller Art ist, dass aufgrund der verzögerten Strömung Ablösungseffekte zwischen Strömung und der Wandung des Diffusors auftreten können. Diese Ablösungseffekte verringern in jedem Fall den freien Querschnitt des Diffusors und heben somit dessen Wirkung mindestens teilweise auf. Außerdem können mit den WO 00/49297 PCTtEPOO/01300
Ablösungseffekten sogenannte Stoß-Grenzschicht-Pulsationen, nachfolgend als Pulsationen bezeichnet, in dem Fluid entstehen, welche die Turbinenschaufeln und das Gehäuse einer vorgeschalteten Turbine und das Gehäuse des Diffusors zu Schwingungen anregen können. Diese Schwingungen sind in hohem Maße unerwünscht, da sie eine zusätzliche mechanische Belastung der von ihnen betroffenen Komponenten darstellen und somit Betriebssicherheit und Lebensdauer dieser Komponenten entscheidend verringern können.
In der Vergangenheit wurden deshalb verschiedenste Anstrengungen unternommen, um das Auftreten von Stoß- Grenzschicht-Pulsationen in Diffusoren zu unterbinden bzw. deren Amplitude zu verringern.
Durch den Einbau von Leitbleche in den Kanal des Diffusors, wurde beispielsweise versucht, die Ablösung der Strömung von der konvex gekrümmten Wandung des Diffusors zu verhindern. Damit kann eine Reduktion der Pulsation erreicht werden. Allerdings verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Diffusors durch die fest eingebauten Leitbleche während der gesamten Betriebsdauer nennenswert .
Ein anderer Ansatz zur Verhinderung der Pulsationen besteht darin, das Verhältnis von Austrittsquerschnitt zu Eintrittsquerschnitt des Diffusors zu vergrößern (Pralllängenveränderung) . Auch durch diese Maßnahme konnten Stoß-Grenzschicht-Pulsationen nicht gänzlich unterdrückt werden.
Des Weiteren wurde versucht, durch einen Knick in der Wandung des Diffusors gezielt eine Ablösung der Strömung von der Wandung herbeizuführen. Durch diese Maßnahme kann eine vollständige Unterdrückung der Pulsationen erreicht werden. Allerdings geht diese Maßnahme mit einer erheblichen Verringerung des Diffusorwirkungsgrads einher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diffusor und eine Turbine bereitzustellen, die im gesamten Betriebsbereich und über die gesamte Betriebsdauer einen guten Wirkungsgrad aufweisen und bei deren Betrieb keine Stoß-Grenzschicht- Pulsationen auftreten. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, um Pulsationen in einem Diffusor wirksam zu unterdrücken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Diffusor zur Verzögerung eines Fluids mit mindestens einer einen Kanal bildenden Wandung mit einem Eintrittsquerschnitt und einem Austrittsquerschnitt, wobei der Strömungsquerschnitt des Kanals am Austrittsquerschnitt größer als am
Eintrittsquerschnitt ist und wobei die Wandung mindestens eine Öffnung aufweist, durch die ein Energetisierungsfluid in den Kanal förderbar ist. Durch das Fördern des Energetisierungsfluids in den Kanal kann immer dann, wenn Pulsationen auftreten, dem Fluid gezielt Energie zugeführt werden, so dass die Pulsation unterdrückt und Beschädigungen der Turbinenschaufeln einer vorgeschalteten Turbine oder des Diffusors verhindert werden.
In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eintrittsöffnung oder die Eintrittsöffnungen kreisrund oder als Langloch ausgeführt werden, so dass die Öffnungen einfach herzustellen sind und nur eine geringe Kerbwirkung haben.
Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass die Eintrittsöffnungen in mindestens einem oder mehreren Bereichen der Wandung, insbesondere in den Bereichen, in denen eine Pulsation der Stoß-Grenzschicht zwischen Fluid und Wandung auftritt, angeordnet sind, so dass die Schwächung der Wandung des Diffusors durch die Eintrittsöffnungen gering bleibt und außerdem durch das Fördern des Energetisierungsfluids in den oder die Bereiche der Wandung, in denen eine Pulsation der Stoß-Grenzschicht auftritt, diese Pulsation gezielt beeinflusst bzw. unterdrückt wird.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kanal einen ringförmigen Querschnitt aufweist, so dass auch Diffusoren mit einer Innenschale und einer konvex gekrümmten Außenschale in allen Betriebspunkten sicher und mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden können. Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung tritt das Fluid in axialer Richtung in den Diffusor ein und/oder weist im Eintrittsquerschnitt einen Drall auf und/oder tritt das Fluid in radialer Richtung aus dem Diffusor aus, so dass der Einbau eines erfindungsgemäßen Diffusors zwischen einer Dampfturbine und einem Kondensator mit verschiedensten Anström- und Abströmbedingungen ohne weiteres möglich ist.
Zur Vereinfachung der Herstellung und zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse ist weiter vorgesehen, dass der Diffusor rotationssymmetrisch ist.
In Ergänzung der Erfindung ist mindestens ein Druckaufnehmer an dem Diffusor vorhanden, der den Druck des Fluids instationär misst, so dass das Auftreten von Pulsationen während des Betriebs kontinuierlich überwacht werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Steuergerät vorhanden, das Amplituden und Frequenzen der vom Druckaufnehmer gemessenen Drücke ermittelt und welches die Förderung des Energetisierungsfluids in den Diffusor auslöst, wenn die Amplituden innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs einen Schwellwert überschreiten. Dadurch ist gewährleistet, dass immer wenn Pulsationen auftreten Energetisierungsfluid in den Diffusor gefördert wird und andererseits die Förderung des Energetisierungsfluids unterbleibt, wenn keine Pulsationen gemessen werden. Dadurch ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Diffusors zu den Betriebszeiten, zu denen keine Pulsationen auftreten, in keiner Weise beeinträchtigt und es findet nur während der vergleichsweise kurzen Betriebsdauern, zu denen eine Pulsation auftritt, eine sehr geringe Verringerung des
Diffusorwirkungsgrads statt . Deshalb ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Diffusors in allen Betriebszuständen genauso gut wie der Wirkungsgrad eines Diffusors nach dem Stand der Technik, solange bei diesem keine Pulsationen auftreten. Wenn Pulsationen bei einem Diffusor nach dem Stand der Technik auftreten, ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Diffusors, bei dem keine Pulsationen auftreten, deutlich besser. Die Betriebssicherheit einer mit einem erfindungsgemäßen Diffusor ausgerüsteten Turbine ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energetisierungsfluid gleiche oder ähnliche Konsistenz wie das Fluid aufweist, so dass, beispielsweise durch Abzweigen eines TeildampfStroms im Mittel- oder Niederdruckteil der vorgeschalteten Dampfturbine kostengünstig und ohne apparativen Aufwand ein Energetisierungsfluid zur Verfügung steht, dessen Parameter (Druck, Temperatur, Massenstrom) genau auf den Einsatzzweck abgestimmt werden können. Beispielsweise kann Dampf aus einer Anzapfleitung einer Dampfturbine als Energetisierungsfluid eingesetzt werden. Bei einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Energetisierungsfluid Pressluft ist, so dass ohne Eingriffe in die Turbine oder einen anderen, dem erfindungsgemäßen Diffusor vorgeschalteten Apparat die Unterdrückung der Pulsationen erfolgen kann.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Turbine mit einem Gehäuse, mit einem Laufrad und mit einem Diffusor, wobei das Gehäuse von einem Fluid durchströmt wird, wobei das Fluid das Laufrad antreibt und wobei der Diffusor, in Strömungsrichtung des Fluids gesehen, hinter dem Laufrad angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor ein Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist. Damit werden sämtliche oben genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Diffusors auch bei einer erfindungsgemäßen Turbine genutzt.
Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass die Turbine eine Dampfturbine, eine Gasturbine oder eine Francisturbine ist, so dass unabhängig von den verschiedenen Fluiden, mit denen die Turbinen betrieben werden, eine Pulsation im Diffusor der Dampf- oder Gas-Turbine bzw. im Saugrohr der Francisturbine unterbleibt .
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verhinderung von Stoß- Grenzschicht-Pulsationen in einem Diffusor, bei welchem der Druck des Fluids in dem Diffusor instationär gemessen wird,
- die Amplituden und Frequenzen der gemessenen Drücke ausgewertet werden und
- Energetisierungsfluid in den Diffusor gefördert wird, wenn die Amplituden innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs einen Schwellwert überschreiten.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, dass immer wenn ein Betriebspunkt angefahren wird in dem Pulsationen auftreten, diese gemessen, erkannt und durch Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor unterdrückt werden. Damit können u. a. auch bereits bestehende Diffusoren, bei denen Pulsationen auftreten, überwacht und durch Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor die Pulsationen unterbunden werden.
Das bedeuetet, dass alle älteren Kraftwerke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nachgerüstet werden können, so dass in sämtlichen Kraftwerken ein nach dem heutigen Stand der Technik optimierter Diffusor ohne Gefahr, den Oszillationen ausgesetzt zu werden, eingebaut werden kann. Neuere und zur Zeit im Bau befindliche Kraftwerkskomplexe können natürlich auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgerüstet werden. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Niederdruck- Dampfturbine; Fig. 2: einen Teilschnitt durch ein Laufrad einer
Dampfturbine und einen daran anschließenden
Diffusor; Fig. 3: eine teilweise freigeschnittene perspektivische
Darstellung eines Laufrads einer Dampfturbine und eines Diffusors; Fig. 4: die Amplitude der Pulsation über den Umfang des
Diffusoraustritts ; Fig. 5: gemessene Pulsationsamplituden eines Diffusors nach dem Stand der Technik aufgetragen über der Frequenz ; Fig. 6: gemessene Pulsationsamplituden eines erfindungsgemäßen Diffusors aufgetragen über der
Frequenz ; Fig. 7: gemessene Pulsationsamplituden aufgetragen über der
Frequenz eines zweiten Betriebspunkts eines
Diffusors nach dem Stand der Technik; und WO 00/49297 PCTtEPOO/01300
11
Fig. 8: gemessene Pulsationsamplituden aufgetragen über der Frequenz eines erfindungsgemäßen Diffusors im zweiten Betriebspunkt .
In Fig. 1 ist eine Niederdruck (ND) -Dampfturbine 1 mit einer waagerecht verlaufenden Welle 3 im Längsschnitt dargestellt. Über eine Zuströmleitung 5 wird der durch einen Pfeil 7 angedeutete nachfolgend als Fluid bezeichnete Dampf in die ND- Dampftuine geleitet. In der Turbine ist ein Leitapparat 9 vorhanden, welcher das Fluid auf ein Laufrad 11 leitet. Nachdem das Fluid entlang der Pfeile 12 durch mehrere Leitschaufelreihen 9 und das Laufrad 11 mit mehreren Laufschaufelreihen geströmt ist und dabei Arbeit an die Welle 3 abgegeben hat, erreicht es Diffusoren 13. Die Diffusoren 13 weisen je eine konvex gekrümmte Außenschale 15 und eine konkav gekrümmte Innenschale 16 auf. Das Fluid tritt durch einen Diffusoreintritt 17 in den Diffusor 13 ein und tritt durch einen Diffusoraustritt 18 aus diesem aus. An die Diffusoren 13 schließen sich ein Abdampfgehäuse 19 und ein nur angedeuteter Kondensator 21 an. In sämtlichen Figuren werden gleiche Bauteile oder Bezeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 2 ist ein Laufrad 11 mit einem Diffusor 13 im Teilschnitt dargestellt. Das Laufrad 11, von dem im Wesentlichen nur eine Laufschaufei dargestellt ist, dreht sich um die Längsachse 27, wenn es angeströmt wird. Die Außenschale 15 und die Innenschale 16 bilden einen Kanal 30 durch den das Fluid strömt .
Der Hauptmassenstrom 31 des Fluids gelangt durch das Laufrad 11 in den Diffusor 13. Durch den Spalt 33 zwischen dem Laufrad 11 und der Außenschale 15 des Diffusors 13 gelangt ein Spaltmassenstrom 35 in den Diffusor. Die
Strömungsgeschwindigkeit im Spalt 33 ist höher als die des Hauptmassenstroms 31, weil der Spaltmassenstrom 35 nicht durch das Laufrad 11 abgebremst wird. Nach der letzten Laufschaufelreihe der Welle 3 erfolgt eine zusätzliche Beschleunigung des Spaltmassenstroms 35, die sich in vergleichbarer Form auch in einer Lavaldüse abspielt .
Die Abströmung des Fluids aus der durch das Laufrad 11 angedeuteten Turbine in den Diffusor 13 wird in hohem Maße durch die Interaktion des Hauptmassenstroms 31 und des Spaltmassenstroms 35 beeinflusst. Für die axiradiale Umlenkung des Fluids im Diffusor 13 ist die energetisierende Wirkung, die vom Spaltmassenstrom 35 auf die Strömungsgrenzschicht auf der Außenschale des Diffusors ausgeübt wird, besonders wichtig. Die Energetisierung der Grenzschicht durch den Spaltmassenstrom 35 ist als Ursache für die Verschiebung des Ablösegebiets an der Außenschale 15 in Richtung des Diffusoraustritts 18 und die somit induzierte Reduktion der Versperrungswirkung, die aufgrund der Grenzschichtablösung entsteht, anzusehen. Am Diffusoraustritt 18 ist die Versperrungswirkung am größten.
In Fig. 2 sind die bei der axiradialen Umlenkung entstehenden Strömungszustände im Verlauf des Diffusors 13 in einer zweidimensionalen Darstellung schematisch dargestellt. Der Spaltmassenstrom 35 gelangt in dem in Fig. 2 dargestellten Betriebszustand mit Überschallgeschwindigkeit (Ma > 1) in den Diffusor 13, während der Hauptmassenstrom 31 mit Unterschallgeschwindigkeit (Ma < 1) in den Diffusor 13 gelangt . Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen ist durch eine Schalllinie 39 dargestellt. Durch eine Linie 41 ist der Ort des Verdichtungsstoßes dargestellt . Des Weiteren ist an der Außenschale 15 ein Ablösegebiet 43 dargestellt, innerhalb dessen sich die Strömung des Fluids von der Außenschale 15 abgelöst hat .
Nachteilig wirkt sich die Spaltenergetisierung auf die Diffusordurchströmung bei höheren Lastfällen aus, da sie an der Wandkontur bei bestimmten Verhältnissen der statischen Drücke im Diffusoreintritt und -austritt eine Stoß- Grenzschicht-Pulsation, auch Diffusorbrummen genannt, hervorruft. Diese Pulsation kann sukzessiv die Diffusorströmung großflächig nachteilig beeinflussen und unerwünschte Schaufelschwingungen im Laufrad 11 verursachen. Das Strömungsphänomen der Stoß-Grenzschicht-Pulsation ist in vielen aerodynamischen Bereichen aufgrund seiner schädlichen Wirkung auf die angrenzenden Strömungsfelder mit der Abhängigkeit der Strömungszustände von der Frequenz sowie der Amplitude der Pulsation ein wichtiges Forschungsthema.
Das Ausmaß der durch die Pulsation hervorgerufenen Wirkungsgrad-Verluste und die schädliche Wirkung der Pulsation auf die Laufschaufeln der ND-Dampfturbine 1 und den Diffusor 13 kann erfindungsgemäß durch eine oder mehrerexx Öffnungen 45 im Diffusor 13 unterbunden werden. Über Versorungsleitungen 46 kann ein in Fig. 2 nicht dargestelltes Energetisierungsfluid durch die Öffnungen 45 in den Diffusor gefördert werden. Durch geeignete Wahl des Orts, der Form und des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen 45 sowie des Drucks, mit dem das Energetisierungsfluid in den Diffusor 13 gefördert wird, konnten bei jedem der bislang untersuchten Diffusoren und Betriebszustände eventuell auftretende Pulsationen vollständig unterbunden werden. Die Pulsationen können mittels eines instationär messenden Druckaufnehmers 47 erfasst werden.
Aufgrund der komplexen dreidimensionalen Strömungsverhältnisse in einem Diffusor ist es nicht möglich, allgemein den oder die Orte anzugeben, an denen Öffnungen 45 anzubringen sind. Allerdings hat es sich als erfolgversprechend herausgestellt, in dem oder den Ablösegebieten 43 eine oder mehrere Öffnungen 45 anzubringen. Der hydraulische Durchmesser der Öffnungen 45 sowie der Druck, unter dem das Energetisierungsfluid in den Diffusor 13 gefördert wird, sind individuell zu ermitteln und einzustellen. Außerdem können die Richtung und die Geschwindigkeit mit der das energetisierende Fluid zugeführt wird, eine zusätzliche Wirkungsgraderhöhung bewirken.
In Fig. 3 ist die Aufteilung des Gesamtmassenstroms 31 + 35 nach dem Durchströmen einer Turbine und des Diffusors 13 im Teilschnitt perspektivisch dargestellt. Wenn man sich diese Anordnung in das Abdampfgehäuse 19 aus Fig. 1 eingebaut vorstellt, wird deutlich, dass der Gesamtmassenstrom, wie in Fig. 3 dargestellt, nach dem Austritt aus dem Diffusor nach unten abströmt. Für den Teil des Gesamtmassenstroms, der oben bei der Bezeichnung 0° aus dem Diffusor 13 tritt, bedeutet dies, dass er sich in einen rechten und einen linken Teil 48 und 49 aufspaltet. Die seitlich an den Bezeichnungen 90° bzw. 270° austretenden Gesamtmassenströme werden, wie in Fig. 3 dargstellt, nach unten abgelenkt. Aufgrund der über den Umfang des Diffusoraustritts unterschiedlichen Abströmbedingungen, sind auch die eventuell auftretende Pulsationen über den Umfang des Diffusoraustritts nicht gleich.
In Fig. 4 ist die Höhe der Pulsationsamplituden 51 über den Umfang 53 aufgetragen. Diese Gradeinteilung entspricht der Gradeinteilung in Fig. 3. Fig. 4 sind die Ergebnisse der Amplituden, die mittels instationärmessender Druckaufnehmer DA1 und DA2 für einen konstanten Strömungszustand gemessen wurden, dargestellt. Der aufgezeichnete unterschiedliche Kurvenverlauf von DA1 und DA2 rührt daher, dass an verschiedenen Positionen gemeßen wurde. Aus Fig. 4 ergibt sich, dass die mit einem ersten Druckaufnehmer DA1 gemessenen Pulsationsamplituden im Bereich zwischen 150° und 210° die am größten sind. Die mit einem zweiten Druckaufnehmer DA2 aufgenommenen, gestrichtelt dargestellten Messwerte, sind insgesamt etwas niedriger, weisen aber auch ein ausgeprägtes Maximum im Bereich zwischen 190° und 215° auf.
Aus Fig. 4 geht hervor, dass die Pulsationen bei der in Fig. 3 dargestellten Abströmung des Gesamtmassenstroms über den Umfang unterschiedlich sind. Es empfiehlt sich nun, Eintrittsöffnungen 45 und/oder Druckaufnehmer in den Bereich der großen Amplituden zu legen, so dass einerseits die Pulsationen leicht und eindeutig erkennbar werden und andererseits durch das Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor eine möglichst wirksame Unterdrückung der Pulsationen erreicht wird.
Diese Vorgänge lassen sich vollständig automatisieren, so dass vom Erkennen des Auftretens einer Pulsation bis zum Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor der erfindungsgemäße Diffusor automatisch betrieben werden kann. Als weiterer Vorteil ergibt sich bei dieser Betriebsweise, dass Energetisierungsfluid nur in den Diffusor gefördert wird, wenn Pulsationen auftreten. Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, bzw. der Vorteil eines erfindungsgemäßen Diffusors gegenüber einem Diffusor nach dem Stand der Technik wird anhand der Fig. 5 bis 8 veranschaulicht. In den Fig. 5 bis 8 sind jeweils die von einem Druckaufnehmer 47 im Diffusor 13 gemessenen Pulsationsamplitude 51 über der Frequenz 55 dargestellt. In der Fig. 5 ist ein Betriebszustand eines Diffusors nach dem Stand der Technik dargestellt, bei dem eine Pulsation mit einer Amplitude von 9,9 mbar bei 382 Hz auftritt. Durch das erfindungsgemäßen Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor konnte bei sonst gleichen Betriebszuständen die Amplitude auf 2,4 mbar bei 440 Hz gesenkt und damit vollständig unterdrückt werden. Der Wirkungsgrad des Diffusors hat sich gegenüber seinem Wirkungsgrad im Nennpunkt nur in sehr geringem Umfang verringert .
In Fig. 7 ist ein anderer Betriebszustand der Turbine bzw. des Diffusors dargestellt, bei dem ohne Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor eine Amplitude von 15,8 mbar bei 417 Hz gemessen wurde.
In Fig. 8 ist der gemessene Druckverlauf beim gleichen Betriebszustand der Turbine und des Diffusors mit Fördern von Energetisierungsfluid in den Diffusor dargestellt. In diesem Fall hat sich die Amplitude auf 4,1 mbar bei 425 Hz verringert, was auch als vollständige Unterdrückung der Pulsation anzusehen ist. Die Unterdrückung der Pulsation kann durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Diffusors bzw. durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vollständig unterdrückt werden. Dabei ist es unerheblich, ob das Fluid Dampf, Rauchgas, Luft oder beispielsweise Wasser ist.
Auch in den Saugrohren von Wasserturbinen, insbesondere von Francisturbinen, können ähnliche Effekte auftreten, die mit den oben beschriebenen Mitteln behoben werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für kompressible und inkompressible Fluide aller Art einsetzbar.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Patentansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Diffusor zur Verzögerung eines Fluids, mit mindestens einer einen Kanal (30) bildenden Wandung (15) , mit einem Eintrittsquerschnitt (17) und einem Austrittsquerschnitt
(18) , wobei der Strömungsquerschnitt des Kanals (30) am Austrittsquerschnitt (18) größer als am Eintrittsquerschnitt (17) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (15) mindestens eine Öffnung (45) aufweist, und dass durch die Öffnung (45) ein Energetisierungsfluid in den Kanal (30) förderbar ist.
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (45) oder die Eintrittsöffnungen
(45) kreisrund oder als Langloch ausgeführt sind.
3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (45) in mindestens einem oder mehreren Bereichen der Wandung (15, 16) angeordnet sind.
4. Diffusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (45) an dem oder den Bereichen der Wandung (15, 16) angeordnet sind, in denen eine Pulsation der Stoß-Grenzschicht zwischen Fluid und Wandung (15, 16) auftritt .
5. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (30) einen ringförmigen Querschnitt aufweist.
6. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in axialer Richtung in den Diffusor (13) eintritt.
7. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Eintrittsquerschnitt
(17) einen Drall aufweist.
8. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in radialer Richtung aus dem Diffusor (13) austritt.
9. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) rotationssymmetrisch ist.
10. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Druckaufnehmer (47) an dem Diffusor (13) vorhanden ist, und dass der Druckaufnehmer (47) den Druck des Fluids instationär misst .
11. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorhanden ist, dass das Steuergerät Amplituden (51) und Frequenzen (55) der vom Druckaufnehmer (47) gemessenen Drücke ermittelt, und dass das Steuergerät die Förderung des Energetisiserungsfluids in den Diffusor (13) auslöst, wenn die Amplituden (51) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs einen Schwellwert überschreiten.
12. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energetisiserungsfluid eine gleiche oder ähnliche Konsistenz wie das Fluid aufweist.
13. Turbine, mit einem Gehäuse, mit einem Laufrad (11) und mit Diffusor (13) , wobei das Gehäuse von einem Fluid durchströmt wird, wobei das Fluid das Laufrad (11) antreibt, und wobei der Diffusor (13), in Strömungsrichtung des Fluids gesehen, hinter dem Laufrad (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Diffusor (13) ein Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
14. Turbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine ND-Dampfturbine ist.
15. Turbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Gasturbine ist.
16. Turbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Wasserturbine, insbesondere eine Francis-Turbine, ist.
17. Verfahren zur Verhinderung von Stoß-Grenzschicht- Pulsationen in einem Diffusor (13) , gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :
- Instationäres Messen des Druckes des Fluids in dem Diffusor (13) ,
- Auswerten der Amplituden (51) und Frequenzen (55) der gemessenen Drücke,
- Fördern von Energetisiserungsfluids in den Diffusor (13) , wenn die Amplituden (51) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs einen Schwellwert überschreiten.
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