EP1153219B1 - 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 Download PDF

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EP1153219B1
EP1153219B1 EP00907578A EP00907578A EP1153219B1 EP 1153219 B1 EP1153219 B1 EP 1153219B1 EP 00907578 A EP00907578 A EP 00907578A EP 00907578 A EP00907578 A EP 00907578A EP 1153219 B1 EP1153219 B1 EP 1153219B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffuser
fluid
turbine
section
wall
Prior art date
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Application number
EP00907578A
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English (en)
French (fr)
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EP1153219A1 (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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    • 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 delaying a Fluids with at least one wall forming a channel an inlet cross-section and an outlet cross-section, the flow cross-section of the channel at Outlet cross-section is larger than the inlet cross-section.
  • Francis turbines produced by a Liquid flow through, a suction pipe connected to the above conversion from speed to To achieve pressure energy and thus the performance of the turbine to increase. Even with gas turbines and others with high Apparatus striving for velocity, by mounting a diffuser at least part of the Recover flow energy of the fluid.
  • a fundamental problem with diffusers of all kinds is that due to the delayed flow separation effects between Flow and the wall of the diffuser can occur.
  • This Detachment effects in any case reduce the free one Cross section of the diffuser and thus increase its effect at least partially.
  • These vibrations are high Dimensions undesirable as they have an additional mechanical Represent the load on the components affected by them and thus operational reliability and service life of these components can significantly reduce.
  • baffles By installing baffles in the channel of the diffuser, For example, an attempt was made to separate the flow from to prevent the convex curved wall of the diffuser. A reduction in the pulsation can thus be achieved. However, the efficiency of the diffuser deteriorates through the built-in baffles throughout Operating time worth mentioning.
  • this object is achieved by a diffuser according to the characterizing part of claim 1.
  • Pumping the energizing fluid into the channel can always when pulsations occur, the fluid targeted energy are supplied so that the pulsation is suppressed and Damage to the turbine blades of an upstream one Turbine or the diffuser can be prevented.
  • the appearance Pulsations can be caused by the transient measurement of the pressure of the fluid and the comparison of the amplitudes of the Pressure fluctuations within a predetermined Frequency range continuously monitored during operation become. If the openings in the areas of the wall in which a pulsation of the shock boundary layer between fluid and Are arranged, the weakening remains Wall of the diffuser through the openings low. Moreover can by pumping the energizing fluid into it Target the pulsation of the shock boundary layer are influenced or suppressed.
  • the control unit determines the amplitudes and frequencies of the Pressure transducers measured and triggers the promotion of the Energizing fluids in the diffuser when the Amplitudes within a predetermined frequency range Exceed threshold. This ensures that whenever pulsations occur energizing fluid in the Is promoted diffuser and on the other hand the promotion of the Energizing fluid is absent when there are no pulsations be measured. This makes the efficiency of the Diffuser according to the invention at the times when no pulsations occur, in no way impaired and it only takes place during the comparatively short Operating times at which a pulsation occurs are very there is little reduction in diffuser efficiency.
  • the opening or the openings are circular or elongated so that the openings are easy to manufacture and have a low notch effect.
  • the Channel has an annular cross section, so that too Diffusers with an inner shell and a convex curved Outer shell in all operating points safely and with good Efficiency can be operated.
  • the fluid enters axial direction in the diffuser and / or points in Entry cross-section a swirl and / or the fluid occurs in the radial direction from the diffuser, so that the installation of a diffuser according to the invention between a steam turbine and a condenser with different inflow and Outflow conditions is easily possible.
  • the diffuser is rotationally symmetrical.
  • Energizing fluid same or similar consistency as that Has fluid, so that, for example, by branching off a Partial steam flow in the medium or low pressure part of the upstream steam turbine inexpensively and without equipment energizing fluid available stands, whose parameters (pressure, temperature, mass flow) exactly can be tailored to the application.
  • energizing fluid can be used.
  • the Energizing fluid is compressed air, so that without any intervention in the turbine or another, the diffuser according to the invention upstream apparatus the suppression of pulsations can be done.
  • a Turbine with a housing, with an impeller and with one Diffuser, with a fluid flowing through the housing, where the fluid drives the impeller and where the diffuser, seen in the direction of flow of the fluid, behind the impeller is arranged, characterized in that the diffuser Diffuser according to one of the preceding claims.
  • Diffuser also used in a turbine according to the invention.
  • the turbine a steam turbine, a gas turbine or a Francis turbine is, so regardless of the different fluids, with where the turbines are operated, a pulsation in Diffuser of the steam or gas turbine or in the intake manifold Francis turbine is omitted.
  • This method according to the invention makes it possible for whenever an operating point is approached in the Pulsations occur, these are measured, recognized and by Pumping energizing fluid in the diffuser suppressed become. So u. a. also existing diffusers, where pulsations occur, monitored and promoted of energizing fluid in the diffuser the pulsations be prevented.
  • Fig. 1 is a low pressure (LP) steam turbine 1 with a horizontally extending shaft 3 shown in longitudinal section. Via an inflow line 5, the arrow 7 indicated in the following referred to as fluid steam in the LP steam trough directed.
  • a nozzle 9 is located in the turbine available, which directs the fluid to an impeller 11. After the fluid along arrows 12 through several Guide vane rows 9 and the impeller 11 with several Row of blades has flowed while doing work on the shaft 3, it reaches diffusers 13.
  • Diffusers 13 each have a convexly curved outer shell 15 and a concave curved inner shell 16. The fluid passes through one Diffuser inlet 17 enters the diffuser 13 and passes through a diffuser outlet 18 from this. To the diffusers 13 close an evaporator housing 19 and only a hinted Capacitor 21 on. All figures are the same Components or designations with the same reference symbols Mistake.
  • Fig. 2 is an impeller 11 with a diffuser 13 in Partial section shown.
  • the outer shell 15 and the inner shell 16 form a channel 30 through which Fluid flows.
  • the main mass flow 31 of the fluid passes through the impeller 11 into the diffuser 13. Through the gap 33 between the impeller 11 and the outer shell 15 of the diffuser 13 arrives Gap mass flow 35 in the diffuser.
  • the Flow velocity in the gap 33 is higher than that of the Main mass flow 31, because the gap mass flow 35 does not pass through the impeller 11 is braked. After the last one There is an additional row of blades on shaft 3 Acceleration of the gap mass flow 35, which is in comparable form also plays in a Laval nozzle.
  • the outflow of the fluid from through the impeller 11 indicated turbine in the diffuser 13 will to a large extent through the interaction of the main mass flow 31 and the Gap mass flow 35 influenced.
  • the energizing effect that from the gap mass flow 35 onto the flow boundary layer the outer shell of the diffuser is exercised, especially important.
  • the energization of the boundary layer by the Gap mass flow 35 is the cause of the shift of Detachment area on the outer shell 15 in the direction of Diffuser outlet 18 and the thus induced reduction in Blocking effect due to the separation of the boundary layer arises to look at.
  • the Blocking effect is greatest.
  • Fig. 2 are the result of the axi-radial deflection Flow conditions in the course of the diffuser 13 in one two-dimensional representation shown schematically.
  • the Gap mass flow 35 arrives in that shown in FIG. 2 Operating state with supersonic speed (Ma> 1) in the Diffuser 13, with the main mass flow 31 Subsonic speed (Ma ⁇ 1) into the diffuser 13 arrives.
  • the boundary between these two areas is through a sound line 39 is shown.
  • a line 41 is the Location of the shock wave is shown.
  • a detachment area 43 shown within the flow of the fluid from the outer shell 15 has replaced.
  • the extent of the pulsation Efficiency losses and the harmful effects of pulsation on the blades of the LP steam turbine 1 and the diffuser 13 can according to the invention through one or more openings 45 can be prevented in the diffuser 13.
  • Via supply lines 46 can be an energizing fluid, not shown in FIG are conveyed through the openings 45 into the diffuser.
  • the pulsations can be controlled by means of a transient measuring pressure transducer 47 are detected.
  • Fig. 4 are the results of Amplitudes by means of transient pressure transducers DA1 and DA2 measured for a constant flow state were shown. The recorded different The curve shape of DA1 and DA2 is due to the fact that different positions was measured. From Fig. 4 results that the measured with a first pressure transducer DA1 Pulsation amplitudes in the range between 150 ° and 210 ° the most biggest are. The one with a second pressure transducer DA2 measured values shown in dashed lines overall somewhat lower, but also show a pronounced Maximum in the range between 190 ° and 215 °.
  • FIG. 4 shows that the pulsations in the case of FIG. 3 shown outflow of the total mass flow over the Scope are different.
  • openings 45 and / or pressure transducers in the area of large To lay amplitudes so that on the one hand the pulsations easily and become clearly recognizable and on the other hand through the Pumping energizing fluid into the diffuser suppression of the pulsations achieved as effectively as possible becomes.
  • FIG. 7 is another operating state of the turbine or Diffuser shown in which without conveying Energizing fluid in the diffuser has an amplitude of 15.8 mbar was measured at 417 Hz.
  • Fig. 8 the measured pressure curve is the same Operating state of the turbine and the diffuser with conveying Energizing fluid shown in the diffuser. In this Fall has dropped to 4.1 mbar at 425 Hz decreased, which is also called complete suppression of the Pulsation can be seen.
  • the suppression of the pulsation can be done by using a diffuser according to the invention or by using the method are completely suppressed. It is irrelevant whether the fluid is steam, flue gas, air or is, for example, water.
  • the inventive method is for compressible and all kinds of incompressible fluids can be used.

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Description

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
  • 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 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.
Aus der US 5,603,605 ist ein Diffusor für Gas-Turbinen bekannt, bei dem die Diffusorströmung aufgeteilt und durch axial zueinander versetzte Diffusorringe in die Grenzschicht geführt wird. Durch diese Maßnahme soll der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert werden. Da die Diffusorringe fest eingebaut sind, sind sie in allen Betriebzuständen wirksam. Sie sind somit nicht geeignet um eventuell entstehende Stoß-Grenzschicht-Pulsationen zu verhindern.
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 gemäß dem kennzeichenden Teil des Anspruchs 1. 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. Das Auftreten von Pulsationen kann durch die instationäre Messung des Drucks des Fluids und den Vergleich der Amplituden der Druckschwankungen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs während des Betriebs kontinuierlich überwacht werden. Wenn die Öffnungen in den Bereichen der Wandung in denen eine Pulsation der Stoß-Grenzschicht zwischen Fluid und Wandung auftritt angeordnet sind, bleibt die Schwächung der Wandung des Diffusors durch die Öffnungen gering. Außerdem kann durch das Fördern des Energetisierungsfluids in diese Bereiche die Pulsation der Stoß-Grenzschicht gezielt beeinflusst bzw. unterdrückt werden.
Das Steuergerät ermittelt Amplituden und Frequenzen der vom Druckaufnehmer gemessenen Drücke und löst die Förderung des Energetisierungsfluids in den Diffusor aus, 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 Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Öffnung oder die Öffnungen kreisrund oder als Langloch ausgeführt werden, so dass die Öffnungen einfach herzustellen sind und nur eine geringe Kerbwirkung haben.
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 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 in einen Bereich der Wandung (15, 16) in dem eine Ablösung des Fluids von der Wandung (15, 16) auftreten kann, gefördert wird, wenn die Amplituden (51) 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
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 Laufschaufel 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, gestrichelt 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, Öffnungen 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 (14)

  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, dass die mindestens eine öffnung (45) an einem Bereich der Wandung (15, 16) angeordnet ist, in dem eine Ablösung des Fluids von der Wandung (15, 16) auftreten kann, dass durch die Öffnung (45) ein Energetisierungsfluid in den Kanal (30) förderbar ist, dass mindestens ein Druckaufnehmer (47) an dem Diffusor (13) vorhanden ist, dass der Druckaufnehmer (47) den Druck des Fluids instationär misst, 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.
  2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (45) oder die Öffnungen (45) kreisrund oder als Langloch ausgeführt sind.
  3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (45) in mehreren Bereichen der Wandung (15, 16) angeordnet sind.
  4. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (30) einen ringförmigen Querschnitt aufweist.
  5. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in axialer Richtung in den Diffusor (13) eintritt.
  6. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Eintrittsquerschnitt (17) einen Drall aufweist.
  7. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in radialer Richtung aus dem Diffusor (13) austritt.
  8. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) rotationssymmetrisch ist.
  9. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energetisiserungsfluid eine gleiche oder ähnliche Konsistenz wie das Fluid aufweist.
  10. 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.
  11. Turbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine ND-Dampfturbine ist.
  12. Turbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Gasturbine ist.
  13. Turbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Wasserturbine, insbesondere eine Francis-Turbine, ist.
  14. Verfahren zur Verhinderung von Stoß-Grenzschicht-Pulsationen in einem Diffusor (13), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    Bereitstellen eines Diffusors (13) mit mindestens einer einen kanal (30) bildenden Wandung (15),
    Instationäres Messen des Druckes des Fluids in dem Diffusor (13),
    Auswerten der Amplituden (51) und Frequenzen (55) der gemessenen Drücke,
    Fördern von Energetisierungsfluid in einen Bereich der Wandung (15, 16) in dem eine Ablösung des Fluids von der Wandung (15, 16) auftreten kann, wenn die Amplituden (51) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs einen Schwellwert überschreiten.
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