EP1559874B1

EP1559874B1 - Diffusor und Turbine

Info

Publication number: EP1559874B1
Application number: EP20040002250
Authority: EP
Inventors: Heinrich Dr. Stüer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: EP1559874A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor mit einem Gehäuse, das sich in axialer Richtung entlang einer Strömung erstreckt, und das zur Aufweitung der Strömung einen sich in axialer Strömungsrichtung aufweitenden Strömungskanal umfänglich begrenzt. Die Erfindung betrifft auch eine Turbine.
Eine Turbine sieht zum Antrieb eines mit einer Beschaufelung versehenen Turbinenrotors ein unter hoher Temperatur und Druck stehendes Arbeitsmedium vor, das die Beschaufelung anströmt und darüber seine kinetische Energie an den Turbinenrotor abgibt, wobei sich das Arbeitsmedium entspannt. Im Falle einer Dampfturbine wird Dampf als Arbeitsmedium verwendet, der folgenden Kreislauf durchläuft. Hinter dem Ausgang der Turbine und vor der Einleitung des Arbeitsmediums in den Kondensator wird das entspannte Arbeitsmedium einem Diffusor zugeführt, um die für einen Kondensator notwendigen Druck- und Temperaturverhältnisse im Arbeitsmedium einzustellen. Anschließend wird das Kondensat einem Dampferzeuger zugeführt, welcher den Dampf in einem Überhitzer auf Drücke im Bereich von 300 bar und Temperaturen im Bereich von 600 °C bringt, um das Arbeitsmedium anschließend in dieser Form wiederum der Dampfturbine zuzuführen.
In der US 5,431,018 wird ein Nachbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer beschrieben. Dabei ist eine in einer Brennkammerwand angeordnete Brennstoffzuführung von einem ringförmigen Luftkanal umschlossen. Dieser Luftkanal ist mit einem Helmholtz-Resonator strömungstechnisch verbunden. Dieser Helmholtz-Resonator besteht im Wesentlichen aus einem Zuführrohr, einem Resonanzvolumen und einem Dämpfungsrohr. Der Helmholtz-Resonator wird hierbei eingesetzt, um thermoakustisch angefachte Schwingungen zu dämpfen.
Im Arbeitsmedium einer Turbine können aufgrund seiner fluiden und gleichzeitig turbulenten Eigenschaften Anregungsfrequenzen im akustischen Bereich entstehen, welche auf die Turbine und ihre Bestandteile, insbesondere einen Diffusor, übertragen werden. Dies kann zu selbsterregten Schwingungsinstabilitäten bei einer Turbine und insbesondere einem Diffusor führen. Solche selbsterregten Schwingungsinstabilitäten hängen von einer Vielzahl von Parametern ab, welche insbesondere die Anregungsfrequenz und -amplitude im Arbeitsmedium sowie die Betriebsparameter des Arbeitsmediums betreffen. Weiter ist das Übertragungsverhalten aller Komponenten in der Turbine als Rückkopplungskreis von Bedeutung.
Probleme können vor allem durch selbsterregte Schwingungsinstabilitäten bei einem Diffusor einer Turbine entstehen. Insbesondere bei Niederdruckturbinen mit hohen Geschwindigkeiten im Diffusor kann es zum so genannten Diffusorbrummen kommen.
Wünschenswert wäre ein Diffusor, bei dem eine selbsterregte Schwingungsinstabilität weitestgehend vermieden ist.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, einen Diffusor und eine Turbine anzugeben, bei dem die Gefahr einer selbsterregten Schwingungsinstabilität möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem eingangs genannten Diffusor gelöst, bei dem erfindungsgemäß am Gehäuse ein Helmholtz-Resonator angebracht ist, dessen Dämpfungsfrequenz auf eine Eigenfrequenz des Diffusors abgestimmt ist, wobei der Helmholtz-Resonator in Form einer Helmholtz-Flasche ausgebildet ist und das Gehäuse mehrere, also eine Anzahl von Helmholtz-Flaschen der genannten Art, insbesondere mehr als zwei, aufweist, wobei der Helmholtz-Resonator in Form eines ringförmigen Helmholtz-Rohres ausgeführt ist, wobei sich das Helmholtz-Rohr entlang einem Umfang des Gehäuses erstreckt, wobei der Helmholtz-Resonator in Form einer schlitzförmigen Helmholtz-Öffnung angebracht ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Diffusor, insbesondere wenn er mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten betrieben wird, eine oben genannte selbsterregte Schwingungsinstabilität in Form des so genannten Diffusorbrummens aufweisen kann. Dabei hat sich gezeigt, dass die Frequenz des Diffusorbrummens typischerweise im akustischen Bereich liegt. Üblicherweise weist eine solche Frequenz ein Spektrum auf, dass das üblicherweise frequenzabhängige Druckübertragungsverhalten des durchströmten Diffusors widerspiegelt. Es hat sich nun gezeigt, dass im Falle eines Diffusors ein Frequenzspektrum auftritt, das, wenn auch mit gewissen Abstrichen, überraschenderweise eine hauptverantwortliche Frequenz zeigt, die außerdem überraschenderweise relativ konstant ist. D. h. überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass ein Diffusorbrummen weitestgehend unabhängig von der strömungstechnischen Beaufschlagung des Diffusors mit Arbeitsmedium relativ konstant ist. Die Erfindung geht also von der Überlegung aus, dass ein Diffusorbrummen hauptsächlich durch Parameter, die den Diffusor als solchen betreffen, bestimmt ist.
Demzufolge wurde erkannt, dass es im vorliegenden Fall eines Diffusors zur Dissipation der das Diffusorbrummen bestimmenden Schwingungsenergie und somit zur endlichen Begrenzung der im selbsterregten Resonanzfall auftretenden Druckamplituden erfindungsgemäß am Gehäuse des Diffusors ein Helmholtz-Resonator angebracht ist, dessen Dämpfungsfrequenz auf eine Eigenfrequenz des Diffusors abgestimmt ist.
Dies hat den Vorteil, dass die überraschenderweise hauptverantwortliche und dabei von den Rahmenbedingungen im Betriebsfall eines Diffusors relativ unabhängige Eigenfrequenz des Diffusors im akustischen Bereich mit einer relativ effektiven und nicht zu aufwändigen Maßnahme wirksam unterdrückt werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, einen Diffusor obiger Art hinsichtlich seines Dämpfungsverhaltens und seines Dämpfungsmechanismus vorteilhaft auszugestalten. Ein Diffusor der oben genannten Art ist prinzipiell für jede Art einer Turbine, insbesondere für jede Art einer Dampfturbine geeignet. Ein Fachmann unterscheidet dabei zwischen einer Hochdruck-, einer Mitteldruck- und einer Niederdruck-Dampfturbine, die sich vor allem hinsichtlich der Temperatur- und Druckeigenschaften des Arbeitsmediums unterscheiden. Darüber hinaus ist dem Fachmann eine so genannte E-Teilturbine bekannt, die eine Kombination einer Mitteldruck- und einer Niederdruckturbine darstellt, d. h. die Beschaufelung dieser Turbine ist in einem ersten Teil des Rotors auf ein Strömungsmedium bei mittlerem Druck und in einem zweiten Teil des Rotors auf ein Strömungsmedium bei niedrigem Druck ausgelegt. Weiter kennt der Fachmann eine so genannte K-Teilturbine, deren Beschaufelung in einem ersten Teil des Rotors auf ein Strömungsmedium bei hohem Druck und in einem zweiten Teil auf ein Strömungsmedium bei mittlerem Druck ausgelegt ist. Die oben angesprochene Brummfrequenz kann sich, je nach Art einer solchen Dampfturbine, für einen Diffusor obiger Art insbesondere in ihrer Amplitude unterscheiden, da zwangsläufigerweise ein solcher Diffusor mit Arbeitsmedium bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten beaufschlagt wird. Im Wesentlichen ist die Eigenfrequenz von der Bauart des Diffusors abhängig. Es hat sich gezeigt, dass das oben genannte Diffusorbrummen insbesondere bei einem Diffusor für eine Niederdruck-Dampfturbine auftritt. Ein Diffusor wird vor allem bei Niederdruckturbinen mit besonders hohen Geschwindigkeiten beaufschlagt. Eine Niederdruckturbine wird üblicherweise mit Dampf, der beim Eintritt in die Niederdruckturbine einen Druck bei etwa 8 bar und eine Temperatur bei etwa 250 °C aufweist, und beim Austritt im Wesentlichen als gesättigter Dampf bei einer Temperatur von ca. 30 °C und Drücken im Bereich von 0,05 bis 0,1 bar vorliegt, betrieben. Dies führt dazu, dass das Diffusorbrummen bei dieser Art einer Niederdruck-Dampfturbine besonders ausgeprägt ist. Dies führt dazu, dass weitere Bauteile der Niederdruck-Dampfturbine durch das Diffusorbrummen angeregt werden, was die selbsterregte Schwingungsinstabilität auf wichtige Bauteile der Turbine, z. B. die Beschaufelung, übertragen kann und dann die Betriebssicherheit der Turbine gefährdet. Üblicherweise müsste in solch einem Fall ein neuer Diffusor eingebaut werden, der typischerweise leistungsmindernd ist. Hinzu kommen nachteiliger Weise Kosten für Umbau und Turbinenstillstand. Dagegen eliminiert ein mit dem Helmholtz-Resonator ausgestatteter Diffusor der beschriebenen Art die Eigenfrequenz des Diffusors indem die Dämpfungsfrequenz des Helmholtz-Resonators auf die Eigenfrequenz des Diffusors abgestimmt ist.
Je nach Anforderungen kann ein Helmholtz-Resonator gemäß verschiedenster Ausführungsformen ausgebildet sein.
Das Helmholtz-Rohr kann vollumfänglich das Gehäuse umschließen. Es kann auch vorteilhaft sein, ein Helmholtz-Rohr nur an einem Teil des Gehäuseumfangs anzubringen.
Eine Helmholtz-Öffnung der vorgenannten Art hat die zur Dissipation von Schwingungsenergie führende und damit dämpfende Wirkung eines Helmholtz-Resonators. Ähnlich wie beim Helmholtz-Rohr erweist es sich als besonders zweckmäßig, die schlitzförmige Helmholtz-Öffnung entlang einem Umfang des Gehäuses anzubringen.
Als besonders vorteilhafte Kombination erweist sich eine Kombination des Helmholtz-Rohres mit einer schlitzförmigen Helmholtz-Öffnung.
Zur Auslegung des Helmholtz-Resonators erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass dem Helmholtz-Resonator, insbesondere dem Helmholtz-Resonator gemäß der oben erläuterten drei Ausführungsformen, ein Resonatorraum und ein Resonatorhals zugeordnet ist. Bei der Helmholtz-Flasche entspricht der Resonatorhals dem Flaschenhals und der Resonatorraum dem Flaschenkörper. Bei dem Helmholtz-Rohr entspricht der Resonatorhals letztendlich der Schlitzabmessung des Helmholtz-Rohres und der Resonatorraum dem dahinter befindlichen Rohrvolumen. Bei der oben genannten schlitzförmigen Helmholtz-Öffnung entspricht der Resonatorhals im Wesentlichen der Schlitzabmessung und der Resonatorraum entspricht im Wesentlichen dem hinter dem Schlitz als Dämpfungsvolumen wirksamen Volumen.
Insbesondere betreffend diese Weiterbildung der Erfindung hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass ein Volumen des Resonatorraums und/oder eine Länge und/oder ein Querschnitt des Resonatorhalses zur Abstimmung der Dämpfungsfrequenz einzeln oder in Kombination variabel einstellbar ist. Ein Volumen des Resonatorraums kann auf unterschiedliche Weise dimensioniert werden und darüber hinaus durch angemessene Maßnahmen variabel einstellbar gestaltet werden. Das Gleiche gilt für die Länge des Resonatorhalses und den Querschnitt eines Resonatorhalses. Die Einstellung der Abmessungen des Resonatorraums und des Resonatorhalses, insbesondere für die oben genannten drei Ausführungsformen, kann entweder zu einem Helmholtz-Resonator mit einer festen Dämpfungsfrequenz führen, oder, bei variabler Einstellmöglichkeit, zu einem Helmholtz-Resonator mit einer variabel einstellbaren Dämpfungsfrequenz.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Helmholtz-Resonator am Gehäuseumfang anzubringen, so dass dabei ein Resonatorhals eine Öffnung zum Strömungskanal hin bildet. Vorteilhaft ist die Öffnung an einer Stelle des Gehäuseumfangs angeordnet, die mit einer Position eines akustischen Druckbauches im Diffusor korrespondiert. Auf diese Weise wird nämlich die Dämpfungsfrequenz des Helmholtz-Resonators besonderes effektiv an die Eigenfrequenz des Diffusors gekoppelt, so dass die in der Eigenfrequenz des Diffusors vorhandene Schwingungsenergie effektiv in den Helmholtz-Resonator dissipiert wird und somit zu einer endlichen Begrenzung des Diffusorbrummens im Resonanzfall führt.
Es hat sich als besonders zweckmäßige Ausbildung des Diffusors erwiesen, den Diffusor mit einer lösbaren Anbringung am Gehäuse zu versehen. D. h. insbesondere ist der Diffusor auswechselbar am Gehäuse angebracht. Auf diese Weise kann ein Diffusor der genannten Art nachträglich leicht für den Servicefall eingebaut werden oder ausgewechselt werden. Für den Fall, dass sich ein Brummfrequenzverhalten eines Diffusors ändert, kann entweder ein Helmholtz-Resonator mit fester Dämpfungsfrequenz ausgetauscht oder ein Helmholtz-Resonator mit variabler Dämpfungsfrequenz angepasst werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Dämpfungsfrequenz des Helmholtz-Resonators auf eine Schaufelfrequenz abgestimmt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein Helmholtz-Resonator der genannten Art vorbeugend eingesetzt werden kann, um ein Anregung gefährdeter Eigenfrequenzen von Schaufeln, die akustisch über den oben genannten Mechanismus angeregt werden, zu vermeiden. Auf diese Weise lässt sich eine beliebige, bei einer Turbine für eine selbsterregte Schwingungsinstabilität im Resonanzfall gefährdete Schaufelstufen oder Schaufel schützen.
Durch die genannten Ausbildungen des Diffusors lässt sich eine einfache, schnelle und kostengünstige Lösung für das Diffusorbrummproblem bereitstellen, die zudem nachträglich im Servicefall angebracht werden kann. Hervorzuheben ist, dass die Anbringung eines Helmholtz-Resonators an einem Diffusor eine Leistungserhaltung des Diffusors garantiert, während bei einem bisher üblichen und notwendigen Austausch eines Diffusors eine Leistungseinbuße des Diffusors in Kauf genommen werden musste, da ein ausgewechselter Diffusor üblicherweise nicht optimal auf eine Turbine oder eine Fremdmaschine angepasst ist.
Die Erfindung führt auch auf eine Turbine mit einem Diffusor zur Aufnahme einer Strömung, wobei erfindungsgemäß der Diffusor gemäß einer der oben genannten Weiterbildungen ausgeführt ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erweisen, eine Turbine in Form einer Niederdruckturbine mit einem Diffusor gemäß einer der oben genannten Weiterbildungen zu versehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

FIG 1: eine Niederdruck-Dampfturbine gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem Diffusor, der einen Helmholtz-Resonator
in FIG 1a in Form einer Helmholtz-Flasche,
in FIG 1b in Form eines Helmholtz-Rohres,
in FIG 1c in Form einer schlitzförmigen Helmholtz-Öffnung, aufweist;
FIG 2: eine schematische Darstellung einer Position von Druckknoten und Druckbäuchen entlang einer axialen Richtung einer Strömung in einem Diffusor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
FIG 3: eine schematisch dargestellte, besonders bevorzugte Ausführungsform eines Helmholtz-Resonators in Form einer Helmholtz-Flasche für eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Diffusors gemäß FIG 1.

Es hat sich gezeigt, dass es insbesondere bei einer wie in FIG 1 schematisch dargestellten Niederdruck-Dampfturbine 1 zu einer selbsterregten Schwingungsinstabilität in Form des so genannten Diffusorbrummens kommen kann. Die Niederdruck-Dampfturbine (ND-Dampfturbine) 1 weist einen Rotor 3 auf, der mit einer Anzahl von Laufschaufelstufen 5, und insbesondere einer letzten Laufschaufelstufe 7, versehen ist. Die Laufschaufelstufen 5,7 greifen zwischen Leitschaufelstufen 9, und eine letzte Leitschaufelstufe 10, die an einem Gehäuse 11 der ND-Dampfturbine vorgesehen sind. Eine Strömung M eines Arbeitsmediums durchströmt einen, den Rotor 3 umgebenden und mit den Schaufelstufen 5, 7, 9, 10 versehenen Strömungskanal 13. Der Strömungskanal mündet in einen weiteren Strömungskanal 15 eines am ausgangsseitigen Ende der ND-Dampfturbine 1 angebrachten Diffusors 17. Der Diffusor 17 weist ein Gehäuse 19 auf, das sich in axialer Richtung entlang einer Strömung M' des Arbeitsmediums im Diffusor 17 erstreckt. Das Gehäuse 19 begrenzt dabei zur Aufweitung der Strömung M' einen sich in axialer Richtung 21 aufweitenden Strömungskanal 15 umfänglich.
Bei einer in FIG 1 gezeigten ND-Dampfturbine liegt die Frequenz des Diffusorbrummens typischerweise im Bereich bei 32 bis 35 Hertz. Dies ist insbesondere der Fall für halbtourige Turbinen. Halbtourige Turbinen laufen mit halber Netzfrequenz - also bei 25 Hz. Um Strom auf der Netzfrequenz zu generieren, ist ein zugeordneter Generator dann entsprechend anders gewickelt, nämlich in der Regel 4-polig. Eine Turbinenanlage mit einer halbtourigen Turbine und einem Diffusor ist typischerweise für relativ große Massenströme M, M' ausgelegt und wird hauptsächlich in einem Kernkraftwerk eingesetzt.
Gemäß der Erkenntnis für das hier vorgeschlagene Konzept tritt beim Diffusorbrummen kein Frequenzspektrum auf, d. h. die Brummfrequenz ist, insbesondere im oben genannten Bereich, relativ konstant. Dies führt zu der Überlegung, dass eine derartig relativ konstante Frequenz sich auf besonders effektive Weise mit einem Helmholtz-Resonator 23a, 23b, 23c unterdrücken lässt, der bei der in FIG 1a, 1b, 1c gezeigten Ausführungsform am Gehäuse 19 des Diffusors 17 angebracht ist.
Der in FIG 1a gezeigte Helmholtz-Resonator ist in Form einer Helmholtz-Flasche 23a ausgeführt und wird im Folgenden im Detail erläutert. Zusätzlich oder alternativ zu einer Helmholtz-Flasche 23a kann an einem Gehäuse 19 auch ein in FIG 1b gezeigter Helmholtz-Resonator in Form eines ringförmigen, geschlitzten Helmholtz-Rohres 23b oder in Form einer in FIG 1c gezeigten Helmholtz-Öffnung 23c angeordnet werden. Das Helmholtz-Rohr 23b ist als ein umfänglich umlaufendes Rohr ausgebildet. Ihm kann, ähnlich wie bei einer Helmholtz-Flasche 23a, ein Resonatorhals 35 und ein Resonatorraum 37 zugeordnet sein. Die Helmholtz-Öffnung 23c ist als ein umfänglich umlaufendes, rechteckförmiges Rohr ausgebildet, das einen kastenartigen Querschnitt aufweist. Ihm kann, ähnlich wie bei einer Helmholtz-Flasche 23a ein stark verkürzter Resonatorhals 35, in Form eines Schlitzes, und ein Resonatorraum 37 zugeordnet sein.
Wie oben ausgeführt hat sich insbesondere bei halbtourigen Turbinen gezeigt, dass die Brummfrequenz im Bereich zwischen 32 und 35 Hertz liegt. Diese Frequenz liegt üblicherweise im Bereich einer Drehfrequenz einer Beschaufelung. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass die Dopplerfrequenz, d. h. die Summe aus Brummfrequenz und Drehfrequenz, im Bereich der Eigenfrequenz einer letzten Laufschaufelstufe 7 liegen kann und somit unmittelbar die Betriebssicherheit einer oben genannten ND-Turbine 1 gefährden kann. Es hat sich dabei insbesondere gezeigt, dass die Anregung der letzten Laufschaufelstufe 7 durch akustische Wellen erfolgt, die durch ein Schock-Grenzschichtwechselwirkung hervorgerufen ist. Im vorliegenden Fall eines Diffusors 17 für eine ND-Turbine 1 ist die Dämpfungsfrequenz des Diffusors also vorteilhaft auf eine Frequenz zwischen 32 und 35 Hertz als Eigenfrequenz des Diffusors 17 abgestimmt. Dies hat den Vorteil, dass ein mit einem solchen Helmholtz-Resonator 23a, 23b, 23c ausgerüsteter Diffusor 17 die Betriebssicherheit der oben genannten letzten Laufschaufelstufe 7 und damit die Betriebssicherheit der gesamten ND-Turbine 1 nicht gefährdet.
Im vorliegenden Fall erweist sich die Dämpfung des Diffusorbrummens als besonders wichtig, da bei der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform einer ND-Dampfturbine 1, die Dopplerfrequenz der Brummfrequenz, d. h. eine Summe aus Brummfrequenz und Drehfrequenz des Rotors 3 im Bereich bei 60 bis 65 Hertz liegt und damit gefährlich nahe an eine Eigenfrequenz der letzten Laufschaufelstufe 7 herankommt. Womöglich kann auch eine der anderen in FIG 1 gezeigten Laufschaufelstufen 5 oder Leitschaufelstufen 9, insbesondere die letzte Laufschaufelstufe 7 oder die letzte Leitschaufelstufe 10 oder eine einzelne Schaufel davon, die dem Diffusor 17 am nächsten sind, betroffen sein.
Aufgrund der Übereinstimmung der genannten Dopplerfrequenz mit der Eigenfrequenz der letzten Laufschaufelstufe 7, insbesondere mit einer Eigenfrequenz einer Laufschaufel in der Laufschaufelstufe 7, kann es zu einer selbsterregten Schwingungsinstabilität infolge dieses Resonanzfalles kommen, was damit direkt die Stabilität der letzten Laufschaufelstufe 7 gefährdet und damit die Betriebssicherheit der ND-Turbine 1. Die Anregung einer Laufschaufel in einer Laufschaufelstufe 7 erfolgt durch akustische Wellen. Die akustische Welle wird dabei durch eine Schock-Grenzschicht-Wechselwirkung hervorgerufen. Die Abstimmung der Dämpfungsfrequenz eines Helmholtz-Resonators 23a, 23b, 23c auf die Eigenfrequenz des Diffusors, vorliegend im Bereich zwischen 32 und 35 Hertz, führt bei der hier gezeigten Ausführungsform zur Dissipation der Schwingungsenergie auf dieser Frequenz und somit zu einer endlichen Begrenzung der auftretenden Druckamplituden im Resonanzfall. Dieser über den Helmholtz-Resonator 23a, 23b, 23c zur Verfügung gestellte Dämpfungsmechanismus hat ein integrales Dämpfungsmaß, der die Druckamplituden soweit vermindert, dass die Anregung einer letzten Laufschaufelstufe, und insbesondere einer Laufschaufel in der Laufschaufelstufe 7, unterbunden ist und damit die Betriebssicherheit der letzten Laufschaufelstufe 7 und der ND-Turbine 1 gewährleistet ist.
Die Position 25 des Helmholtz-Resonators 23a, 23b, 23c am Gehäuseumfang 27 des Diffusors 17 ist in FIG 2 schematisch erläutert. Die Ausführung des Helmholtz-Resonators als Helmholtz-Flasche 23a ist in FIG 3 erläutert.
In FIG 2 ist schematisch der Verlauf einer Druckamplitude entlang der Strömungsrichtung 22 der Strömung M' bei dem in FIG 1 gezeigten Diffusor 17 angedeutet. Im Einzelfall ist der Verlauf der Druckamplitude wesentlich komplizierter. Dieser kann im Rahmen aufwändiger Simulationsrechnungen, in Abhängigkeit der Geometrie des Diffusors 17 und in Abhängigkeit der Anströmungsparameter der Strömung M, M' simuliert werden oder ausgemessen werden. Dabei zeigt sich, dass der akustische Druckverlauf 29 entlang der Strömungsrichtung 22 im Diffusor 17 in der Regel Druckmaxima und Druckminima aufweist, die lokal begrenzt sind und sich ggf. auch über den Querschnitt des Diffusors 17 verändern können. Ein Druckmaximum ist im vorliegenden Fall als Druckbauch 31, 31' dargestellt. Ein Druckminimum der Druckamplitude 29 ist vorliegend als Druckknoten 33, 33', 33'' dargestellt. Grundsätzlich ist der in FIG 2 gezeigte Druckverlauf 29 repräsentativ für einen Druckverlauf entlang der axialen Richtung 21 der FIG 1, die dann der Strömungsrichtung 22 entspräche. Insbesondere kann der in FIG 2 gezeigte Druckverlauf 29 auch repräsentativ für einen Druckverlauf entlang dem Gehäuseumfang 27 des Diffusors 17 sein. Dabei entspräche die Strömungsrichtung 22 dann einem Maß entlang einer geeigneten Richtung des Gehäuseumfangs 27 in der FIG 2. Die Strömungsrichtung 22 könnte dabei auch entlang einer Gehäusebegrenzung vom Eingang zum Ausgang des Diffusors 17 verlaufen.
Insbesondere hat sich allerdings gezeigt, dass ein Druckverlauf, wie der mit 29 bezeichnete, auch in Umfangsrichtung auftritt, und zwar vor allem in Form einer in Umfangsrichtung am Gehäuseumfang 27 umlaufenden, stehenden Welle. Im Rahmen des oben erläuterten Konzepts hat sich ergeben, dass eine solche stehende Welle beim Einbau eines Helmholtz-Resonators am Gehäuseumfang 27 praktisch verankert wird.
Der in FIG 1a gezeigte Helmholtz-Resonator ist in Form einer Helmholtz-Flasche 23a ausgeführt, die einen Resonatorhals 35 und ein Resonatorvolumen 37 aufweist. Eine Öffnung 39 des Resonatorhalses 35 ist vorliegend an einer Stelle 25 des Gehäuseumfangs 27 angeordnet, die mit einer Position eines akustischen Druckbauches 31 im Diffusor 17 korrespondiert. Auf diese Weise lässt sich nämlich die Energie auf der Eigenfrequenz des Diffusors 17 möglichst effektiv an den Helmholtz-Flasche 23a über die Öffnung 39 des Resonatorhalses 35 ankoppeln und auf die Helmholtz-Flasche 23a übertragen - im Ergebnis also dämpfen.
Nachdem insbesondere erkannt ist, dass eine wie oben erläuterte stehende Welle bzw. ein Druckverlauf 29 ganz allgemein durch den Einbau eines ersten Helmholtz-Resonators 23a, 23b, 23c am Gehäuseumfang 27 bzw. an einer Gehäusebegrenzung praktisch verankert wird, ist vorzugsweise ein zweiter und sind ggf. mehrere weitere Helmholtz-Resonatoren 23a, 23b, 23c relativ zum ersten Helmholtz-Resonator an einem Druckbauch oder ggf. den weiteren Druckbäuchen 31, 31' angeordnet.
FIG 3 zeigt schematisch den Aufbau des in FIG 1a gezeigten Helmholtz-Resonators in Form einer Helmholtz-Flasche 23a. Diese weist einen Resonatorraum 37 und einen Resonatorhals 35 auf. Dem Resonatorraum 37 kann ein Volumen V zugeordnet werden. Dem Resonatorhals kann eine Länge L und ein Querschnitt A zugeordnet werden. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Volumens V, der Länge L und des Querschnitts A zusammen, alternativ oder in Kombination lässt sich die Dämpfungsfrequenz der Helmholtz-Flasche 23a als Beispiel eines Helmholtz-Resonators 23a, 23b, 23c vorteilhaft auf die Eigenfrequenz des Diffusors 17 abstimmen. Eine beispielhafte Aussage über die Dämpfungsfrequenz lässt sich z. B. bereits im Rahmen einfacher Modellrechnung auf Grundlage der Helmholtzgleichung erreichen. Beispielhaft ist dies im Bereich der akustischen Geräte, auf besonders anschauliche Weise auf der Internetseite http://www.lautssprechershop.de, demonstriert worden.
Zur Vermeidung selbsterregter Schwingungsinstabilitäten bei einer Turbine, insbesondere bei einer Dampfturbine 1 bzw. bei einem Diffusor 17 mit einem Gehäuse 19, das sich in axialer Richtung 21 entlang einer Strömung M' erstreckt, und das zur Aufweitung der Strömung M' einen sich in axialer Richtung 21 aufweitenden Strömungskanal 15 umfänglich begrenzt, sieht das neue Konzept vor, dass am Gehäuse 19 ein Helmholtz-Resonator 23a, 23b, 23c angebracht ist, dessen Dämpfungsfrequenz auf eine Eigenfrequenz des Diffusors 17 abgestimmt ist.

Claims

Diffusor (17) mit einem Gehäuse (19), das sich in axialer Richtung (21) entlang einer Strömung (M') erstreckt und das zur Aufweitung der Strömung (M') einen sich in axialer Richtung (21) aufweitenden Strömungskanal (15) umfänglich begrenzt, wobei am Gehäuse (19) ein Helmholtz-Resonator (23a, 23b, 23c) angebracht ist, dessen Dämpfungsfrequenz auf eine Eigenfrequenz des Diffusors (17) abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Helmholtz-Resonator in Form einer der folgenden Ausführungsformen ausgebildet ist:
in Form mehener Helmholtz-Flaschen (23a), wobei das Gehäuse (19) insbesondere eine Anzahl von Helmholtz-Flaschen (23a) aufweist;

in Form eines ringförmigen, geschlitzten Helmholtz-Rohres (23b), wobei sich das Helmholtz-Rohr (23b) insbesondere entlang einem Umfang des Gehäuses (19) erstreckt;

in Form einer schlitzförmigen Helmholtz-Öffnung (23c) am Gehäuse (19), die sich insbesondere entlang eines Gehäuseumfangs (27) erstreckt.
Diffusor (17) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Helmholtz-Resonator (23a, 23b, 23c) ein Resonatorraum (37) und ein Resonatorhals (35) zugeordnet ist.
Diffusor (17) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Volumen (v) des Resonatorraums (37), eine Länge (L) und ein Querschnitt (A) des Resonatorhalses (35) einzeln oder in Kombination zur Abstimmung der Dämpfungsfrequenz variabel einstellbar sind.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Helmholtz-Resonator (23a, 23b, 23c) an einem Gehäuseumfang (27) angebracht ist, so dass dabei ein Resonatorhals (35) eine Öffnung (39) zum Strömungskanal (15) hin bildet.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung (39) an einer Stelle des Gehäuseumfangs (27) angeordnet ist, die mit einer Position eines akustischen Druckbauches (31, 31', 31") im Diffusor (17) korrespondiert.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch
eine lösbare Anbringung am Gehäuse (19).
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungsfrequenz auf eine Eigenfrequenz einer Schaufel abgestimmt ist.
Turbine mit einem Diffusor (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Aufnahme einer Strömung (M').
Turbine nach Anspruch 8, in Form einer Niederdruckturbine (1).