EP1561909A1

EP1561909A1 - Diffusor, Turbinenanlage und Verfahren zur Druckrückgewinnung bei einer Turbinenanlage

Info

Publication number: EP1561909A1
Application number: EP04002821A
Authority: EP
Inventors: Thomas Dr. Thiemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-10

Abstract

Zur Steigerung der Druckrückgewinnung wird bei einem Diffusor (17) mit einem Gehäuse (19), das sich in axialer Richtung (21) entlang einer Strömung (M') von Arbeitsfluid erstreckt, wobei das Gehäuse (19) zur Aufweitung der Strömung (M') einen sich in axialer Richtung (21) aufweitenden Diffusorkanal (15) umfänglich begrenzt, und eine Injektionsöffnung (41) aufweist, die zur Injektion eines Fluids in den Diffusorkanal (15) vorgesehen ist, gemäß dem neuen Konzept vorgeschlagen, dass die Injektionsöffnung (41) zur Injektion von Arbeitsfluid ein ausgangsseitiges Ende einer Zuführung (35) für Arbeitsfluid bildet. Dieses Konzept führt auf eine Turbinenanlage (1) mit einem solchen Diffusor (17) und ein entsprechendes Verfahren zur Druckrückgewinnung bei einer Turbinenanlage (1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor mit einem Gehäuse, das sich in axialer Richtung entlang einer Strömung von Arbeitsfluid erstreckt, wobei das Gehäuse zur Aufweitung der Strömung einen sich in axialer Richtung aufweitenden Diffusorkanal umfänglich begrenzt und eine Injektionsöffnung aufweist, die zur Injektion eines Fluids in den Diffusorkanal vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiter eine Turbinenanlage mit einer Turbine, die einen sich entlang einer Achse erstreckenden Schaufelkanal mit ringförmigem Querschnitt zur Beaufschlagung mit einer Strömung von Arbeitsfluid und einer Anzahl von an einem Rotor angebrachten, sich radial in den Schaufelkanal erstreckenden Turbinenschaufeln aufweist, und mit einem ausgangsseitig hinter der Turbine angeordneten Diffusor. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Druckrückgewinnung bei einer Turbinenanlage mit einer Turbine, die einen sich entlang einer Achse erstreckenden Schaufelkanal zur Beaufschlagung mit einer Strömung von Arbeitsfluid und eine Anzahl von Turbinenschaufeln aufweist, und mit einem Diffusor, der ein Gehäuse aufweist, das einen Diffusorkanal umfänglich begrenzt, bei welchem Verfahren ein Fluid in den Diffusorkanal injiziert wird.

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 Energie an den Turbinenrotor abgibt, wobei sich das Arbeitsmedium entspannt. Die Beschaufelung wird durch eine Anzahl von Schaufelstufen gebildet, wobei eine Schaufelstufe eine Anzahl von ringförmig angeordneten Schaufeln aufweist. Die Schaufelstufen sind axial hintereinander am Rotor befestigt. Eine Turbine kann durch eine Anzahl von hintereinander geschalteten, bei unterschiedlichen Druckund Temperaturverhältnissen eines Arbeitsmediums arbeitenden Turbinenstufen gebildet sein. 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 insbesondere einen Druck hinter einer letzten Turbinenstufe bei gegebenen Kondensatordruck möglichst weit abzusenken. Anschließend wird das Kondensat auf Drücke im Bereich bis zu 300 bar gebracht und einem Dampferzeuger zugeführt, welcher den Dampf in einem Überhitzer auf Temperaturen im Bereich von 600 °C bringt, um das Arbeitsmedium anschließend in dieser Form wiederum der Dampfturbine zuzuführen.

Darüber hinaus soll im Diffusor in der Regel ein möglichst hoher Druckrückgewinn auf kleinem Bauraum erzielt werden. Dies gilt grundsätzlich für jede Art einer Gas- oder Dampfturbine. Insbesondere bei Turbinen-Endstufen hat die Auslegung eines Diffusors hinsichtlich optimiertem Druckrückgewinn und kleinem Bauraum großen Einfluss auf die abgegebene Leistung einer Turbinenanlage. Der Druckrückgewinn c_P eines Diffusors wird üblicherweise über das Verhältnis der statischen Druckdifferenz über dem Diffusor p_Austritt - p_Eintritt zum eingangsseitigen dynamischen Druck am Diffusoreintritt definiert, d.h.: cp = pAustritt - pEintritt ptotal / Eintritt - pEintritt = Δpstat . Pdyn.

Dabei ist zu beachten, dass das Gehäuse des Diffusors in der Regel einen von einer Strömung von Arbeitsfluid durchsetzbaren Eingang und Ausgang aufweist, wobei ein Eingang des Diffusors eine Eintrittsfläche und ein Ausgang des Diffusors eine Austrittsfläche aufweist. Zur Erzielung eines hohen Druckrückgewinns ist ein Verhältnis von Austrittsfläche zu Eintrittsfläche im Vergleich zum zur Verfügung stehenden Bauraum abzuwägen. Ab einer bestimmten Flächenerweiterung, d. h. oberhalb eines bestimmten Verhältnisses, tritt bei gegebenem Bauraum in einem Diffusor das Phänomen der Strömungsablösung auf, wodurch die Wirksamkeit, d. h. der Druckaufbau im Sinne eines Druckrückgewinns, des Diffusors rapide einbricht. Dabei löst sich vor allem eine Schicht der Strömung, die dem Gehäuse am nächsten ist, die so genannte Grenzschicht, von der Gehäusebegrenzung ab.

Eine bekannte technische Lösung zur Steigerung des Druckrückgewinns ist in der Veröffentlichung von R. K. Duggins "Some techniques for improving the performance of short conical diffusers", 6^th Australian Hydr. and fluid. Mech. Conf. (1977) beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, einen Diffusor, im Allgemeinen und ohne spezielle Anwendung, zwar stark zu öffnen, d. h. ein möglichst großes Verhältnis zwischen Austrittsfläche und Eintrittsfläche anzustreben, jedoch die beschriebene Strömungsablösung durch eine Absaugung oder Einblasung einer Grenzschicht zwischen der Gehäusebegrenzung und der eigentlichen Diffusorströmung im Diffusorkanal zu verhindern.

Dieses Konzept konnte bei einem eingangs genannten Diffusor und einer Turbinenanlage jedoch nur mit gewissen Nachteilen realisiert werden.

Hinsichtlich einer Einblasung einer Grenzschicht besteht bei einem eingangs genannten Diffusor und einer eingangs genannten Turbinenanlage üblicherweise der Nachteil, dass eine Absaugevorrichtung mit einer Drucksenke, deren Niveau unterhalb des Grenzschichtdruckes liegt, in der Regel nicht oder wenn, dann nur mit einem gewissen Aufwand zur Verfügung zu stellen ist. Hinsichtlich einer Einblasung der Grenzschicht ist in der genannten Veröffentlichung ein besonderes Fluid zur Verfügung zu stellen. Dies erfordert eine entsprechende Druck aufbauende Druckquelle, die in der Regel nur unter zusätzlichem Energieaufwand und damit auf eine die Leistungs- und den Wirkungsgrad einer Turbinenanlage vermindernde Weise zur Verfügung gestellt werden kann.

Wünschenswert wäre eine effiziente Lösung betreffend des oben erläuterten Druckrückgewinnungsproblems bei einem eingangs genannten Diffusor und der eingangs genannten Turbinenanlage sowie ein entsprechendes Verfahren dazu.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, einen Diffusor und eine Turbinenanlage mit einem Diffusor anzugeben, bei dem zum einen eine Strömungsablösung auf effiziente Weise verhindert ist und zum anderen ein möglichst hoher Druckrückgewinn mit möglichst geringem Aufwand und unter Beachtung eines möglichst großen Verhältnisses von Austrittsfläche zu Eintrittsfläche im Vergleich zum zur Verfügung stehenden Bauraum erreicht wird. Aufgabe ist auch ein Verfahren zur Druckrückgewinnung bei einem Diffusor bzw. einer Turbinenanlage anzugeben.

Die Aufgabe hinsichtlich des Diffusors wird durch die Erfindung bei einem eingangs genannten Diffusor dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß die Injektionsöffnung zur Injektion von Arbeitsfluid ein ausgangsseitiges Ende einer Zuführung für das Arbeitsfluid bildet.

Die Erfindung führt in diesem Zusammenhang auch auf eine Turbinenanlage der eingangs genannten Art, bei der ein Diffusor erfindungsgemäß gemäß der oben genannten Art ausgebildet ist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Erfindung mit einem Verfahren zur Rückgewinnung gemäß der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß als Fluid das Arbeitsfluid verwendet wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass in einem ersten Schritt die Injektion eines Fluids bei einem Diffusor, insbesondere als Teil einer Turbinenanlage, wesentliche Vorteile gegenüber einer auch möglichen Absaugung einer Grenzschicht hat. Das heißt, die lokale Injektion eines Fluids in die Grenzschicht zwischen der Gehäusebegrenzung und der eigentlichen Diffusorströmung im Diffusorkanal erweist sich bei einem Diffusor und einer Turbinenanlage mit dem Diffusor aufgrund der Betriebsbedingungen einer Turbinenanlage als wesentlich vorteilhafter. Der Grund liegt darin, dass ein Diffusor in der Regel im Bereich einer Endstufe einer Turbinenanlage angeordnet ist, wobei ein Diffusor grundsätzlich auf niedrigerem Druckniveau betrieben als stromaufwärts vor dem Diffusor angeordnete Stufen der Turbinenanlage. Es ist damit wesentlich zweckmäßiger eine Druck aufbauende Druckquelle zur Verfügung zu stellen als eine Drucksenke, deren Niveau unterhalb des Grenzschichtdrucks, an der Gehäusebegrenzung liegen müsste.

In einem weiteren Schritt geht die Überlegung der Erfindung davon aus, dass die Umgebung eines Diffusors, insbesondere als Teil einer Turbinenanlage, Fluid in Form von Arbeitsfluid zur Verfügung stellen kann, das, wenn nicht mehr als Arbeitsfluid, so doch für den genannten Zweck vorteilhaft genutzt werden kann. Nicht mehr zu nutzendes Arbeitsfluid wird bisher nämlich ohne Nutzen abgeleitet. Insbesondere bei einer Dampfturbine wird teilweise nicht mehr genutzter Dampf in einen Abdampfraum eingeleitet und dann ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Derartiger Dampf wird beispielsweise durch geschlitzte Hohl-Leitschaufeln oder Gehäuseöffnungen abgesaugt, um durch das Mitreißen des auf den Oberflächen vorhandenen Wasserfilms die Nässe zu verringern und so einer Tropfenschlagerosion der Laufschaufeln entgegenzuwirken. Arbeitsfluid dieser Art kann gemäß dem Konzept der obigen Erfindung jedoch noch zur Leistungssteigerung des Diffusors und damit der gesamten Turbinenanlage eingesetzt werden. Damit ergibt sich vorteilhaft eine Erhöhung der Turbinenleistung bzw. des Wirkungsgrades im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen bei gleichem Brennstoffeinsatz oder herkömmlichen Diffusoren bei gleichem Bauraum. Zudem ist der Aufwand für die technische Umsetzung im Vergleich zur zu erwartenden Leistungssteigerung mit vergleichsweise effektiven Maßnahmen, vorliegend vor allem konstruktiven Maßnahmen, zu bewältigen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung hinsichtlich des Diffusors sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, den Diffusor im Rahmen obiger Aufgabe zu realisieren.

Vorzugsweise ist in einer ersten Weiterbildung ein eingangsseitiges Ende der Zuführung durch eine Aufnahmeöffnung zur Aufnahme von Arbeitsfluid gebildet, wobei die Zuführung in Form eines Schaufelleitungssystems gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass ein bereits mit entsprechendem Drucküberschuss in einem bestehenden Leitungssystem vorgehaltenes Arbeitsfluid zur Injektion in den Diffusorkanal, d. h. in eine Grenzschicht zwischen Gehäusebegrenzung und Strömung im Diffusorkanal genutzt werden kann. Außer konstruktiven Maßnahmen sind keine weiteren aufwändigen Maßnahmen, insbesondere energieverbrauchende Maßnahmen, notwendig, so dass im Rahmen dieser ersten Weiterbildung eine besonders effiziente Umsetzung des vorgeschlagenen Konzepts erfolgt.

Im Rahmen einer zweiten Weiterbildung erweist es sich auch als vorteilhaft, dass ein eingangsseitiges Ende der Zuführung durch eine Aufnahmeöffnung zur Aufnahme von Arbeitsfluid gebildet ist, wobei die Zuleitung in Form eines Gehäusehohlraums gebildet ist. Insbesondere kann hier ein Gehäusehohlraum in Form einer Gehäuseabsaugung durch Spalte oder Schlitze genutzt werden.

Sowohl im Falle der ersten Weiterbildung als auch im Falle der zweiten Weiterbildung handelt es sich bei dem vorgehaltenen Arbeitsfluid vorteilhaft um Nassdampf, der üblicherweise ohne Nutzen in einen Abdampfraum eingeleitet würde und im Rahmen der vorgeschlagenen Weiterbildungen nunmehr zur Leistungssteigerung eingesetzt wird. Unter Nassdampf ist insbesondere Dampf im Druckbereich von 0,01 bis 5 bar und Temperaturen von 7° C bis 150° C zu verstehen.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, die Aufnahmeöffnung zur Aufnahme von Arbeitsfluid vor, d. h. strömungstechnisch vor einem Eingang des Diffusors anzuordnen. Vorzugsweise wird also ein Arbeitsfluid aus der Strömung entnommen, bevor das Arbeitsfluid mit der Strömung dem Diffusor zugeführt wird. Dies ist insbesondere der Fall für die oben genannte erste und zweite Weiterbildung.

Die oben erläuterten Maßnahmen erweisen sich als ganz besonders zweckmäßig für einen relativ stark öffnenden Diffusor. Das heißt, vorteilhaft weist das Gehäuse einen von einer Strömung von Arbeitsfluid durchsetzbaren Eingang und Ausgang auf, wobei ein Eingang des Diffusors eine Eintrittsfläche und ein Ausgang des Diffusors eine Austrittsfläche aufweist und das Verhältnis zwischen Austrittsfläche zur Eintrittsfläche - also das Öffnungsverhältnis - deutlich größer als 1.0 ist, vorteilhaft zwischen 1.2:1 und 1.8:1 liegt. Darüber hinaus lässt sich im Rahmen des neuen Konzepts auch ein stark öffnender Diffusor realisieren, bei dem das Öffnungsverhältnis über 1.8:1 liegt. Details sind im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft ein möglichst hoher Druckrückgewinn bei gegebenem Bauraum für den Diffusor erreicht werden, ohne dass eine Strömungsablösung an der Gehäusebegrenzung des Diffusors auftritt.

Um eine besonders gute Einleitung des Arbeitsfluids in eine Grenzschicht zwischen Gehäusebegrenzung und Strömung im Diffusorkanal zu erzielen, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Injektionsöffnung in Richtung einer von der Strömung abweichenden Richtung orientiert ist. Auf diese Weise wird eine dem Arbeitsfluid aufgeprägte, bestimmte Injektionsgeschwindigkeit durch die Strömungsumstände im Diffusorkanal derart ausgeglichen, dass eine optimale Grenzschicht an der Gehäuseabgrenzung des Diffusors erreicht wird. Je nach vorliegenden Strömungsverhältnissen kann die abweichende Richtung in einer von der zur Gehäusebegrenzung tangentialen Richtung abweichenden Richtung eingestellt werden. In Einzelfällen erweist sich dennoch auch eine tangentiale Ausrichtung der Injektionsöffnung als vorteilhaft.

Insbesondere kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Injektionsöffnung näher am Ausgang, als am Eingang anzuordnen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass, insbesondere bei einem weit öffnenden Diffusor, eine potentielle Strömungsablösung im Bereich eines besonders großen Öffnungsgradienten erfolgt. Diesem Umstand wird durch die obige Anordnung der Injektionsöffnung Rechnung getragen. In Einzelfällen erweist sich auch eine näher am Eingang als am Ausgang angeordnete Injektionsöffnung als vorteilhaft.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung betreffend die Turbinenanlage sind den Unteransprüchen zur Turbinenanlage zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, die Turbinenanlage im Rahmen obiger Aufgabenstellung weiterzubilden.

Besondere Vorteile der oben erläuterten Ausgestaltung des Diffusors ergeben sich bei einer Anordnung des Diffusors in einer Dampfturbine. Insbesondere betrifft dies eine Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruckdampfturbine. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die oben erläuterten Probleme vor allem bei einer Niederdruckdampfturbine oder bei einer Endstufe einer Dampfturbine von Bedeutung sind. Das neue Konzept ist auch erfolgreich bei einer so genannten K-Teilturbine, die insbesondere hinsichtlich der Auslegung ihrer Beschaufelung und eines Schaufelkanals in einem ersten Bereich des Rotors zur Beaufschlagung mit Arbeitsmedium im Hochdruckbereich und in einem zweiten Bereich des gleichen Rotors im Mitteldruckbereich ausgelegt ist. So kombiniert auf analoge Weise eine E-Teilturbine die Eigenschaften einer Mitteldruckund Niederdruckturbine wie eine K-Teilturbine die Eigenschaften einer Hochdruck- und Mitteldruckturbine kombiniert. Ebenso ist das neue Konzept erfolgreich bei Anwendung auf eine kombinierte Hoch-/Mittel-/Niederdruckturbine.

Vorzugsweise ist die Aufnahmeöffnung zur Aufnahme von Arbeitsfluid vor einem Eingang, d. h. strömungstechnisch vor einem Eingang, des Diffusors vorgesehen und dabei an einer Gehäuseabsaugung der Turbine angeordnet.

Im Rahmen einer weiteren Weiterbildung ist die Aufnahmeöffnung zur Aufnahme von Arbeitsfluid aus der Strömung vor einem Eingang, d. h. strömungstechnisch vor einem Eingang des Diffusors vorgesehen und dabei an einer Turbinenschaufel der Turbine angeordnet. Besonders zweckmäßig für die letzte Maßnahme erweist sich dabei eine Leitschaufel. Die Vorteile ergeben sich in gleicher Weise, wie sie bereits im Rahmen der Weiterbildungen des Diffusors erläutert wurden.

Hinsichtlich des Verfahrens sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen zum Verfahren zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das Verfahren im Rahmen obiger Aufgabenstellung zu realisieren.

Im Rahmen einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Arbeitsfluid vorzugsweise dem Schaufelkanal entnommen. In einer ersten Variante wird das Arbeitsfluid dem Schaufelkanal über eine Turbinenschaufel entnommen. In einer zweiten Variante wird dabei das Arbeitsfluid dem Schaufelkanal über eine Gehäuseabsaugung entnommen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem so entnommenen Arbeitsfluid um Nassdampf.

Je nach Anwendung kann es für bestimmte Fälle auch vorteilhaft sein, das Arbeitsfluid in Form von Heißdampf zu entnehmen. Die Entnahmestelle des Arbeitsfluids in der Turbinenanlage ist im Wesentlichen hinsichtlich der Druck- und Temperaturanforderungen zur Lösung oben genannter Aufgabe beim Diffusor zu wählen.

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 Niederdruckdampfturbine gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem Diffusor;
FIG 2: eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils eines Diffusors gemäß dem Stand der Technik, bei dem eine Grenzschichtablösung im Bereich eines größten Öffnungsgradienten erfolgt;
FIG 3: eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Diffusors, bei dem eine Injektionsöffnung zur Injektion von Arbeitsfluid ein ausgangsseitiges Ende einer Zuführung für das Arbeitsfluid bildet und wodurch eine Grenzschichtablösung vermieden wird.
FIG 4: eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform eines Diffusors, bei dem eine Injektionsöffnung zur Injektion von Arbeitsfluid ein ausgangsseitiges Ende einer Zuführung für das Arbeitsfluid bildet und wodurch eine Grenzschichtablösung vermieden wird.

Die Turbinenanlage 1 einer Niederdruckdampfturbine (ND-Dampfturbine) 2 der FIG 1 weist einen Rotor 3 auf, der mit einer Anzahl von Laufschaufelstufen 5 versehen ist. Die Laufschaufelstufen 5 greifen zwischen Leitschaufelstufen 9, die an einem Turbinengehäuse 11 der ND-Dampfturbine vorgesehen sind. Eine Strömung M eines Arbeitsmediums durchströmt einen, den Rotor 3 umgebenden und mit den Schaufelstufen 5, 9 versehenen Strömungskanal 13. Der Strömungskanal mündet in einem weiteren Strömungskanal 15 eines am ausgangsseitigen Ende der ND-Dampfturbine 2 angebrachten Diffusors 17. Der Diffusor 17 weist ein Gehäuse 19 auf, das sich in axialer Richtung 21 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.

Das Gehäuse 19 des Diffusors weist einen in FIG 3 und FIG 4 näher gezeigten Eingang 43 und einen Ausgang 45 auf. Der Eingang 43 des Diffusors 17 weist dabei eine Eintrittsfläche 50 auf. Der Ausgang 45 des Diffusors 17 weist dabei eine Austrittsfläche 51 auf. Der bei dieser Ausführungsform gezeigte Diffusor 17 ist in Form eines so genannten Axial-Radial-Diffusors ausgebildet. Die Strömung M tritt, wie in FIG 3 und FIG 4 im Detail gezeigt, im Wesentlichen axial ein und verlässt den Diffusor 17 mit einer relativ großen Radialkomponente als Strömung M'. es sind jedoch auch Bauarten üblich, bei denen das Fluid den Diffusor in axialer Richtung verlässt (Axialdiffusor).

Bei einem Axialdiffusor tritt das oben erläuterte Problem einer Grenzschichtablösung vor allem im Bereich der Diffusornabe auf, d. h. an der Seite 19a des Diffusorgehäuses, die dem Rotor 3 benachbart ist. Im Falle eines Axialdiffusors ist demzufolge vor allem eine Injektion von Arbeitsfluid und eine Anbringung einer Injektionsöffnung im Bereich der Diffusornabe vorteilhaft.

Für die in FIG 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen eines Axial-Radial-Diffusors ist vor allem eine Injektion von Arbeitsfluid und eine Anbringung einer Injektionsöffnung 41 an einer stärker gekrümmten Seite des Diffusorgehäuses 19, also an einer dem Rotor 3 nicht benachbarten Seite 19b des Diffusorgehäuses 19, vorteilhaft.

Bei den in den FIG 1, 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen sind die Diffusorgehäuse 19 verrundet ausgeführt. Das oben vorgeschlagene Konzept eines Injektionsdiffusors erstreckt sich darüber hinaus auf beliebig ausgeführte, insbesondere eckig ausgeführte Gehäuse.

Der geometrisch mittlere Weg, den die Strömung M' zwischen Eingang 43 und Ausgang 45 zurücklegt, wird als Lauflänge 47 bezeichnet. Darüber hinaus ist eine Eintrittshöhe 49 im Wesentlichen durch eine Höhe eines Eintrittsringspaltes definiert. Bei FIG 1 ist sie etwas größer als die letzte Schaufelstufe. Das dimensionslose Baumaß des Diffusors 17 wird als Verhältnis von Lauflänge 47 zu Eintrittshöhe 49 definiert und liegt bei dieser Ausführungsform typischerweise zwischen 1.2 und 1.7, vorzugsweise etwa bei 1.5.

Für einen Diffusor 17 mit diesem Baumaß ist ein Öffnungsverhältnis - als Verhältnis von Austrittsfläche 51 zu Eintrittsfläche 50 - im Bereich von 1.2:1 bis 1.8:1 mit dem neuen Konzept ohne eine Grenzschichtablösung realisierbar.

Bei einem solchen Diffusor 17 würde es aber insbesondere an einer durch die Pfeilmarkierung 25 gekennzeichneten Stelle, insbesondere dort wo ein Öffnungsgradient des Diffusors besonders groß ist, ohne Injektion üblicherweise zu einer Grenzschichtablösung kommen. Dies wird bei der hier gezeigten und im Einzelnen bezüglich der FIG 3 und FIG 4 erläuterten Injektion eines Arbeitsfluids an der Stelle 25 in eine Grenzschicht 27 zwischen Gehäusebegrenzung und Diffusorströmung M' unterbunden.

Die FIG 2 zeigt einen Diffusor 18 gemäß dem Stand der Technik, bei dem mit der FIG 1 funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen wurden. Die Leitbeschaufelung 9 der Turbinenanlage 4 weist ein Schaufel-Leitungssystem 29 auf, das zur Aufnahme von Arbeitsfluid vor einem Eingang des Diffusors 18 vorgesehen ist, wobei gemäß dem Stand der Technik das Arbeitsmedium in einen Abdampfraum 31 eingeleitet wird und danach ohne Nutzen als Abdampf 33 in die Umgebung abgegeben wird. Diese Maßnahme dient der Absaugung von Wasseransammlungen auf den Bauteiloberflächen um so der Tropfenschlagerosion der Laufschaufeln 5 vorzubeugen.

Die in FIG 3 und FIG 4 gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsformen erlauben aufgrund des neuen Konzepts bei gegebenem Baumaß zwischen 1.2 und 1.7 die oben genannten Öffnungsverhältnisse sondern auch sehr viel größere, insbesondere eine Steigerung der Öffnungsverhältnisse um 10% bis 40%, vorzugsweise bis zu 3:1. Solch ein stark öffnender Diffusor lasst sich bei entsprechend verfügbarem Bauraum vor allem auch bei einer Kleingasturbine für einen Verdichterantrieb oder einer ähnlichen Anwendung realisieren.

Die in FIG 3 gezeigte besonders bevorzugte Ausführungsform eines Diffusors 17 für eine Turbinenanlage 1 der FIG 1 sieht dagegen vor, ein eingangsseitiges Ende der Zuführung 35 durch eine Aufnahmeöffnung 37 zur Aufnahme von Arbeitsfluid M zu bilden, wobei die Zuleitung 35 in Form eines Schaufel-Leitungssystems 29 und in Form eines Gehäusehohlraums 39 gebildet ist. Das ausgangsseitige Ende der Zuführung 35 ist in Form einer Injektionsöffnung 41 gebildet, über die das Arbeitsfluid M an der Stelle 25 in eine Grenzschicht 27 zwischen der durch das Gehäuse 19 gebildeten Gehäusebegrenzung und der Strömung M' injiziert wird. Im Vergleich zur FIG 2 ist der FIG 3 zu entnehmen, dass die Injektion des Arbeitsfluids M an der Stelle 25 dort erfolgt, wo üblicherweise eine Grenzschichtablösung stattgefunden hätte.

FIG 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich FIG 3. Bei der Ausführungsform der FIG 4 erfolgt die Absaugung des Dampfes oder des Wasser-Dampf-Gemisches durch eine Aufnahmeöffnung 38 in Form einer Öffnung des Innengehäuses. D.h. die Aufnahmeöffnung 38 ist an einer Gehäuseabsaugung der Turbinenanlage 1 angeordnet.

Die hier gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsformen sorgen für eine Erhöhung der Turbinenleistung bzw. des Wirkungsgrads der Turbinenanlage 1 der FIG 1 im Vergleich zu einer Turbinenanlage 4 mit einem herkömmlichen Diffusor 18 der FIG 2, bei gleichem Bauraum und gleichem Brennstoffeinsatz. Der Aufwand für die technische Umsetzung ist im Hinblick auf die Leistungssteigerung vergleichsweise gering. Somit ist eine effiziente Druckrückgewinnung bei der hier gezeigten Turbinenanlage 1 durch den Diffusor 17, insbesondere einem relativ stark öffnenden Diffusor mit einem Öffnungsverhältnis zwischen 1.2:1 und 1.8:1, vorteilhaft auch mit einem stark öffnenden Diffusor mit einem Öffnungsverhältnis über 1.8:1 gemäß dem oben erläuterten Konzept eines Injektionsdiffusors erreicht worden.

Zur Steigerung der Druckrückgewinnung wird bei einem Diffusor 17 mit einem Gehäuse 19, das sich in axialer Richtung 21 entlang einer Strömung M' von Arbeitsfluid erstreckt, wobei das Gehäuse 19 zur Aufweitung der Strömung M' einen sich in axialer Richtung 21 aufweitenden Diffusorkanal 15 umfänglich begrenzt, und eine Injektionsöffnung 41 aufweist, die zur Injektion eines Fluids in den Diffusorkanal 15 vorgesehen ist. Gemäß dem neuen Konzept ist vorgeschlagen, dass die Injektionsöffnung 41 zur Injektion von Arbeitsfluid ein ausgangsseitiges Ende einer Zuführung 35 für das Arbeitsfluid bildet. Dieses Konzept führt auf eine Turbinenanlage 1 mit einem solchen Diffusor 17 und ein entsprechendes Verfahren zur Druckrückgewinnung bei einer Turbinenanlage 1.

Claims

Diffusor (17) mit einem Gehäuse (19), das sich in axialer Richtung (21) entlang einer Strömung (M') von Arbeitsfluid erstreckt, wobei das Gehäuse (19) zur Aufweitung der Strömung (M') einen sich in axialer Richtung (11) aufweitenden Diffusorkanal (15) umfänglich begrenzt, und das eine Injektionsöffnung (41) aufweist, die zur Injektion eines Fluids in den Diffusorkanal (15) vorgesehen ist
dadurch gekennzeichnet, dass
die Injektionsöffnung (41) zur Injektion von Arbeitsfluid ein ausgangsseitiges Ende einer Zuführung (35) für Arbeitsfluid bildet.
Diffusor (17) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein eingangsseitiges Ende der Zuführung (35) durch eine Aufnahmeöffnung (37) zur Aufnahme von Arbeitsfluid gebildet ist, wobei die Zuführung in Form eines Schaufel-Leitungssystems gebildet ist.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein eingangsseitiges Ende der Zuführung (35) durch eine Aufnahmeöffnung (37, 38) zur Aufnahme von Arbeitsfluid gebildet ist, wobei die Zuführung (35) in Form eines Gehäusehohlraums gebildet ist.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahmeöffnung (37, 38) zur Aufnahme von Arbeitsfluid vor einem Eingang des Diffusors angeordnet ist.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (19) einen von einer Strömung von Arbeitsfluid durchsetzbaren Eingang (43) und Ausgang (45) aufweist, wobei ein Eingang (43) des Diffusors (17) eine Eintrittsfläche (50) und ein Ausgang (45) des Diffusors eine Austrittsfläche (51) aufweist, und das Verhältnis zwischen Austrittsfläche zur Eintrittsfläche zwischen 1.2:1 und 1.8:1 liegt.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Injektionsöffnung (41) in Richtung einer von der Strömung (M') abweichenden Richtung orientiert ist.
Diffusor (17) nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Injektionsöffnung (41) näher am Ausgang (45) angeordnet ist, als am Eingang (43).
Turbinenanlage (1)
mit einer Turbine (2), die einen sich entlang einer Achse (21) erstreckenden Schaufelkanal (13) mit ringförmigem Querschnitt zur Beaufschlagung mit einer Strömung (M) von Arbeitsfluid und mit einer Anzahl von an einem Rotor (3) angebrachten sich radial in den Schaufelkanal (13) erstreckende Turbinenschaufeln (5, 9) aufweist, und
mit einem ausgangsseitig hinter der Turbine (2) angeordneten Diffusor (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Turbinenanlage (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahmeöffnung (38) zur Aufnahme von Arbeitsfluid vor einem Eingang des Diffusors (17) vorgesehen ist und dabei an einer Gehäuseabsaugung der Turbine (2) angeordnet ist.
Turbinenanlage (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahmeöffnung (37) zur Aufnahme von Arbeitsfluid aus der Strömung (M, M') und vor einem Eingang (43) des Diffusors (17) vorgesehen ist und dabei an einer Turbinenschaufel (5, 9) der Turbine (2) angeordnet ist.
Verfahren zur Druckrückgewinnung bei einer Turbinenanlage (1) mit einer Turbine (2),
die einen sich entlang einer Achse (21) erstreckenden Schaufelkanal (13) zur Beaufschlagung mit einer Strömung (M) von Arbeitsfluid und eine Anzahl von Turbinenschaufeln (5, 9) aufweist, und mit einem Diffusor (17),
der ein Gehäuse (19) aufweist, das einen Diffusorkanal (15) umfänglich begrenzt,
bei welchem Verfahren
ein Fluid in den Diffusorkanal (15) injiziert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Fluid das Arbeitsfluid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid dem Schaufelkanal (13) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid dem Schaufelkanal (13) über eine Turbinenschaufel entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid dem Schaufelkanal (13) über eine Gehäuseabsaugung entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid in Form von Nassdampf entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid in Form von Heißdampf entnommen wird.