EP2140112A1 - Diffusoranordnung - Google Patents

Diffusoranordnung

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EP2140112A1
EP2140112A1 EP08717072A EP08717072A EP2140112A1 EP 2140112 A1 EP2140112 A1 EP 2140112A1 EP 08717072 A EP08717072 A EP 08717072A EP 08717072 A EP08717072 A EP 08717072A EP 2140112 A1 EP2140112 A1 EP 2140112A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffuser
flow
outer diffuser
section
cross
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08717072A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Becker
Marc Bröker
Ralf Hoffacker
Mario Koebe
Stefan MÄHLMANN
Ulrich Stanka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP08717072A priority Critical patent/EP2140112A1/de
Publication of EP2140112A1 publication Critical patent/EP2140112A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F05D2250/32—Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/323—Arrangement of components according to their shape convergent

Definitions

  • the invention relates to a diffuser arrangement and more particularly to an exhaust steam room of a steam turbine or an exhaust gas space of a gas turbine with the diffuser arrangement.
  • a diffuser is a fluid-permeable channel which delays the fluid in a transfer-free flow through cross-sectional widening and according to Bernoulli's theorem reduces the kinetic pressure of the fluid in favor of the static pressure.
  • the quality of the diffuser is described by the pressure recovery coefficient associated with
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of an axially symmetrical diffuser 101 and schematically illustrates the flow typically occurring therein.
  • the diffuser 101 has an inlet cross section 102 and an outlet cross section 103, whose area ratio is greater than one. Upstream of the diffuser 101, a cylindrical inflow pipe is arranged, through which an inflow 108 flows, and downstream of the diffuser 101 a cylindrical outflow pipe is arranged, through which an outflow 109 flows.
  • the flow velocity of the near-wall flow decreases. After overcoming a certain flow path, the gradient of the flow velocity across and against the diffuser wall is zero. This location is a separation point 105 of the flow shown in the boundary layer profile 113.
  • the flow moves away from the diffuser wall toward the center of the diffuser 101, forming a return flow downstream of the separation point 105 near the wall forming a detachment bladder 106.
  • the detachment bladder 106 causes a constriction of the effective cross-section of the diffuser 101, so that the main flow in the region of the detachment bladder 106 is accelerated. As a result, the kinetic energy increases in the main flow and the flow settles in the outlet pipe at a restart point 107 again.
  • the degree of opening of the diffuser 101 shown in FIG. 4 decisively determines the shape and size of the peel-off bladder 106 and the location of the detachment point 105 and the optionally occurring reapplication point 107. The higher the degree of opening of the diffuser 101, the further upstream the detachment point 105 is.
  • the peel bladder 106 reduces the pressure recovery effect of the diffuser 101 compared to a diffuser in which the flow is fully applied.
  • Diffuser sheet coated leaves are connected blade-tip side by a ring.
  • a ring of vanes is arranged such that it widens the stream of air flowing from the blade wheel while maintaining the edge flow guided by the diffuser plate.
  • this is achieved in particular by the fact that the ring has a corresponding cross-sectional shape, which also favors the course of the entrained stream threads and blows them out at a higher speed.
  • a pipe arranged parallel to the diffuser wall is known, which extends along the flow direction. Due to the diverging cross section of the diffuser and the parallel, correspondingly diverging tube, the flow cross-section of the annular channel formed between the diffuser wall and the tube increases, so that the medium flowing in the annular channel is delayed.
  • a steam turbine or a gas turbine is driven at partial, basic and overload.
  • its individual components can be For example, be optimized in terms of efficiency or aerodynamic or thermodynamic efficiency optimized only in a single operating point geometrically. As a result, in other operating points that are not identical to the design operating point, the components can not operate optimally.
  • This situation also applies to an exhaust steam room of the steam turbine or an exhaust space of the gas turbine.
  • the exhaust steam space or the exhaust gas space is conventionally designed as an axial diffuser.
  • the axial diffuser is optimally designed geometrically with regard to the base load so that the axial diffuser can not be optimally operated with partial and overload.
  • the mass flow of the flow flowing through the axial diffuser is smaller in the partial load range than in the base load range, as a result of which the mean flow velocity in the axial diffuser is higher in the base load range than in the partial load range.
  • the flow in the axial diffuser in the partial load range is more prone to detachment than the flow which occurs at the base load in the axial diffuser.
  • a remedy here could be to reduce the opening degree of the axial diffuser, as this slows down the flow less and thus tends less to detach. However, this lengthens the overall length of the axial diffuser, which adversely increases the overall length of the steam turbine or gas turbine.
  • the object of the invention is to provide a diffuser arrangement whose pressure recovery is high and whose overall length is small.
  • Fluid can flow through the diffuser arrangement according to the invention and has an outer diffuser having an inner surface and a flow acceleration device which is set up in such a way that at least part of the boundary layer flow forming on the inner surface of the outer diffuser can be accelerated in the main flow direction, so that a flow separation at the Inner surface of the outer diffuser is prevented.
  • the fluid flows through the outer diffuser, it is delayed in the main flow direction, whereby the boundary layer flow which forms on the inner surface of the outer diffuser tends in principle to detach.
  • the detachment would come from a place where the kinetic energy of the flow is zero.
  • the flow acceleration device By means of the flow acceleration device according to the invention, at least part of the wall-near flow is accelerated, so that the kinetic energy of the wall-near flow is increased. Thereby, it is prevented that the kinetic energy of the near-wall flow is zero at any location, whereby a flow separation is prevented on the inner surface of the outer diffuser.
  • the diffuser assembly has a high pressure recovery.
  • the outer diffuser of the diffuser assembly may have a large degree of opening without flow separation occurring therein. As a result, the outer diffuser and thus the diffuser arrangement has a smaller overall length.
  • the flow acceleration device has a flow guide which extends inside the outer diffuser and with its outer surface facing the inner surface of the outer diffuser and a section of the inner surface of the outer diffuser forms a nozzle channel through which the part of the boundary layer flow can flow.
  • the flow accelerating means is constituted by the nozzle passage defined by the flow guide in cooperation with the inner wall of the outer diffuser. It is thereby achieved that immediately adjacent to the inner surface of the outer diffuser the wall-near flow, i. just the flow rate with otherwise low kinetic energy, is accelerated. This effectively prevents separation in the diffuser arrangement.
  • the flow guiding device with its inner surface facing away from the outer surface, form an inner diffuser, through which the fluid flow can be flowed and thereby retarded in the main flow direction.
  • the flow guiding device in addition to the nozzle effect in the outer region, also has a diffuser effect in the inner region, so that the flow through the diffuser arrangement is greatly delayed. This ensures that the pressure recovery of the diffuser assembly according to the invention is high.
  • the extent of the flow guide in the main flow direction is in the range of 5% to 40% of the extent in the main flow direction of the outer end fender.
  • the flow-guiding device is arranged completely within the outer diffuser and can be placed exactly at that region on the inner wall of the outer diffuser, at which a detachment of the fluid flow is to be expected.
  • the flow-directing device can be arranged in a targeted manner to a detachment-prone area, whereby an effective prevention of flow separation is achieved and yet the disturbance of the main flow through the flow-guiding device is low.
  • the outer diffuser and the flow guide are formed axially symmetrical and are arranged concentrically about a common axis of symmetry.
  • the nozzle channel is formed as an annular channel.
  • the diffuser assembly advantageously results as an array of multiple diffusers and a nozzle.
  • This arrangement is formed by a series connection of the three diffusers, namely the area of the outer diffuser upstream of the flow guide, the inner diffuser of the flow guide and the area of the outer diffuser downstream of the flow guide, and a parallel connection of the nozzle channel with the inner diffuser of the flow guide.
  • the flow guide is designed as a straight baffle.
  • the guide plate is advantageously producible at low cost.
  • the flow guide is aerodynamically profiled. As a result, the flow guide has a low flow resistance.
  • the flow-guiding device is arranged in the range from 80% to 100% of the channel height (radius) of the outer diffuser.
  • the flow-guiding device is advantageously effective in the near-wall flow and thereby placed aerodynamically effective.
  • the flow-guiding device is preferably arranged in the region of the inlet cross-section of the outer diffuser.
  • the inlet flow into the outer diffuser of the flow guiding device to already have an accelerated flow in the boundary layer region, which thus does not tend to detach in the course along the inner surface of the outer diffuser.
  • the flow-guiding device is mounted pivotably relative to the main flow.
  • An exhaust steam space of a steam turbine or an exhaust space of a gas turbine preferably has the diffuser arrangement according to the invention.
  • the flow acceleration device is arranged on the inner surface of the outer diffuser in the region of its inlet.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the diffuser arrangement
  • Fig. 3 is a longitudinal section through a third embodiment of the diffuser assembly
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of a diffuser with a schematic representation of the flow conditions.
  • a diffuser arrangement 1 has an outer diffuser 2, which is designed to be rotationally symmetrical about its axis of symmetry 3.
  • an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2 In a plane perpendicular to the axis of symmetry 3 is an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2, through which an inflow 5 flows into the outer diffuser 2, and in another plane perpendicular to the symmetry axis 3 of the outer diffuser 2 is its outlet cross-section 6, from which an outflow 7 from the
  • the outer diffuser 2 is designed as a straight diffuser, i. the inner surface 8 of the outer diffuser 2 forms a truncated cone, the cross-sectional area at the inlet cross-section 4 being smaller than the cross-sectional area at the outlet cross-section 6.
  • the flow guide 9 is formed as an elongated in longitudinal section guide plate, which is rotationally symmetrical about the axis of symmetry of the 3 Exterior diffuser 2 arranged concentric with the
  • Outer diffuser 2 limits a frusto-conical annular channel, which tapers in the flow direction.
  • the flow guide 9 has on its outer periphery an outer surface 10 which is inclined relative to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 such that the annular space cross-section in a plane perpendicular to the symmetry axis 3, which is formed between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, in the flow direction downsized.
  • the outer surface 10 of the flow guide 9 cooperates with an opposite portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 8 such that the annular channel which lies between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, a nozzle channel 11 is formed.
  • the portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 2, which faces the outer surface 10 of the flow guiding device 9, is an inner surface 12 of the nozzle channel 11.
  • the flow guide 9 Upstream, the flow guide 9 is bounded by its front edge 13 and downstream of its trailing edge 14. In the region of the front edge 13 of the flow guide 9 to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is an inlet cross section 15 of the nozzle channel 11 and in the region of the trailing edge 14 of the flow guide 9 to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is the outlet cross section 16 of the nozzle channel 11, wherein the cross-sectional area of the inlet cross-section 15 is greater than the cross-sectional area of the outlet cross-section 16.
  • the front edge 13 of the flow guide 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an inlet cross section 19 of the inner diffuser 18 and the trailing edge 14 of the flow Conducting device 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an outlet cross section 20 of the inner diffuser 18, wherein the inlet cross section 19 is smaller than the outlet cross section 20.
  • the aerodynamic efficiency of the flow guide 9 can be seen.
  • the flow guide 9 is formed as a profiled annular guide plate.
  • FIG. 2 shows flow lines 21 in the region of the flow-guiding device 9 and a velocity profile 22 upstream of the flow-guiding device 9, a velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow-guiding device 9 and a velocity profile 24 downstream of the flow-guiding device 9 shown.
  • the streamlines 21 have a convergent course in the main flow direction, as a result of which the flow acceleration caused by the flow-guiding device 9 is indicated.
  • the wall normal velocity gradient on the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is flatter at the velocity profile upstream of the flow guide 9 than at the velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow guide 9, which is shallower than the wall normal velocity gradient of the velocity profile 24 downstream of the flow device 9.
  • the flow which is conducted by the flow-guiding device 9 through the nozzle channel 11 is accelerated (energized).
  • the flow guide 9 locally increases the velocity of the flow in the vicinity of the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
  • high-energy flow material from the core flow is directed toward the inner surface 12 of the outer diffuser 2 and thus the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 supplied.
  • this energy tion can overcome the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 larger positive pressure gradient in the main flow direction without detaching from the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
  • the outer diffuser 2 reacts more benignly against premature detachment.
  • a high pressure recovery of the outer diffuser 2 is achieved.
  • FIG. 3 shows an exhaust gas space of a gas turbine, which is designed as the outer diffuser 2.
  • the outer diffuser 2 is arranged downstream of a turbine rotor 25 and continues the outflow emerging from the turbine rotor 25 from the inlet cross section 4 of the outer diffuser 2 to the outlet cross section 6 of the outer diffuser 2 under pressure recovery.
  • the turbine rotor 25 has a turbine rotor hub 26, which is continued by a cylindricalfactendiffusornabe 27 with the turbine rotor hub 26.
  • the turbine rotor 25 has a multiplicity of turbine rotor blades 28 which have a blade tip 29 at their radial outer ends.
  • the turbine rotor 25 is surrounded by a turbine housing 30.
  • the turbine rotor 25 rotates about its axis of rotation (not shown) while the turbine housing 30 remains stationary. Therefore, a gap 31 is provided between the turbine rotor blade tip 29 and the turbine housing 30 so that the turbine rotor blade tip 29 does not touch the turbine housing 30 during operation of the turbine rotor 25.

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Abstract

Eine von Fluiddurchströmbare Diffusoranordnung (1) weist einen eine Innenoberfläche aufweisenden Außendiffusor (2) und eine Strömungsbeschleunigungseinrichtung (9) auf, die derart eingerichtet ist, dass wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche des Außendiffusors (8) sich ausbildenden Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist, so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors (8) unterbunden ist. Ferner weist ein Abdampfraum einer Dampfturbine oder ein Abdampfraum einer Gasturbine die Diffusoranordnung auf.

Description

Beschreibung
Diffusoranordnung
Die Erfindung betrifft eine Diffusoranordnung und insbesondere einen Abdampfraum einer Dampfturbine oder einen Abgasraum einer Gasturbine mit der Diffusoranordnung.
Ein Diffusor ist ein von Fluid durchströmbarer Kanal, der bei ablösefreier Durchströmung durch Querschnittserweiterung das Fluid verzögert und gemäß dem Satz von Bernoulli den kinetischen Druck des Fluids zugunsten des statischen Drucks reduziert .
Die Qualität des Diffusors wird durch den Druckrückgewinnungskoeffizienten beschrieben, der mit
Cp = ( Paus ~~ Pein ) / ( Ptotal , ein ~~ Pein )
und dem Gesamt- bzw. Totaldruck Ptotai,em, dem statischen Druck Pein am Diffusoreintritt und dem statischen Druck paus am Dif- fusoraustritt definiert ist.
Beispielsweise werden Diffusoren in Rohrleitungen zur Druckrückgewinnung oder zur stetigen Überbrückung von Querschnittserweiterungen (Übergangsdiffusor) verwendet. Bei Rohrleitungen mit kreisförmigem Querschnitt sind die Diffusoren axialsymmetrisch ausgebildet. In Fig. 4 ist ein Längs- schnitt eines axialsymmetrischen Diffusors 101 gezeigt und schematisch die darin typisch auftretende Strömung dargestellt. Der Diffusor 101 hat einen Eintrittsquerschnitt 102 und einen Austrittsquerschnitt 103, deren Flächenverhältnis größer eins ist. Stromauf des Diffusors 101 ist ein zylind- risches Zuströmrohr angeordnet, durch das eine Zuströmung 108 strömt, und stromab des Diffusors 101 ist ein zylindrisches Abströmrohr angeordnet, durch das eine Abströmung 109 strömt. Aufgrund der Haftung des Fluids an der Diffusorwand bildet sich in der wandnahen Strömung eine Grenzschicht aus. In der unteren Hälfte des in Fig. 4 gezeigten Diffusors 101 sind entlang der Hauptströmungsrichtung fünf charakteristische Ge- schwindigkeitsprofile 110 bis 114 gezeigt, wobei die ersten beiden Geschwindigkeitsprofile 110, 111 die wandnahe Strömung im Zuströmrohr und die stromauf folgenden drei Geschwindigkeitsprofile 112 bis 114 die wandnahe Strömung in dem Diffu- sor 101 zeigen.
Da die Strömung in dem Diffusor 101 verzögert wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung in Strömungsrichtung ab, wodurch unter Erfüllung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik der statische Druck der Strömung in Strömungs- richtung entsprechend zunimmt. Gemäß der Prandtl' sehen Grenzschichttheorie ist der statische Druck in der Grenzschicht quer zur Strömungsrichtung konstant.
Aufgrund der Verzögerungswirkung des Diffusors 101 und der Haftbedingung an der Diffusorwand nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der wandnahen Strömung ab. Nach Überwinden eines bestimmten Strömungswegs ist der Gradient der Strömungsgeschwindigkeit quer zur und an der Diffusorwand Null. Diese Stelle ist ein Ablösepunkt 105 der Strömung, der in dem Grenzschichtprofil 113 gezeigt ist.
Im Ablösepunkt 105 bewegt sich die Strömung von der Diffusorwand weg hin zur Mitte des Diffusors 101, wobei sich stromab des Ablösepunkts 105 in Wandnähe eine Rückströmung ausbildet, die eine Ablöseblase 106 formt. Die Ablöseblase 106 bewirkt eine Verengung des effektiv durchströmten Querschnitts des Diffusors 101, so dass die Hauptströmung im Bereich der Ablöseblase 106 beschleunigt wird. Dadurch erhöht sich in der Hauptströmung die kinetische Energie und die Strömung legt sich in dem Austrittsrohr an einem Wiederanlegepunkt 107 wieder an. Der Öffnungsgrad des in FIG 4 gezeigten Diffusors 101 bestimmt maßgeblich die Form und die Größe der Ablöseblase 106 und die Lage des Ablösepunkts 105 und des gegebenenfalls auftretenden Wiederanlegepunkts 107. Je höher der Öffnungsgrad des Diffusors 101 ist, umso weiter stromauf liegt der Ablösepunkt 105.
Aufgrund der Verengung des effektiven Querschnitts des Diffusors 101 reduziert die Ablöseblase 106 die Druckrückgewin- nungswirkung des Diffusors 101 verglichen mit einem Diffusor, in dem die Strömung vollständig anliegt.
Um eine laminare Grenzschichtströmung in einem Diffusor zu erzeugen, ist aus der Offenlegungsschrift DE 1 628 337 ein an einer Nabe sitzendes Schaufelrad bekannt, dessen von einem
Diffusorblech umkleidete Blätter blattspitzseitig durch einen Ring verbunden sind. Auf dem Ring ist ein Kranz von Leitschaufeln angeordnet, derartig, dass diese die vom Schaufelrad abströmende Strahlströmung bei Aufrechterhaltung der vom Diffusorblech geführten Randströmung aufweitet. Neben den Leitschaufeln wird dies insbesondere dadurch erreicht, dass der Ring eine entsprechende Querschnittform aufweist, welche zudem den Verlauf der mitgerissenen Stromfäden begünstigt und diese mit höherer Geschwindigkeit ausbläst.
Ferner ist zur Vermeidung von Strömungsablösungen in einem Diffusor aus der JP 08 260905 ein zur Diffusorwand parallel angeordnetes Rohr bekannt, welches sich entlang der Strömungsrichtung erstreckt. Aufgrund des divergierenden Querschnitts des Diffusor und des dazu parallelen, korrespondierend divergierenden Rohres vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des zwischen Diffusorwand und dem Rohr gebildeten Ringkanals, sodass das im Ringkanal strömende Medium verzögert wird.
Eine Dampfturbine oder eine Gasturbine wird bei Teil-, Grund und Überlast gefahren. Bei der Konstruktion und Auslegung der Dampf- oder Gasturbine können deren einzelne Komponenten bei- spielsweise hinsichtlich Wirkungsgrad oder aerodynamische bzw. thermodynamische Wirksamkeit nur in einem einzigen Betriebspunkt optimiert geometrisch ausgelegt werden. Dies hat zur Folge, dass in anderen Betriebspunkten, die nicht iden- tisch mit dem Auslegungsbetriebspunkt sind, die Komponenten nicht optimal arbeiten können.
Dieser Umstand trifft auch für einen Abdampfraum der Dampfturbine oder einen Abgasraum der Gasturbine zu. Der Abdampf- räum oder der Abgasraum ist herkömmlich als ein Axialdiffusor ausgeführt .
In der Regel wird der Axialdiffusor hinsichtlich der Grundlast optimiert geometrisch ausgelegt, so dass bei Teil- und Überlast der Axialdiffusor nicht optimal betrieben werden kann .
Am Eintritt des Axialdiffusors liegt bei optimalem Design ein niedrigerer statischer Druck als am Austritt vor. Durch die Absenkung des Drucks am Diffusoreintritt, der zugleich den Austritt der Beschaufelung darstellt, wird der letzte Laufschaufelkranz zu einer höheren Leistungsabgabe gebracht.
Der Massenstrom der den Axialdiffusor durchströmenden Strö- mung ist im Teillastbereich kleiner als im Grundlastbereich, wodurch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Axialdiffu- sor im Grundlastbereich höher ist als im Teillastbereich. Dadurch neigt die Strömung im Axialdiffusor im Teillastbereich stärker zur Ablösung als die Strömung, die bei Grund- last im Axialdiffusor auftritt.
Somit ist der Druckrückgewinn im Axialdiffusor bei Teillast verglichen mit der Druckrückgewinnung bei Grundlast geringer. Dies hat zur Folge, dass bei Teillast die Turbinenleistung erniedrigt ist, verglichen mit der Turbinenleistung bei
Grundlast. Der Einfluss einer Verbesserung im Druckrückgewinn eines Gasturbinendiffusors von cp=0,l wurde von Farohki zu 0,8% der abgegebenen Turbinenleistung abgeschätzt. Dieser Zu- sammenhang ist analog für axial abströmende Dampfturbinen zutreffend.
Abhilfe könnte hier eine Reduktion des Öffnungsgrads des Axi- aldiffusors schaffen, da dadurch die Strömung weniger stark verzögert wird und somit weniger stark zur Ablösung neigt. Jedoch verlängert sich dadurch die Baulänge des Axialdiffu- sors, wodurch sich die gesamte Baulänge der Dampf- bzw. Gasturbine nachteilig vergrößert.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Diffusoranordnung zu schaffen, deren Druckrückgewinnung hoch und deren Baulänge klein ist .
Die erfindungsgemäße Diffusoranordnung ist von Fluid durchströmbar und weist einen eine Innenoberfläche aufweisenden Außendiffusor und eine Strömungsbeschleunigungseinrichtung auf, die derart eingerichtet ist, dass wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche des Außendiffusors sich ausbilden- den Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist, so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors unterbunden ist.
Strömt das Fluid durch den Außendiffusor, so wird es in Hauptströmungsrichtung verzögert, wodurch die an der Innenoberfläche des Außendiffuors sich ausbildende Grenzschichtströmung prinzipiell zu einer Ablösung neigt. Die Ablösung würde von einem Ort ausgehen, an dem die kinetische Energie der Strömung Null ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Strömungsbeschleunigungsein- richtung wird wenigstens ein Teil der wandnahen Strömung beschleunigt, so dass die kinetische Energie der wandnahen Strömung erhöht ist. Dadurch ist es unterbunden, dass die kinetische Energie der wandnahen Strömung an keinem Ort Null ist, wodurch eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors unterbunden ist. Somit hat die Diffusoranordnung einen hohen Druckrückgewinn. Ferner kann der Außendiffusor der Diffusoranordnung einen großen Öffnungsgrad aufweisen, ohne dass in ihm eine Strömungsablösung auftritt. Dadurch hat der Außendiffusor und somit die Diffusoranordnung eine kleinere Baulänge.
Die Strömungsbeschleunigungseinrichtung weist eine Strömungsleiteinrichtung auf, die sich innerhalb des Außen- diffusors erstreckt und mit ihrer der Innenoberfläche des Außendiffusors zugewandten Außenoberfläche und einem Abschnitt der Innenoberfläche des Außendiffuors einen Düsenkanal ausbildet, durch den der Teil der Grenzschichtströmung strömbar ist.
Somit wird die Strömungsbeschleunigungseinrichtung von dem Düsenkanal gebildet, der von der Strömungsleiteinrichtung unter Zusammenwirken mit der Innenwand des Außendiffusors definiert ist. Dadurch wird erreicht, dass unmittelbar an der Innenoberfläche des Außendiffusors die wandnahe Strömung, d.h. gerade der Strömungsanteil mit sonst niedriger kinetischer Energie, beschleunigt wird. Dadurch wird effektiv eine Ablösung in der Diffusoranordnung unterbunden.
Es ist bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung mit ihrer der Außenoberfläche abgewandten Innenoberfläche einen Innen- diffusor ausbildet, durch den die Fluidströmung strömbar und dabei in Hauptströmungsrichtung verzögerbar ist.
Somit hat neben der Düsenwirkung im Außenbereich die Strö- mungsleiteinrichtung auch eine Diffusorwirkung im Innenbereich, so dass die Strömung durch die Diffusoranordung stark verzögert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Druckrückgewinnung der erfindungsgemäßen Diffusoranordnung hoch ist.
Ferner ist bevorzugt, dass die Erstreckung der Strömungsleiteinrichtung in Hauptströmungsrichtung im Bereich von 5 % bis 40 % der Erstreckung in Hauptströmungsrichtung des Außendif- fusors liegt. Dadurch ist die Strömungsleiteinrichtung vollständig innerhalb des Außendiffusors angeordnet und kann genau an jenem Bereich an der Innenwand des Außendiffusors platziert werden, an dem eine Ablösung der Fluidströmung zu erwarten ist. Somit kann die Strömungsleiteinrichtung gezielt an einen ablösegefährdeten Bereich angeordnet werden, wodurch eine effektive Unterbindung von Strömungsablösung erzielt ist und dennoch die Störung der Hauptströmung durch die Strömungsleiteinrich- tung gering ist.
Es ist bevorzugt, dass der Außendiffusor und die Strömungsleiteinrichtung axialsymmetrisch ausgebildet sind und um eine gemeinsame Symmetrieachse konzentrisch angeordnet sind.
Ferner ist bevorzugt, dass der Düsenkanal als ein Ringkanal ausgebildet ist.
Hieraus ergibt sich die Diffusoranordnung vorteilhaft als eine Anordnung von mehreren Diffusoren und einer Düse. Diese Anordnung ist gebildet von einer Hintereinanderschaltung von den drei Diffusoren, nämlich den Bereich des Außendiffusors stromauf der Strömungsleiteinrichtung, den Innendiffusor der Strömungsleiteinrichtung und den Bereich des Außendiffusors stromab der Strömungsleiteinrichtung, und einer Parallelschaltung des Düsenkanals mit dem Innendiffusor der Strömungsleiteinrichtung. Dadurch ist eine kompakte, einfache und effektiv wirkende Unterteilung des Außendiffusors erreicht, wobei die Diffusoranordnung eine kompakte Bauweise hat.
Bevorzugt ist die Strömungsleiteinrichtung als ein gerades Leitblech ausgebildet.
Dadurch ist vorteilhaft das Leitblech kostengünstig herstell- bar.
Alternativ dazu ist es bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung aerodynamisch profiliert ist. Dadurch hat die Strömungsleiteinrichtung einen niedrigen Strömungswiderstand.
Ferner ist bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung im Bereich von 80 % bis 100 % der Kanalhöhe (Radius) des Außen- diffusors angeordnet ist.
Dadurch ist vorteilhaft die Strömungsleiteinrichtung in der wandnahen Strömung wirksam und dadurch aerodynamisch effektiv platziert .
Ferner ist die Strömungsleiteinrichtung bevorzugt im Bereich des Eintrittsquerschnitts des Außendiffusors angeordnet.
Dadurch ist es vorteilhaft ermöglicht, dass die Eintrittsströmung in den Außendiffusor von der Strömungsleiteinrichtung bereits im Grenzschichtbereich eine beschleunigte Strömung aufweist, die im Verlauf entlang der Innenoberfläche des Außendiffusors somit nicht zur Ablösung neigt.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung relativ zur Hauptströmung verschwenkbar gelagert ist.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die Strömungsleiteinrichtung bezogen auf die jeweiligen Strömungsverhältnisse innerhalb des Außendiffusors individuell durch Verschwenken derart verstellt werden kann, dass die Strömungsleiteinrichtung aerodynamisch effektiv ist.
Bevorzugt weist ein Abdampfraum einer Dampfturbine bzw. ein Abgasraum einer Gasturbine die erfindungsgemäße Diffusor- anordnung auf.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Strömungsbeschleunigungs- einrichtung an der Innenoberfläche des Außendiffusors im Bereich seines Eintritts angeordnet ist. Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Diffusoranordnung an Hand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung und
Fig. 4 einen Längsschnitt eines Diffusors mit schemati- scher Darstellung der Strömungsverhältnisse.
Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine Diffusoranordnung 1 einen Außendiffusor 2 auf, der um seine Symmetrieachse 3 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. In einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 liegt ein Eintrittsquerschnitt 4 des Außendiffusors 2, durch den eine Zuströmung 5 in den Außendiffusor 2 einströmt, und in einer anderen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 des Außendiffusors 2 liegt sein Austrittsquerschnitt 6, aus dem eine Abströmung 7 aus dem
Außendiffusor 2 austritt. Den Innenraum des Außendiffusors 2 begrenzend weist dieser eine Innenoberfläche 8 auf.
Der Außendiffusor 2 ist als gerader Diffusor ausgebildet, d.h. die Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 bildet einen Kegelstumpf, wobei die Querschnittsfläche am Eintrittsquerschnitt 4 kleiner ist als die Querschnittsfläche am Austrittsquerschnitt 6.
Im Inneren des Außendiffusors 2 ist eine Strömungsleiteinrichtung 9 angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung 9 ist als ein im Längsschnitt längliches Leitblech ausgebildet, das rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 3 des Außendiffusors 2 angeordnet konzentrisch mit dem
Außendiffusor 2 einen kegelstumpfförmigen Ringkanal begrenzt, welcher sich in Strömungsrichtung verjüngt.
Die Strömungsleiteinrichtung 9 weist an ihrem Außenumfang eine Außenoberfläche 10 auf, die bezogen auf die Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 derart geneigt ist, dass der Ringraumquerschnitt in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3, der zwischen der Strömungsleiteinrichtung 9 und dem Außendiffusor 2 ausgebildet ist, in Strömungsrichtung sich verkleinert .
D.h., die Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 wirkt mit einem ihr gegenüberliegenden Abschnitt der Innen- Oberfläche 8 des Außendiffusors 8 derart zusammen, dass der Ringkanal, der zwischen der Strömungsleiteinrichtung 9 und dem Außendiffusor 2 liegt, einen Düsenkanal 11 bildet. Somit ist der Abschnitt der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2, der der Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 zu- gewandt ist, eine Innenoberfläche 12 des Düsenkanals 11.
Stromauf wird die Strömungsleiteinrichtung 9 von ihrer Vorderkante 13 und stromab von ihrer Hinterkante 14 begrenzt. Im Bereich von der Vorderkante 13 der Strömungsleiteinrichtung 9 bis zur Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 befindet sich ein Eintrittsquerschnitt 15 des Düsenkanals 11 und im Bereich der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9 bis zur Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 befindet sich der Austrittsquerschnitt 16 des Düsenkanals 11, wobei die Quer- schnittsfläche des Eintrittsquerschnitts 15 größer ist als die Querschnittsfläche des Austrittsquerschnitts 16.
Der Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 abgewandt weist diese eine Innenoberfläche 17 auf, die einen Innendiffusor 18 bildet. Die Vorderkante 13 der Strömungsleiteinrichtung 9 ist in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 angeordnet und bildet einen Eintrittsquerschnitt 19 des Innendiffusors 18 und die Hinterkante 14 der Strömungs- leiteinrichtung 9 ist in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 angeordnet und bildet einen Austrittsquerschnitt 20 des Innendiffusors 18, wobei der Eintrittsquerschnitt 19 kleiner ist als der Austrittsquerschnitt 20 ist.
Aus Fig.2 ist die aerodynamische Wirksamkeit der Strömungsleiteinrichtung 9 ersichtlich. Gemäß Fig. 2 ist die Strömungsleiteinrichtung 9 als ein profiliertes Ringleitblech ausgebildet .
Zur Darstellung der Strömungsverhältnisse in der Diffusor- anordnung 1 sind in Fig. 2 Stromlinien 21 im Bereich der Strömungsleiteinrichtung 9 eingezeichnet und ein Geschwindigkeitsprofil 22 stromauf der Strömungsleiteinrichtung 9, ein Geschwindigkeitsprofil 23 an der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9 sowie ein Geschwindigkeitsprofil 24 stromab der Strömungsleiteinrichtung 9 gezeigt.
Die Stromlinien 21 weisen in Hauptströmungsrichtung einen konvergierenden Verlauf auf, wodurch die Strömungsbeschleunigung hervorgerufen durch die Strömungsleiteinrichtung 9 anzeigt ist. Der wandnormale Geschwindigkeitsgradient an der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 ist bei dem Geschwindigkeitsprofil stromauf 22 der Strömungsleiteinrichtung 9 flacher als bei dem Geschwindigkeitsprofil 23 an der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9, das flacher ist als der wandnormale Geschwindigkeitsgradient des Geschwindigkeitsprofils 24 stromab der Strömungseinrichtung 9.
Dadurch ist gezeigt, dass die Strömung, die von der Strömungsleiteinrichtung 9 durch den Düsenkanal 11 geleitet wird, beschleunigt (energetisiert) wird. Somit erhöht die Strömungsleiteinrichtung 9 lokal die Geschwindigkeit der Strömung in der Nähe der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2. Dabei wird energiereiches Strömungsmaterial aus der Kernströmung in Richtung zur Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 gelenkt und somit der Grenzschicht an der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 zugeführt. In Folge dieser Energetisie- rung kann die Grenzschicht an der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 größere positive Druckgradienten in Hauptströmungsrichtung überwinden ohne dabei von der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 abzulösen.
Dadurch reagiert der Außendiffusor 2 gutmütiger gegen frühzeitige Ablöseerscheinungen. Somit wird durch Vorsehen der Strömungsleiteinrichtung 9 in dem Außendiffusor 2 ein hoher Druckrückgewinn des Außendiffusors 2 erzielt.
Fig. 3 zeigt einen Abgasraum einer Gasturbine, der als der Außendiffusor 2 ausgebildet ist. Der Außendiffusor 2 ist stromab eines Turbinenrotors 25 angeordnet und führt die von dem Turbinenrotor 25 austretende Abströmung von dem Ein- trittsquerschnitt 4 des Außendiffusors 2 zu dem Austrittsquerschnitt 6 des Außendiffusors 2 unter Druckrückgewinnung fort.
Der Turbinenrotor 25 weist eine Turbinenrotornabe 26 auf, die von einer zylindrischen Außendiffusornabe 27 mit der Turbinenrotornabe 26 weitergeführt ist.
Der Turbinenrotor 25 weist eine Vielzahl von Turbinenrotor- schaufeln 28 auf, die an ihren radialen Außenenden eine Schaufelspitze 29 aufweisen. Der Turbinenrotor 25 ist von einem Turbinengehäuse 30 ummantelt. Im Betrieb des Turbinenrotors 25 dreht sich dieser um seine Rotationsachse (nicht gezeigt), während das Turbinengehäuse 30 ortsfest bleibt. Daher ist zwischen der Turbinenrotorschaufelspitze 29 und dem Turbinengehäuse 30 ein Spalt 31 vorgesehen, damit die Turbinenrotorschaufelspitze 29 im Betrieb des Turbinenrotors 25 nicht an das Turbinengehäuse 30 anstreift.
Um das Anstreifen der Laufschaufeln am Turbinengehäuse 30 und damit Schäden zu vermeiden, ist ein Mindestabstand als Spalt 31, das sogenannte Spiel, zwischen Rotorschaufel 28 und Gehäuse 30 notwendig. Durch diesen Spalt kann ein Teil des Massenstromes ohne Leistungsabgabe an die Rotorschaufel 28 durchströmen und führt zu einer Energetisierung der Grenzschicht. In Abhängigkeit von der Gestaltung dieses Spalts 31 mit oder ohne Abdichtung kann mehr oder weniger Massenstrom durchströmen. Um eine nachfolgende Ablösung der Strömung im Diffusor zu vermeiden bzw. stark zu verzögern, ist eine weitere Energetisierung der Grenzschicht durch die Strömungsleiteinrichtung 9 erwünscht.
Gemäß Fig. 3 ist durch Anordnen der Strömungsleiteinrichtung 9 nahe der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 im Bereich des Eintrittsquerschnitts des Außendiffusors 4 Abhilfe geschaffen. Die von der Leckageströmung gestörte Grenzschicht wird von der Strömungsleiteinrichtung 9 an der Innenoberfläche des Außendiffusors 8 in Hauptströmungsrichtung beschleu- nigt, so dass die kinetische Energie in diesem Strömungsbereich erhöht ist. Dadurch wird erreicht, dass die Strömung in dem Außendiffusor 2 an der Innenoberfläche 8 des Außendiffu- sors 2 nicht ablöst. Somit sind die Strömungsverluste in dem Außendiffusor 2 niedrig und der Druckgewinn des Außendiffu- sors 2 ist hoch.

Claims

Patentansprüche
1. Von Fluid durchströmbare Diffusoranordnung (1) mit einem eine Innenoberfläche aufweisenden Außendiffusor (2) und einer eine Strömungsleiteinrichtung (9) aufweisenden Strömungsbeschleunigungseinrichtung, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) sich innerhalb des Außendiffusors (2) erstreckt und mit ihrer der Innenober- fläche (8) des Außendiffusors (2) zugewandten Außenoberfläche (10) und einem Abschnitt der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) einen Düsenkanal (11) ausbildet, wodurch wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) sich ausbildenden Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist, so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) unterbunden ist.
2. Diffusoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, bei der die Strömungsleiteinrichtung (9) eine vom Fluid anströmbare Vorderkante (13) und eine dieser gegenüberliegende Hinterkante (14) aufweist, an der das Fluid abströmbar ist, und wobei zwischen der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) und der Vorderkante (13) der Strömungsleiteinrichtung (9) sich ein Eintrittsquerschnitt (15) befindet und zwischen der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) und der Hinterkante (14) der Strömungsleiteinrichtung (9) sich ein Austrittsquerschnitt (16) befindet, wobei die Querschnittsfläche des Eintrittsquerschnitt (13) größer ist als die Querschnittsfläche des Austrittsquerschnitt (16).
3. Diffusoranordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) mit ihrer ihrer
Außenoberfläche (10) abgewandten Innenoberfläche (17) einen Innendiffusor (18) ausbildet, durch den die Fluidströmung strömbar und dabei in Hauptströmungsrichtung verzögerbar ist .
4. Diffusoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in Hauptströmungsrichtung die Erstreckung der Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich von 5% bis 40% der Erstreckung des Außendiffusors (2) liegt.
5. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Außendiffusor (2) und die Strömungsleiteinrichtung (9) axialsymmetrisch ausgebildet sind und um eine gemeinsame Symmetrieachse (3) konzentrisch angeordnet sind.
6. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Düsenkanal (11) als ein Ringkanal ausgebildet ist .
7. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) als ein gerades, im Längsschnitt längliches Leitblech ausgebildet oder aerodynamisch profiliert ist.
8. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich von 80% bis 100% der Kanalhöhe des Außendiffusors (2) angeordnet ist .
9. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich des Ein- trittsquerschnitts (4) des Außendiffusors (2) angeordnet ist .
10. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der Außendiffusor (2) als im Wesentlichen gerader Diffusor ausgebildet ist.
11. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) relativ zur Hauptströmungsrichtung verschwenkbar gelagert ist.
12. Abdampfräum einer Dampfturbine, mit einer Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Abgasraum einer Gasturbine, mit einer Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
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