NL8303937A - Diffuser, in het bijzonder geschikt voor gasturbines met een groot vermogen. - Google Patents

Description

83.3142/Rey * "

Korte aanduiding: Diffuser, in het bijzonder geschikt voor gasturbines met een groot vermogen.

Door Aanvraagster wordt als uitvinder genoemd:

Costantino Vinciguerra te Florence, Italië.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op verbeteringen in een diffuser in het bijzonder geschikt voor gasturbines met groot vermogen (boven 10.000 kW), die het mogelijk maakt dat een zeer hoog diffusierendement wordt verkregen bij 5 kleine totale axiale en radiale afmetingen, die niet groter zijn dan die van de gebruikelijke ontwerpen, welke afmetingen zijn vastgelegd door transportoverwegingen. Vanwege het hoge bereikbare diffusierendement en de hieruit volgende lagere uitgaande gassnelheid, wordt tevens een aanzienlijke verlaging 10 van trillingen en lawaai verkregen, hetgeen de constructie van de uitlaatdemper gemakkelijker maakt, met hierbij behorende . lagere kosten en kleinere omvang.

De bij vermogens-gasturbines meest gebruikte diffusers zijn afgeleid van die welke zijn ontworpen en geconstrueerd voor 15 luchtvaartturbines, waarin een kleine totale radiale afmeting essentieel is, en waarbij door het diffuserkanaal aërodynamisch geprofileerde dubbelwandige ribben moeten lopen, die in de tussenruimte worden gekoeld met een koud gas, teneinde de legeras die anders niet bereikbaar zou zijn, te ondersteunen.

20 De genoemde diffusers worden gevormd door twee coaxiale conische wanden met een hoek van ongeveer 7° tussen de kegels.

In dit verband heeft een diffuser van dit type zijn maximaal rendement onder omstandigheden van het beste compromis tussen de wrijvingsverliezen aan de twee wanden, welk verlies afhan-25 kelijk is van de lengte bij een gelijkmatige oppervlakte-af-werking en zodoende kleiner is naarmate de diffuser korter is en de turbulentieverliezen van de diffuser die kleiner zijn naarmate de diffusie geleidelijker is en hoe langer de diffuser is. Het is experimenteel gebleken dat het optimale com-30 promis lengte, afhankelijk van de mate van afwerking, snelheid enz., overeenkomt met een eerste benadering tot een hoek tussen de kegels van ongeveer 7° voor tweewandige diffusers met 3303837 . * . i - 2 - een in hoofdzaak axiaal verloop.

Aan de andere kant, heeft het gas nog steeds een grote snelheid wanneer het de diffuser verlaat, en de energie hiervan gaat zodoende verloren, maar daar de uitlaat axiaal is en 5 rekening houdend met het luchtvaartkundige compromis tussen gewicht, totale afmeting en rendement, is dit verlies acceptabel.

Turbines op land, die zijn afgeleid van de ervaringen bij de luchtvaart, gebruiken gelijksoortige diffusers, waarbij het 10 enige verschil is dat aan het uiteinde van de diffuser het gas wordt omgebogen in radiale richting ten gevolge van het feit, dat de uitlaat bij landturbines radiaal is. Teneinde het gas om te leiden met kleinere verliezen en kleinere stralen, zijn in de bocht vaak leidschoepen aangebracht, en hebben de 15 leidschoepen een dwarsdoorsnede in de vorm van evenwijdige cirkelbogen. De diffusie van het gas wordt geëindigd beschouwd aan het uiteinde van het conische gedeelte en de leidschoepen dienen slechts om de drukval over de bocht te verlagen, en niet voor diffusiedoeleinden.

20 Dit type diffuser buit niet het grote aantal mogelijkheden uit, dat wordt geboden bij landinstallaties ten opzichte van luchtvaartinstallaties, en in dit verband: a) de legersteunribben worden vastgehouden bij de inlaat van de diffuser waar het gas een aanzienlijke snelheid heeft, 25 wat leidt tot een bepaald verlies dat groter wordt indien de turbine moet werken onder andere dan de ontwerpomstandig-heden, omdat in dit geval het verlies veroorzaakt door de verkleining in dwarsdoorsnede tijdens het door de ribben lopen, wordt opgeteld bij het verlies veroorzaakt door de 30 botsing van het gas tegen deze laatsten, welke botsing geschiedt met een invalshoek, die naarmate deze verder van de optimale hoek afligt, hoe meer de werking afwijkt van het ontwerp (bij landturbines is het niet ongebruikelijk om te moeten werken bij 50% van de oorspronkelijk ontwerpsnel-35 heid). Bij luchtvaartturbines zijn de ribben essentieel voor redenen van totale afmeting en gewicht. In de land-turbine, kan het leger daarentegen worden gesteund van de buitenkant indien bepaalde mechanische problemen met be- 8303937 1 i λ - 3 - trekking tot de aslijn worden opgelost, b) De snelheid van de uitlaatgassen wordt niet verlaagd tot een miiimum zonder het rendement en het geluidsniveau te verslechteren. Een type diffuser dat ingang begint te 5 verkrijgen bij landturbines, is namelijk gekenmerkt door het verwijderen van deze ribben en een poging de diffusie in de laatste bocht te verbeteren. De ribben zijn verwijderd door het leger vanaf de buitenkant te ondersteunen, gegeven dat de uitlaat niet langer axiaal is, en de bocht 10 is gevormd als een waarlijk gebogen diffuser, die gecom pliceerder is dan een rechte diffuser maar die bij nauwkeurig ontwerp en experimentele opzet een verdere terugwinning kan verschaffen, die de moeite waard is.

Teneinde dit type diffuser verder te verbeteren, is het 15 noodzakelijk hetzij het axiale conische gedeelte te vergroten, teneinde met een grotere diffusieverhouding bij de bocht aan te komen, hetgeen echter een niet toelaatbare toename veroorzaakt van de axiale lengte van de turbine, of een tussenwand te plaatsen in het genoemde gedeelte teneinde de diffu-20 siehoek te verdubbelen. Deze weg is gevolgd in het bijzonder door die fabrikanten, die vasthouden aan de legersteunribben, teneinde tevens de tussenwand door deze laatste te steunen.

Om voor de hand liggende redenen geeft dit ontwerp echter slechts onbelangrijke resultaten. In dit verband treden door 25 het vasthouden aan de ribben nog alle hiervoor genoemde verliezen op bij werkomstandigheden, die afwijken van de ontwerp-omstandigheden en bovendien leidt het genoemde evenwicht tussen wrijvingsverliezen en diffusieverliezen bij het introduceren van de dubbele wand in het gebied waarin het gas nog 30 een hoge snelheid heeft, tot een toename van de verliezen ten gevolge van wrijving en intreebotsing, waardoor in sterke mate de theoretische voordelen van de toenemende diffusie wordt verkleind.

Een tweede weg zou zijn het vergroten van het gebogen 35 gedeelte van de diffuser, maar dit zou leiden tot een toename van de totale radiale afmeting, hetgeen bij grote turbines zelf nog minder toelaatbaar is (transportproblemen enz.).

Het oogmerk van de onderhavige uitvinding is het ver- t mijden van deze problemen ten aanzien van de afmetingen en 8303937 - 4 - ι · · een aanzienlijk verbeterde diffusie te verkrijgen en zodoende een verhoogd rendement van de turbine, met een verlaagd uit-laatlawaai. Dit wordt in hoofdzaak verkregen door een diffuser gevormd door een eerste diffusergedeelte omvattende twee co-5 nische wanden, die in een richting lopen, die een bepaalde hoek maken met de hartlijn teneinde beter bij de bocht aan te komen. Dit eerste diffusiegedeelte, dat geen ribben en tussenwanden heeft en werkt onder optimale omstandigheden, vormt het belangrijkste deel van het diffusieproces en wordt 10 gevolgd door een dubbelgebogen diffuser omvattende drie wanden, die een optimale einddiffusie toelaten in de bocht en binnen de beschikbare totale afmetingen.

De tussenwand waardoor de dubbele diffuser kan worden gevormd, is vrijdragend ondersteund door een groep van aerody-15 namisch geprofileerde ribben, die bij het einddeel van de diffuser zijn geplaatst waar het gas bijna geheel is gedif-fuseerd tot een snelheid, die zo laag is dat geen merkbare verliezen worden gevormd.

Deze constructie waarmee het eerste deel van de tussen-20 wand vrij dragend kan worden ondersteund, is mogelijk gemaakt door de stijfheid, die de tussenwand bezit ten gevolge van zijn gebogen vorm. Het genoemde eerste deel van de tussenwand is machinaal bewerkt, teneinde het te voorzien van een aërodynamisch profiel dat geschikt is om de stroom, die aankomt 25 vanaf de eerste diffusietrap in twee stromen, te scheiden zonder dat enige botsing of plotselinge verminderingen in de dwarsdoorsneden optreedt, en bovendien is het gedeelte, dat het meeste vrijligt dunner gemaakt tot een profiel dat bijna optimaal is voor het elimineren van trillingen bij de ver-30 schillende frequenties, die optreden onder verschillende werkomstandigheden.

Bij hoge snelheden, zijn de verliezen ten gevolge van botsing en wrijving zeer groot (zij nemen k*e.dratisch toe) en dit heeft geleid tot het verwijderen van de ribben en de keuze van een diffuser met slechts twee wanden in het eerste ge-35 deelte. In het gebogen gedeelte, heeft het voldoende afge-rerade gas een grotere noodzaak voor geleiding (diffusie in een bocht is aanzienlijk gecompliceerder). Om dezq reden geeft 8303937 . I '*· - 5 - het gebruik van de ribloze tussenwand in het eerste gedeelte een werking als twee evenwijdig gebogen diffusers met bijna dubbele diffusiehoeken, dat het mogelijk maakt dat het gas de uitlaatkamer binnenkomt met een snelheid van bijna de 5 helft, die kan worden bereikt met een conventioneel gebogen einddiffuser.

De eindribben, die de tussenwand ondersteunen, zijn tevens ontworpen en over een hoek geplaatst op zodanige wijze, dat zij een aërodynamisch doelmatige functie vervullen.

10 Door het creëren van een gecontroleerde verlaging van de einddwarsdoorsnede (wanneer het gas bijna geheel is geëxpandeerd), is in dit verband de gelijkmatigheid van de uit-laatsnelheid langs de omtrek afdoende verbeterd.

Doordat het gas het uitlaatkanaal radiaal verlaat, 15 is er in dit verband een grote ongelijkmatigheid in de wegen van de uitgaande stroomlijnen, en bij de afwezigheid van ribben kan dit leiden tot een uitlaatsnelheid vanuit het gebogen diffusergedeelte in de uitlaatkamer, die verschillende malen groter is in het gedeelte vlak bij de uitlaatmond 20 dan in het diametraal hier tegenover gelegen deel, en overwegende dat de drukval en het lawaai variëren met het kwadraat van de snelheid, zal duidelijk zijn dat deze zuigwerking van de uitlaatmond een zeer negatieve invloed kan hebben.

Dit verklaart het ogenschijnlijk tegenstrijdige feit, 25 dat een toename van het rendement kan worden verkregen door het aanbrengen van ribben (dat wil zeggen obstakels). Dit is omdat door het veroorzaken van een verkleining van de dwarsdoorsnede bij de uitlaat van de gebogen gedeelten, de ribben het gas gelijkmatig doen verdelen over de uitlaatomtrek door 30 het maskeren van de zuigwerking van de radiale uitlaatmond, welke werking niet symmetrisch om de as is. Het gas stroomt bijna perfekt verdeeld langs de omtrek weg, en door het verschaffen van een geschikt gevormd kanaal binnen de uitlaatkamer, die het in een geordende wijze naar de uitlaat voert, 35 bereikt het de laatste geluidsdemper met een zeer lage snelheid met praktisch geen drukpulsen en zodoende met een minimaal aërodynamisch lawaai.

Deze laatste uitlaatconstructie is belangrijk omdat in 8303937

J I

- 6 - veel diffusers een groot gedeelte van de drukterugwinning die met moeite in de diffuser wordt verkregen, wordt vernietigd in de uitlaatkamer in de vorm van een drukval. Het effect is zodoende een toename in het rendement van de tur-5 bine en een aanzienlijke verlaging van het lawaainiveau van het uitlaatgas hetgeen bekend staat als één van de meest moeilijk te elimineren nadelen van landinrichtingen (grote, kostbare geluidsdempers met korte levensduur doen de werktemperatuur stijgen boven 450°C).

10 Experimenten hebben dit fenomeen volledig bevestigd, en in feite is de uiteindelijke lawaaiverlaging een indirecte en onmiddellijke maatregel van het verbeterde rendement als de verschillende parameters (aantal ribben, oorspronkelijk profiel, verschil in bochten en stralen) variëren. Tevens 15 hebben experimenten aangetoond, dat binnen de totaal toelaatbare afmetingen, het concept van het vermenigvuldigen van de wanden in de gebogen diffusergedeelten niet verder kan worden voortgezet, omdat indien een tweede tussenwand wordt aangebracht, het hierdoor ontstane wrijvingsverlies de verbete-20 ringen opheffen. Indien er meer worden toegevoegd, begint · het rendement slechter te worden.

De .uitvinding wordt hierna in detail beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekening, die bij wijze van voorbeeld een niet-beperkende voorkeursuitvoeringsvorm toont, 25 waarin technische en constructuele wijzigingen kunnen worden gemaakt binnen het kader van de onderhavige uitvinding.

In de tekening tonen: fig. 1 een gedeeltelijke longitudinale doorsnede door een vermogens-gasturbine, die een diffuser heeft volgens de 30 uitvinding; fig. 2 een gedeeltelijke longitudinale doorsnede is door de diffuser van fig. 1 op vergrote schaal; fig. 3 een gedeeltelijke longitudinale doorsnede is door een detail van de diffuser volgens de uitvinding, op een nog 35 grotere schaal.

In de tekening geeft het verwijzingscijfer 1 de gasgenerator aan voor de gasturbine, die de vermogensturbine 2 voedt, waarvan het uitlaatgas in het uitlaathuis 3 wordt gevoerd via 8303937 *· ·*, - 7 - P \ de diffuser 4.

De genoemde diffuser 4 bestaat uit een eerste diffuser-gedeelte 5, dat zich in hoofdzaak axiaal uitstrekt en wordt gevormd door twee conische coaxiale wanden 6 en 7. Het ge-5 noemde gedeelte 5 dat met een bepaalde hoek schuin staat (zie fig. 2), ten opzichte van de horizontaal teneinde de gasstroom beter naar de bocht te voeren, vormt het belangrijkste deel van de diffusie, en bereikt dit op een optimale wijze daar er geen ribben of tussenwanden aanwezig zijn.

10 Het gedeelte 5 wordt gevolgd door een dubbelgebogen dif fuser bestaande uit drie wanden 8, 9 en 10, die de diffusie van het gas completeert, welk gas nu is gescheiden in twee onafhankelijke stromen en tegelijkertijd het gas radiaal doen ombuigen.

15 De gebogen tussenwand 9» waardoor de dubbele diffuser kan worden gevormd, is vrijdragend opgehangen door een groep aërodynamisch geprofileerde ribben 11, die met hun beschrijvende lijnen evenwijdig lopen aan de horizontale as van de machine, en zijn aangebracht nabij het uiteinde van de dubbel-20 gebogen diffuser. De ribben 11 zijn zodanig gedimensioneerd, dat in de dubbele diffuser een gecontroleerde verkleining van de dwarsdoorsnede wordt gevormd bij de uitlaat van de gebogen gedeelten, teneinde een uniforme verdeling over de omtrek te verkrijgen van de uitlaatsnelheid van het gas als dit het 25 uitlaathuis 3 binnenkomt, en zodoende de niet symmetrische zuigwerking op het gas door de mond 12 van het uitlaathuis 3 in hoofdzaak vermindert. Teneinde de uniformiteit van de uit-stroming langs de omtrek van het gas uit de diffuser niet te verstoren, en zodoende een hoofdstroming van het gas naar de 30 uitlaatmond 12 te verkrijgen, is de diffuser 4 verbonden met het uitlaathuis 3 door een omhulsel 13, dat met zijn omtrekken glad is verbonden met de diffuser en is gevormd in het uitlaathuis zelf.

Tenslotte begint de genoemde gebogen wand 9 met een ge-35 deelte 9’» dat aërodynamisch is bewerkt en geprofileerd (zie in het bijzonder fig. 3) op zodanige wijze dat de gasstroom, die vanuit het eerste gedeelte van de diffuser aankomt met een reeds verlaagde snelheid, in twee stromen wordt verdeeld 8303937 - 8 - • ·* < zonder dat de stroom in botsing komt of er een plotselinge verandering in dwarsdoorsnede optreedt.

8303937

Claims (4)

1. Diffuser voor gasturbines met groot vermogen, gekenmerkt door een eerste diffusiegedeelte dat geen ribben en/of tussenwanden heeft en een in hoofdzaak axiale weg vormt, en bestaat uit twee conische, coaxiale wanden, welk gedeelte 5 wordt gevolgd door een dubbelgebogen diffuser met drie wanden, waarvan de gebogen tussenwand vrijdragend is ondersteund door een groep ribben, die met hun beschrijvende lijnen evenwijdig lopen aan de horizontale as van de turbine en nagenoeg aan het uiteinde van de genoemde dubbelgebogen diffuser zijn 10 gelegen.

2. Diffuser volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de genoemde gebogen tussenwand van de dubbelgebogen diffuser begint met een gedeelte, dat aërodynamisch is bewerkt en geprofileerd op zodanige wijze, dat de stroom wordt ver-15 deeld zonder dat deze in botsing komt of een plotselinge variatie in dwarsdoorsnede ondergaat.

3. Diffuser volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de genoemde ribben aërodynamisch zijn geprofileerd en zodanig zijn gedimentioneerd, dat een gecontroleerde verlaging 20 in dwarsdoorsnede wordt gevormd bij de uitlaat van de gebogen gedeelten van de diffuser.

4. Diffuser volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat deze is verbonden met het uitlaathuis van de turbine door middel van een omhulsel dat met zijn omtrek is verbonden met de 25 diffuser en in het uitlaathuis zelf is aangebracht. 8303937