NO834253L - Diffusor for gassturbiner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår forbedringer ved en diffusor som særlig er egnet for gassturbiner for høy effekt (over 10000 kw) og som gjør det mulig å oppnå meget høy diffu-sjonseffektivitet med små totale aksiale og radiale dimensjoner, som ikke overskrider de som anses tillatelig i vanlig konstruksjonspraksis og stort sett er fastlagt av tran-sportbetraktninger. På grunn av den høye diffusjonseffek-tivitet som oppnås og følgelig lavere hastighet av utløps-gassen, oppnås en betraktelig reduksjon av vibrasjon og støy, hvilket gjør utførelsen av avløpsdemperen lettere, med tilsvarende reduksjon av omkostninger og omfang.

De diffusorer som oftest anvendes i effektproduserende gassturbiner er som kjent utledet fra diffusorer utført og anordnet for anvendelse i forbindelse med flyturbiner hvor liten total radial dimensjon er vesentlig, og hvor diffu-sorkanalen gjennomskjæres av aerodynamisk profilerte dob-beltveggede ribber som kjøles av kold gass i mellomrommet mellom veggene, med det formål å understøtte aksellagret som ellers ikke ville vært tilgjengelig.

Nevnte diffusorer utgjøres av to koaksialt anordnede koniske vegger i en innbyrdes vinkel på omkring 7°. En diffusor av denne type har størst effektivitet under forhold hvor det foreligger best mulig kompromiss mellom friksjonstap ved de to vegger, hvilket er avhengig av diffusorleng-den ved lik overflateglatthet og vil således være mindre jo kortere diffusoren er, samt turbulensta.p som er mindre jo mer gradvis diffusjonen finner sted og således avtar med diffusorens lengde. Det er funnet eksperimentelt at den optimale kompromisslengde, i avhengighet av finbearbeiding, hastighet etc, i en første tilnærmelse tilsvarer en vinkel mellom konusveggene på omkring 7° for toveggede diffusorer av vanlig aksial utstrekning.

På den annen side har gassen fremdeles høy hastighet når den forlater diffusoren, og dens energi går derfor tapt, men da utløpsretningen er aksial og tar i betraktning det nødvendige flytekniske kompromiss mellom vekt, total stør-relse og virkningsgrad, godtas dette tap.

Landbaserte turbiner, som er utledet fra flytekniske erfar-inger, anvender lignende diffusorer. Den eneste forskjel-len er at gassen ved ytterenden av diffusoren bringes til avbøyning i radial retning på grunn av det forhold at ut-løpsretningen er radial ved landbaserte turbiner.

For å avbøye gassen med mindre tap og mindre avbøynings-radius er det ofte anordnet deflektorer eller avbøynings-plater i det krumme diffusorområde, idet disse deflektorer har et tverrsnitt i form av parallelle sirkelbuer. Selve gassdiffusjonen anses for avsluttet ved enden av diffusorens koniske parti, og de nevnte avbøyningsplater tjener bare til å nedsette trykktapet over avbøyningspartiet, og er ikke anordnet for d±>f f us j onsf ormål.

Diffusorer av denne type utnytter ikke de større alternati-ve muligheter som foreligger ved landinstallasjoner sammen-lignet med flytekniske utførelser, idet de således: a) bibeholder de bærende støtteribber i diffusorinnløpet hvor gassen har betraktelig hastighet, hvilket fører til et visst tap som blir større hvis turbinen må arbeide under andre forhold enn de som er forutsatt ved konstruksjonen,

•da i dette tilfelle tapet på grunn av redusert tverrsnitt ved passasje forbi ribbene kommer i tillegg til det tap som opptrer ved gassens anslag mot ribbene, idet dette anslag finner sted i en innfallsvinkel som ligger fjernere fra den optimale vinkel jo mer turbindriften avviker fra konstruk-sjonspunktet (ved landbaserte turbiner er det ikke uvanlig å arbeide ved bare 50% av den hastighet turbinen er kon-struert for). Ved flyturbiner er ribbene av vesentlig be-tydning av hensyn til omfang og vekt. I landbaserte turbiner kan imidlertid vedkommende lager i stedet understøt-

tes fra utsiden,hvis visse mekaniske problemer i forbindelse med akselføringen løses. b) Diffusoren nedsetter ikke utløpsgassens hastighet til et minimum uten å nedsette virkningsgraden og støynivået.

En diffusortype som begynner å bli godtatt for landbasert bruk har som spesielle særtrekk at de nevnte ribber er fjernet og det er gjort forsøk på å forbedre diffusjonen i sluttavbøyningen. Ribbene elimineres ved å understøtte lageret fra utsiden, ut i fra det forhold at gassens ut-løpsretning. ikke lenger er aksial og avbøyningen er utført i form av et krumt diffusorparti av mer komplisert utfør-else enn et rett diffusorparti, men som ved omhyggelig ut-førelse og eksperimentell utvikling kan oppnå en ytterligere verdifull gjenvinning.

For ytterligere å forbedre denne diffusortype er det nød-vendig enten å øke det aksiale konusformede parti for å komme frem til avbøyningen med et større diffusjonsforhold, hvilket imidlertid innebærer en ikke godtagbar økning av den aksiale turbinlengde, eller å anordne en mellomvegg i nevnte diffusorparti for derved å fordoble diffusjonsvinke-len. Denne linje har særlig vært fulgt av de tilvirkere som har beholdt de lagerbærende ribber, således at også mellomveggen kan understøttes av disse. Denne utførelse gir imidlertid bare ubetydelig forbedrede resultater av åpenbare grunner. Ved å beholde ribbene vil alle de oven-for angitte tap under andre arbeidsforhold enn de fastlagte konstruksjonsbetingelser fremdeles opptre, og på grunn av nevnte balanse mellom friksjonstap og diffusjonstap vil innføringen av dobbeltveggeg i den sone hvor gassen fremdeles har høy hastighet i tillegg føre til økede friksjonstap og innløpsanslag, hvilket i høy grad nedsetter de teo-retiske fordeler ved øket diffusjon.

En annen utviklingslinje kan være å øke det krumme diffu sorparti, men dette vil føre til øket total radialdimen-sjo, hvilket i ennå mindre grad kan godtas når det gjelder store turbiner (transportproblemer etc.).

På denne bakgrunn er det et formål for foreliggende oppfinnelse å overvinne disse omfangsproblemer og samtidig å oppnå betraktelig forbedret diffusjon og således øket turbinvirkningsgrad sammen med nedsatt utløpsstøy.

Dette er hovedsakelig oppnådd ved en diffusor som omfatter et første diffusorparti med to vanlige koniske vegger som strekker seg i en retning som danner en viss vinkel med turbinaksen for å oppnå bedre overgang til avbøyningen.

Dette første diffusorparti som er fritt for ribber og mellomvegger samt arbeider under optimale forhold, utfører den viktigste del av diffusjonsprosessen, og etterfølges av et dobbeltkrumt diffusorparti med tre vegger, hvilket tillater optimal avsluttende diffusjon i.avbøyningspartiet innenfor de tilgjengelige totale dimensjoner.

Mellomveggen som gjør det mulig å danne dobbelt diffusor er utkragende understøttet av et sett aerodynamisk profilerte ribber anordnet i utløpsdelen av diffusoren, hvor gassen nesten totalt er diffusert til en hastighet som er så lav at det ikke oppstår vesentlige tap.

Dette arrangement som tillater den forreste del av mellomveggen å være utkragende understøttet, er gjort mulig på grunn av mellomveggens stivhet i kraft av dens krumning. Nevnte forreste del av mellomveggen er bearbeidet til en aerodynamisk profil som er egnet for oppdeling av gass-strømmen fra det innledende duffusortrinn i to strømmer uten anslag eller plutselig tverrsnittsreduksjon, og i tillegg er den del av mellomveggen som er mest utkraget fortynnet til en profil som er nesten optimal for å elimi-nere vibrasjoner ved de forskjellige frekvenser som opptrer

under forskjellige driftsforhold.

Ved høye hastigheter er tap på grunn av anslag og friksjon meget store (de øker i kvadratisk forhold) og dette har da ført til fjerning av ribbene og valg av en diffusor som omfatter bare to vegger i det første diffusorparti.

I det krumme diffusorparti har gassen med tilstrekkelig neddempet hastighet et større behov for føring (diffusjon gjennom et avbøyningsparti er meget mer komplisert). Av denne grunn tillater anvendelse av ribbeløs mellomvegg i innløpspartiets drift av to parallelle krumme diffusorer med nesten dobbelt diffusjonvinkel, således at gassen til-lates å strømme inn i avløpskammeret med en hastighet som nesten bare er halvparten av den som kan oppnås ved et vanlig krumt utløpsparti av diffusoren.

De utløpsribber som understøtter mellomveggen er også ut-ført og vinkelinnstilt på sådan måte at de kan utføre en aerodynamisk fordelaktig funksjon.

Ved å frembringe en styrt endelig tverrsnittsreduksjon (når gassen har nesten fullført sin ekspansjon), vil jevnheten av gassens utløpshastighet over omkretsen bli forbedret i vesentlig grad.

Fordi gassen forlater utløpskanalen radialt, vil det være stor forskjell i banelengden for utløpsstrømlinjene, og i fravær av ribber kan dette føre til en utløpshastighet fra det krumme diffusorparti i utløpskammeret som er flere ganger større i den del som ligger nær utløpsmunningen enn i den diametralt motsatte del. I betraktning av at trykk-fallet og støyen varierer med kvadratet av hastigheten, vil det forstås at denne sugevirkning av utløpsmunningen kan ha en meget negativ innvirkning.

Denne forklarer det tilsynelatende selvmotsigende forhold at en økning i virkningsgrad kan oppnås ved å innføre ribber (strømningshinder). Dette forholder seg slik på grunn av at en tverrsnittsreduksjon ved utløpet av det krumme parti får ribbene til å fordele gassen jevnt langs utløpets omkrets ved maskering av den radiale utløpsmunnings sugevirkning, idet denne virkning ikke er symmetrisk om aksen. Gassen strømmer ut nesten perfekt fordelt omkretsmessig, og ved å anordne en hensiktsmessig utformet kanal inne i ut-løpskammeret, som leder gassen under ordnede forhold mot utløpet, vil den nå den endelige lyddemper med meget lav hastighet og med praktisk talt ingen trykkpulsering, hvilket innebærer minimal aerodynamisk støy.

Dette endelige utløpsarrangement er viktig, på grunn av at en stor andel av den trykkgjenvinning som med vanskelighet er oppnådd i mange diffusorer faktisk ødelegges i utløps-kammeret i form av et trykkfall. Virkningen er derfor en økning i turbinvirkningsgrad og en vesentlig nedsettelse av utløpsgassens støynivå, som er kjent for å utgjøre en av de ulemper som er vanskligst å overvinne ved landbaserte turbinanvendelser (store kostbare lyddempere med kort leve-tid på grunn av driftstemperaturen overskrider 450°C).

Eksperimenter og prøver har fullt ut bekreftet dette feno-men, og den endelige støyreduksjon er faktisk et indirekte og umiddelbart mål på forbedret virkningsgrad ettersom de forskjellige parametere (antall ribber i forskjeller i krumning og forhold) varierer. Eksperimentelt er det vid-ere vist at innenfor de tillatelige totale dimensjoner kan økningen av antall vegger i det krumme diffusorparti ikke videreføres, da friksjonstapene i forbindelse med en ytterligere mellomvegg vil oppheve de oppnådde forbedringer. Hvis ytterligere mellomvegger innføres, vil virkningsgraden atter begynne å avta.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, som viser en foretrukket prak tisk utførelse som bare en angitt om eksempel, idet teknis-ke og konstruktive modifikasjoner kan utføres uten at opp-finnelsens ramme overskrides. Fig. 1 på tegningene viser en del av et lengdesnitt gjennom en gassturbin som er utstyrt med diffusor i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 er en del av et lengdesnitt gjennom diffuseren i fig. 1 opptegnet i større målestokk. Fig. 3 er et lengdesnitt gjennom en del av diffuseren i henhold til oppfinnelsen i meget større målestokk.

I figurene angir anvisningstall 1 gassgeneratoren for turbinen, og som avgir gass til effektturbinen 2, hvis utløps-gass overføres til utløpskammeret 3 gjennom diffusoren 4.

Denne diffusor 4 utgjøres av et første diffusorparti 5 med hovedsakelig aksial utstrekning og dannet av to koaksiale konusvegger 6 og 7 av vanlig utførelse.

Nevnte diffusorparti 5 som er skråstilt i en viss vinkel med horisontalretningen (se fig. 2) for å oppnå bedre over-føring av gass-strømmen til avbøyningen, utfører den viktigste del av diffusjonsprosessen, og dette oppnås på optimal måte da det ikke foreligger noen ribber eller mellomvegger.

Diffusorpartiet 5 etterfølges av et dobbeltkrumt diffusorparti med tre vegger, 8, 9 og 10, hvor diffusjonen av gassen fullføres idet den nå er oppdelt i to uavhengige gass-strømmer, samtidig som den avbøyes i radial retning.

Den krumme mellomvegg 9 som deler diffusoren i to er utkragende understøttet av et sett av aerodynamisk profilerte ribber 11 hvis generatriselinjer er parallelle med maskin-ens horisontalakse, og som er anordnet nesten ved ytterenden av den dobbeltkrumme diffusor. Ribbene 11 er dimen sjonert slik at de i det todelte diffusorparti frembringer en tverrsnittsreduksjon ved utløpet fra det krumme diffusorparti med det formål å oppnå jevn omkretsfordeling av gassens utløpshastighet når den trenger inn i avløpskamme-ret 3, og således i vesentlig grad svekker den ikke symme-triske sugevirkning på gassen av munningen 12 fra ut-løpskammeret 3. For ikke å forstyrre jevnheten av omkrets-utstrømningen av gass fra diffusoren og derved fremme vel-ordnet gass-strømning mot utløpsmunningen 12, er diffusoren 4 koblet til avløpskammeret 3 ved hjelp av et hylster 13 hvis konturer har jevn forbindelseovergang til diffusoren og som befinner seg inne i selve avløpskammeret. Nevnte krumme mellomvegg 9 begynner med et avsnitt 9' som er aerodynamisk utformet og profilert (se særlig fig. 3) på en sådan måte at den gass-strøm som kommer ut fra det første diffusorparti med allerede nedsatt hastighet,deles opp i to gass-strømmer uten at noen av disse er gjenstand for anslag eller plutselig variasjoner i tverrsnitt.

Claims (4)

1. Diffusor for gassturbiner med høy effekt,karakterisert vedat den omfatter et første diffusorparti som er fritt for ribber og/eller mellomvegger samt har hovedsakelig aksial utstrekning og avgrenses på kjent måte av to koaksialt anordnede konusformede vegger, samt et påfølgende dobbeltkrumt diffusorparti med tre vegger, hvorav den mellomste krumme vegg er utkragende understøttet av et sett ribber med generatriser som er paralelle med turbinens horisontale akse, idet disse ribber er anordnet nær ytterenden av det dobbeltkrumme diffusorparti.

2. Diffusor som angitt i krav 1,karakterisert vedat nevnte mellomvegg i det dobbeltkrumme diffusorparti begynner med et avsnitt som er aerodynamisk utformet og profilert på sådan måte at gass-strømmen deles opp uten at den er gjenstand for anslag eller plutselige tverrsnittsvariasjoner.

3. Diffusor som angitt i krav 1,karakterisert vedat nevnte ribber er aero-dynamiske profilert og dimensjonert for å frembringe en regulert tverrsnittsreduksjon ved utløpet av det krumme parti av diffusjon.

4. Diffusor som angitt i krav 3,karakterisert vedat den er forbundet med turbinens avløpskammer ved hjelp av et hylster hvis konturer er forbundet med jevn overgang til diffusoren og som inneholdes i selve avløpskammeret.