Axialdurchströmte Turbine

Abstract

 Eine axialdurchströmte Turbine, an deren Austrittslaufschau­feln (12) sich ein Diffusor (13) anschliesst, weist innerhalb dessen Verzögerungszone erste Mittel zur Drallwegnahme (8) der drallbehafteten Strömung auf.
Zwischen diesen ersten Mitteln zur Drallwegnahme in Form von Strömungsrippen und den Austrittslaufschaufeln ist eine Reihe mit verstellbaren Leitschaufeln (11) angeordnet. Diese Leit­schaufeln (11) weisen eine gerade Skelettlinie mit symmetri­schem Profil auf, verlaufen in radialer Richtung konisch und sind verwunden.
Mit dieser Massnahme kann neben einem beträchtlich verbesser­ten Druckrückgewinn über einem grossen Lastbereich auch der übliche Wirbel zwischen Laufschaufeln und Strömungsrippen ver­hindert werden.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Turbine, an deren Austrittslaufschaufeln sich ein Diffusor anschliesst, wobei innerhalb dessen Verzögerungszone Mittel zur Drallwegnahme der drallbehafteten Strömung vorgesehen sind

Stand der Technik

[0002] Eine derartige Turbine ist bekannt aus der EP-A 265 633. Um der dortigen Forderung nach bestmöglichem Druckrückgewinn bei Teillast gerecht zu werden, ist innerhalb des Diffusors ein gleichrichtendes Gitter vorgesehen, das sich über die ganze Höhe des durchströmten Kanals erstreckt. Es handelt sich bei diesen Mitteln zur Drallwegnahme um drei gleichmässig über dem Umfang angeordnete Strömungsrippen mit dicken Profilen, die nach den Erkenntnissen des Strömungsmaschinenbaus ausgelegt sind und die gegen Schräganströmung möglichst unempfindlich sein sollen. Die angeströmte Vorderkante dieser Rippen befin­det sich relativ weit hinter der Austrittskante der letzten Laufschaufeln, um eine durch das Druckfeld der Rippen verur­sachte Anregung der letzten Schaufelreihe zu vermeiden. Dieser Abstand ist so bemessen, dass sich die Vorderkante der Rippen in einer Ebene befindet, bei welcher ein Diffusorflächenver­hältnis von vorzugsweise drei vorherrscht. Die Diffusorzone zwischen Beschaufelung und Srömungsrippen soll damit infolge totaler Rotationssymmetrie ungestört bleiben. Die Tatsache, dass keine Interferenzeffekte zwischen Rippen und Beschaufe­lung zu erwarten sind, ist darauf zurückzuführen, dass die Rippen erst in einer Ebene wirksam werden, in der bereits ein relativ tiefes Energieniveau vorherrscht.

[0003] In üblichen Gasturbinen wird der Diffusor bei Leerlauf unter einem Geschwindigkeitsverhältnis c_t/c_n von etwa 1,2 ange­strömt, wobei c_t die Tangentialgeschwindigkeit und c_n die Axialgeschwindigkeit des Mediums bedeutet. Diese schräge Anströmung führt zu einem Abfall im Druckrückgewinn C_p, wie aus der später zu beschreibenden Fig.2 ersichtlich ist (Kurve A).

[0004] Bei andern Maschinentypen, wie beispielsweise Dampfturbinen oder Gasturbinen für wirbelschichtfeuerung, kommt es durchaus vor, dass der Volumenstrom bis auf 40% reduziert wird und damit c_t/c_n Verhältnisse bis zu 3 vorliegen. Bei solchen Maschinentypen bietet sich die bekannte Diffusorkonfiguration nicht an, da der Druckrückgewinn sogar negativ werden könnte, wie in Fig.2 erkennbar. Dies gilt selbst für den Fall, bei dem das Verhältnis Teilung zu Sehne der Strömungsrippen 0,5 beträgt (Kurve A). Strömungsrippen mit Teilung/Sehne-Verhält­nissen von etwa 1 (Kurve B), welche gemäss Fig.2 bei Vollast, d.h. c_t/c_n = ca.0, zwar einen etwas grösseren Druckrückgewinn ergeben würden, sind bei derartigen Maschinen überhaupt nicht anwendbar.

[0005] Neben dem grossen Abfall im Druckrückgewinn ist bei den genannten extremen Verhältnissen ein starker Wirbel zwischen Austrittslaufschaufeln und Strömungsrippen charakteristisch, wie in der ebenfalls später zu beschreibenden Fig.1 angedeu­tet. Der Wirbel wird durch die Strömungsrippen begrenzt, an denen die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit dissipiert wird. Werden an der sich einstellenden Rückströmung feste Par­tikel, bspw. in Gasturbinen oder Wassertröpfchen, bspw. in Dampfturbinen mitgeführt, so kann eine akute Gefahr der Fuss­erosion an den Schaufeln der letzten Laufreihe entstehen.

[0006] Im Falle von Gasturbinen für wirbelschichtfeuerung kann der Druck hinter Beschaufelung von üblicherweise 0,98 bei Vollast bei 40% Volumenstrom auf bis zu 1,15 bar ansteigen. Dieser Ge­gendruck bedeutet, dass bei 40% Volumenstrom für die Maschine bedeutend mehr Antriebsleistung aufzubringen ist als bei Vor­handensein eines gut wirkenden Diffusors.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei axial durch­strömten Turbinen der eingangs genannten Art die Diffusions­zone so zu gestalten, dass das Teillastverhalten der Maschine weiter verbessert wird.

[0008] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwischen den Mitteln zur Drallwegnahme und den Austrittslaufschaufeln min destens eine Reihe mit verstellbaren Leitschaufeln angeordnet ist.

[0009] Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass neben dem beträchtlich verbesserten Druckrückgewinn über einem grossen Lastbereich auch der oben erwähnte Wirbel, sofern er überhaupt noch auftritt, sich erst zwischen Leit­schaufeln und Strömungsrippen ausbildet und damit keinen schädlichen Einfluss auf die rotierenden Austrittsschaufeln ausüben kann.

[0010] Es ist besonders zweckmässig, wenn die Leitschaufeln eine gerade Skelettlinie mit symmetrischem Profil aufweisen. Mit dieser Massnahme können die hinlänglich bekannten Eigenschaf­ten solcher Gitter auf Unempfindlichkeit in der Anströmung zur verlustarmen Umlenkung genutzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0011] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine mit axial/axialem Austritt darge­stellt.
Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Prinzipskizze eines zum Stand der Technik gehörenden Diffusorsystems;

Fig.2 ein Schaubild Druckrückgewinn in Funktion von c_t/c_n;

Fig.3 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit erfin­dungsgemässem Diffusor;

Fig.4 die teilweise Abwicklung eines zylinderschnittes auf mittlerem Durchmesser des durchströmten Kanals gemäss Fig.3

[0012] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage bei­spielsweise der Verdichterteil, die Brennkammer sowie das vollständige Abgasrohr und der Kamin. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0013] Die bekannte Gasturbine, von der in Fig.1 lediglich die drei letzten, axialdurchströmten Stufen dargestellt sind, besteht im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor 1′ und dem mit Leitschaufeln bestückten schaufelträger 2′. Der Schaufelträger ist im Turbinengehäuse 3′ eingehängt. Der Rotor liegt in einem Traglager 4′ ein, welches sich seinerseits in einem Abgasge­häuse 5′ abstützt. Dieses Abgasgehäuse 5′ besteht im wesentli­chen aus einem nabenseitigen, innenliegenden Teil 6′ und einem aussenliegenden Teil 7′, welche den Diffusor 13′ begrenzen. Beide Elemente 6′ und 7′ können einteilige Topfgehäuse ohne axiale Trennebene sein. Sie sind miteinander verbunden durch mehrere angeschweisste tragende strömungsrippen 8′, die gleichmässig verteilt über dem Umfang angeordnet sind und deren Profil mit 9′ angedeutet ist. Es ist erkennbar, dass aus den eingangs genannten Gründen die Stömungsrippen 8′ in gehö­rigem Abstand zur Beschaufelung angeordnet ist.

[0014] Ebenfalls erkennbar ist der starke Wirbel 10, der sich bei unterer Teillast zwischen Austrittslaufschaufeln 12′ und Strö­mungsrippen 8′ ausbildet und den es mit der Erfindung zu ver­meiden gilt.

[0015] Das Ergebnis eines derartigen Wirbels kann anhand des Schau­bildes in Fig.2 aufgezeigt werden. Es versteht sich, dass auf die Bekanntgabe von allen den Berechnungen und Versuchen zugrundeliegenden Absolutwerten verzichtet wird, da diese wegen ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin ungenügende Aussagekraft besitzen würden. Die darge­stellten Kurven sind demnach vor allem qualitativ auszulegen. Auf der Abszisse des Diagrammes ist der Wert c_t/c_n aufgetra­gen, der ein Mass für den Volumenstrom darstellt. Es handelt sich um den Tangens des Abströmwinkels α aus den letzten Aus­trittslaufschaufeln, wobei c_t die Tangentialkomponente und c_n die Normalkomponente bedeutet. Bei gleichbleibender Maschinen­drehzahl wird bei abnehmender Last und damit abnehmenden Volu­menstrom dieser Winkel immer grösser.
Auf der Ordinate ist der Druckrückgewinn C_p aufgetragen, der in erster Näherung dem Verhältnis (p_A-p_E)/p*_E-p_E) entpricht, worin p_A der statische Druck am Austritt des Diffusors, p_E der statische Druck am Eintritt des Diffusors und p*_E der Total­druck am Eintritt des Diffusors und damit am Austritt der Beschaufelung bedeuten.
Die Kurve A zeigt den Druckrückgewinn in einem Diffusor, der mit Strömungsrippen bestückt ist, welche ein Verhältnis Tei­lung zu Sehne von etwa 0,5 aufweisen. Man erkennt, dass der Abfall bis zu einem c_t/c_n-Wert einigermassen tragbar ist, dass bei kleiner werdendem Volumenstrom sich der Druckrückgewinn jedoch dramatisch verschlechtert. Kurve B zeigt den völlig unzumutbaren Verlauf, wenn Strömungsrippen mit einem Verhält­nis Teilung zu Sehne von etwa 1 zur Anwendung gelangen.

[0016] Um dem abzuhelfen, wird nun gemäss der Erfindung zwischen den Austrittslaufschaufeln 12 und den Strömungsrippen 8 eine Reihe verstellbarer Leitschaufeln angeordnet, wie in Fig. 3 ersicht­lich. Die dort gezeigte Gasturbine entspricht in ihrer Struk­tur jener von Fig. 1, weshalb auf eine nochmalige Beschreibung des Aufbaus verzichtet wird. Die gleichen Elemente wie in Fig. 1 sind in Fig. 3 mit den selben Bezugszeichen ohne (') be­zeichnet. Gleichmässig über den Umfang verteilt sind gleich­ richtende Strömungsrippen 8 mit gerader Skelettlinie und mit einem Verhältnis Teilung zu Sehne von 0,5. Dieses Verhältnis tritt im Mittelschnitt des durchströmten Kanals der in radi­aler Richtung konisch verlaufenden Strömungsrippen auf.

[0017] Bei den Leitschaufeln 11 handelt es sich ebenfalls um symme­trische Profile mit gerader Skelettlinie, wie sie beispiels­weise unter dem Begriff NACA 0010 bekannt sind. Im vorliegen­den Fall weisen diese Leitschaufeln im Mittelschnitt des des durchströmten Kanals ein Verhältnis Teilung zu Sehne von 0,5 auf. Derartige Schaufeln sind bis zu einem gewissen Grad un­empfindlich gegen Schräganströmung, (s. Artikel von N. Scholz, "Untersuchungen an Schaufelgittern von Strömungsmaschinen", Zeitschrift für Flugwissenschaften, Nr. 3, 1955). Die Leit­schaufeln 11 verlaufen in radialer Richtung konisch und sind vorzugsweise verwunden.

[0018] Die Verstellung der Leitschaufeln 11 im Gitter erfolgt über nicht dargestellte Betätigungsmittel, wie sie beispielsweise aus dem Verdichterbau bekannt sind. Die eigentliche Verstel­lung erfolgt vorzugsweise automatisch in Funktion der Be­triebsparameter wie Last, Drehzahl usw. Der grösste Druckrück­gewinn wird erzielt, wenn die Einstellung der Leitschaufeln so erfolgt, dass die Wellenleistung bei allen Betriebsbedingungen den grösstmöglichen Wert annimmt. Geeignet ist demnach eine permanente Leistungsmessung. Der grösste Druckrückgewinn kann auch erzielt werden, wenn die Einstellung der Leitschaufeln so erfolgt, dass der statische Druck vor den Leitschaufeln 11, d.h. hinter den Austrittslaufschaufeln 12 den kleinstmöglichen Wert annimmt. Geeignet ist demnach eine permanente Differenz­druckmessung p_A-p_E.

[0019] Der Zylinderschnitt in Fig. 4 zeigt in vergrössertem Massstab den Schaufelplan in der betrachteten Gasturbinenzone. Hierin bedeuten jeweils die Zeichen c die Absolutgschwindigkeit, w die Relativgeschwindigkeit und u die Umfangsgeschwindigkeit der Maschine. Zwecks Angabe der Grössenordnung bei einem aus­geführten Beispiel haben die einzelnen Gitter bspw. folgende Daten: Die Sehne der Leitschaufeln 11 beträgt 125 mm, jene der Strömungsrippen ca. 700 mm. Das Verhältnis Profildicke zu Sehne beträgt bei den Leitschaufeln und bei den Strömungsrip­pen 0,1.

[0020] Die Leitschaufeln 11 werden näherungsweise unter den gleichen Bedingungen angeströmt, mit denen sie die Austrittslaufschau­feln 12 verlassen, d.h. mit der Geschwindigkeit c und einem Winkel α von 60°. Die Leitschaufeln 11 sind nunmehr unter einem Winkel β so angestellt, dass sie im Unempfindlichkeits­bereich arbeiten. Bei dem gewählten Verhältnis Teilung/Sehne = 0,5 beträgt dieser Bereich 20°. Die Abgase verlassen das Leit­gitter somit unter einem Winkel von annähernd 40°, mit welchem sie auf die Vorderkanten der gegen Schräganströmung ebenfalls unempfindlichen Strömungsrippen 8 auftreffen, wo sie in die Axiale, d.h. auf 0° ausgerichtet werden.

[0021] In der Leitbeschaufelung erfolgt nicht nur eine Umlenkung der Strömung. Man erkennt anhand des Betrages der dargestellten Geschwindigkeitsvektoren am Eintritt und am Austritt der Leit­schaufeln, dass es auch zu einem zusätzlichen Verdichtungsvor­gang kommt.

[0022] Die Kurve C in Fig. 2 zeigt nun die Wirkung einer jeweils optimal angestellten Leitbeschaufelung. Bis zum erwähnten c_t/c_n-Verhältnis von ca. 1 verläuft der Druckrückgewinn nahezu konstant und fällt erst danach in bescheidenem Masse ab, ver­glichen mit der Diffusorkonfiguration ohne Leitschaufeln.

[0023] Im Diagramm in Fig. 2 dargestellt ist gemäss Kurve D ebenfalls der nicht beschriebene Fall, dass die Strömungsrippen mit einem Verhältnis Teilung/Sehne = 1 ausgeführt sind. Dies bedeutet, dass im Vergleich zum beschriebenen Fall bei glei­cher Sehnenlänge die Anzahl der Strömungsrippen auf die Hälfte reduziert ist. Die Rippen könnten in einem solchen Fall mit einem entsprechend dickeren Profil ausgestattet werden, um ihrer Gleichrichteraufgabe besser nachkommen zu können. Da mit weniger Rippen auch weniger benetzte und Reibungsverluste ver­ ursachende Fläche im Diffusor vorliegt, ist bei Vollast, d.h. bei axialer Abströmung aus der Beschaufelung der Druckrückge­winn geringfügig höher als beim dargestellten Fall. Bei grös­ser werdender Schräganströmung der Strömungsrippen fällt jedoch zwangsläufig der Druckrückgewinn etwas steiler ab als jener bei grösserer Anzahl Rippen.

[0024] Es versteht sich, dass in der Praxis das Verhältnis Teilung zu Sehne optimiert wird bezüglich der Bedeutung der Teillast, mit der die Maschine gefahren wird.

[0025] Dem Diagramm ist ferner zu entnehmen, dass bei Vollast, d.h. im Bereich c_t/c_n zwischen -0,1 und +0,1 (je nach Auslegung der Beschaufelung) die zum Stand der Technik zählenden Diffusor­konfigurationen einen etwas besseren Druckrückgewinn erzielen. Dies daher, weil die im Diffusor umströmte Fläche insgesamt geringer ist als jene mit Leitschaufeln.

[0026] Aufgrund der bisherigen Ueberlegungen kann gefolgert werden, dass bei Vollast der Maschine die Leitschaufeln 11 mit ihrer Skelettlinie im Mittel axial ausgerichtet sind.

[0027] Die neue Massnahme ermöglicht es nun jedoch auch, am Austritt aus den letzten Laufschaufeln 12 einen gewissen Gegendrall zuzulassen, da stromabwärts im Diffusor eine axiale Ausrich­tung durch die Leitschaufeln und die Strömungsrippen stattfin­det. Dieser Gegendrall hätte folgende Vorteile:
- Die Stufenarbeit kann gesteigert werden bei gleichbleibendem Wirkungsgrad; oder
- Der Wirkungsgrad kann gesteigert werden bei gleichbleibender Stufenarbeit;
- die Schaufeln der letzten Laufreihe könnten weniger verwun­den ausgebildet werden, was zu einer Verbilligung führt;
- die Umlenkung in der letzten Turbinenstufe kann reduziert werden, was wegen der Partikelseparation insbesondere bei wirbelschichtgefeuerten Gasturbinen zum Tragen kommt.

[0028] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, welches einen Diffusor mit axialem Austritt zum Gegenstand hat und damit die Anordnung der Strömungsrippen stark erleichtert. Sie ist ins­besondere auch anwendbar bei Dampfturbinen oder den Turbinen von Abgasturboladern, welche beide in der Regel einen so­genannten axial-radialen Austritt aus der Beschaufelung haben. Die Mittel zur Drallwegnahme werden in solchen Maschinen durch den radialen Teil des Austrittsgehäuses selbst repräsentiert.

[0029] Desweiteren sind auch 2 oder mehrere hintereinanderangeordnete Leitgitter denkbar, wenn besonders hohe Ansprüche hinsichtlich Wirkungsgrad im Teillastgebiet bestehen.

[0030] Schliesslich kann in Abweichung zum gezeigten und beschriebe­nen Beispiel die Skelettform der Leitschaufeln auch gekrümmt sein, was selbstverständlich zu einer wesentlichen Verteuerung dieser Zusatzmassnahme führen würde.

Ansprüche

1. Axialdurchströmte Turbine, an deren Austrittslaufschau­feln (12) sich ein Diffusor (13) anschliesst, wobei innerhalb dessen Verzögerungszone Mittel zur Drallwegnahme (8) der drallbehafteten Strömung vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mitteln zur Drall­wegnahme (8) und den Austrittslaufschaufeln (12) mindestens eine Reihe mit verstellbaren Leitschaufeln (11) angeordnet ist.

2. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (11) eine gerade Skelettlinie mit symmetrischem Profil aufweisen.

3. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (11) in radialer Richtung konisch verlaufen.

4. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (11) verwunden sind.

5. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Teilung zu Sehne der Leit­schaufeln (11) im Mittelschnitt des durchströmten Kanales zwischen 0,5 und 1 beträgt.

6. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ,zur Drallwegnahme innerhalb des Diffusors (13) gleichmässig über dem Umfang angeordnete Strömungsrippen (8) sind mit gerader Skelettlinie und symme­trischem Profil und mit einem Verhältnis Teilung zu Sehne zwischen 0.5 und 1 im Mittelschnitt des durchströmten Kanales.

7. Axialdurchströmte Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrippen (8) in radialer Richtung konisch verlaufen.

8. Verfahren zum Betrieb einer axialdurchströmten Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschau­feln in Funktion von Betriebsparametern derart verstellt werden, dass bei jedem Betriebszustand die Wellenleistung den grösstmöglichen Wert annimmt.

9. Verfahren zum Betrieb einer axialdurchströmten Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschau­feln in Funktion von Betriebsparametern derart verstellt werden, dass bei jedem Betriebszustand der Druck zwischen den Austrittslaufschaufeln und den Leitschaufeln den kleinstmögli­chen Wert annimmt.

Zeichnung