Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft einen Axial-Radial-Diffusor einer Axialturbine, gemäss dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Im Austrittsbereich von Dampfturbinen wird der Ringkanalquerschnitt der Beschaufelung
in den Querschnitt des anschliessenden Auslasses für das Arbeitsmedium überführt.
Häufig muss dazu das Arbeitsmedium von axialer in radiale Richtung umgelenkt werden.
Dabei sollte die Ausbildung von Wirbeln möglichst verhindert werden. Zudem soll ein
möglichst grosser Druckrückgewinn und in der Folge ein hoher Wirkungsgrad der Dampfturbine
realisiert werden. Wesentliche Bauteile des Austrittsbereiches sind ein an die Beschaufelung
anschliessender Axial-Radial-Diffusor, ein Sammelraum für das Arbeitsmedium sowie
der in ein den Sammelraum umgebendes Abdampfgehäuse mündende Auslass.
[0003] Aus der DE 30 42 858 A1 ist eine Gasturbine mit einem stromab an die letzte Laufreihe
anschliessenden Diffusor bekannt, welcher die Rauchgase nach ihrer Entspannung in
der Beschaufelung der Gasturbine in Umfangsrichtung in einen weiter stromab angeordneten,
quaderförmigen Sammelraum leitet. Letzterer ist mit einem Abgas-Auslass verbunden.
Die Rauchgase treten im wesentlichen axial aus der Gasturbine bzw. dem Diffusor aus
und werden im Sammelraum in radiale Richtung umgelenkt. Um der Entstehung grösserer
Wirbel beim Übergang vom Diffusor zum Sammelraum und damit letztlich einer negativen
Beeinflussung der Gasturbinenleistung entgegenzuwirken, ist auf der äusseren Umfangsfläche
der Diffusoraussenwand eine sich zumindest teilweise über diese Umfangsfläche erstreckende
Strömungs-Leitvorrichtung angeordnet. In einer besonderen Ausführungsform ist die
Strömungs-Leitvorrichtung als ein am stromabwärtigen Ende der Diffusoraussenwand,
radial nach aussen vorspringender, ringförmiger, d.h. auf dem gesamten Umfang der
Diffusoraussenwand angeordneter Flansch (sogenannter Stehkragen) ausgebildet.
[0004] Demgegenüber besteht das Abdampfgehäuse von Dampfturbinen zumeist aus einem oberhalb
der Maschinenachse angeordneten, zylindrischen Oberteil und aus einem quaderförmigen
Unterteil, welches über einen Dampf-Auslass mit einem Kondensator verbunden ist. Eine
solche Dampfturbine mit einem zur Rückgewinnung von kinetischer Energie besonders
geeigneten Axial-Radial-Diffusor ist beispielsweise bereits aus dem Artikel von E.
Krämer et al, mit dem Titel "Nachrüstung von Niederdruck-Dampfturbinen", erschienen
in ABB Technik 5/1996, S. 4-13, insbesondere Abbildungen 6 und 12 sowie der diesbezüglichen
Beschreibung bekannt. Im Unterschied zum quaderförmigen Abgas-Sammelraum der Gasturbine
ist im Oberteil eines solchen Abdampfgehäuses relativ wenig Freiraum für den nach
oben überströmenden Dampf vorhanden. Aufgrund dessen hat jede diesen Freiraum verengende
Installation von Bauteilen einen Aufstau der Strömung und damit eine Druckerhöhung
des Dampfes über den Kondensatordruck zur Folge. Da jedoch am Dampf-Auslass ein geringerer
Druck herrscht, kommt es bei der Anordnung eines Stehkragens zu einer erneuten Beschleunigung
der Strömung, verbunden mit negativen Auswirkungen auf die Wirbelbildung und somit
auch auf die Turbinenleistung.
[0005] Mit der US 3120374 ist eine Turbomaschine mit einem torusförmigen, von einem im wesentlichen
rotationssymmetrischen Auslassgehäuse umgebenen Sammelraum, jedoch ohne Diffusorübergang
von der Beschaufelung zum Sammelraum bekannt. Im Gegensatz zu einer Niederdruck-Dampfturbine
erfolgt die Abströmung daher annähernd axial. Das Innengehäuse der Turbomaschine weist
eine radial auslaufende Lippe auf Stromab, d.h. beabstandet von der Lippe, ist auf
dem Innengehäuse der Dampfturbine ein radial ausgerichteter, umlaufender Stehkragen
angeordnet, welcher das Auslassgehäuse in zwei miteinander verbundene Kammern mit
unterschiedlichen Strömungs- und Druckverhältnissen teilt. Anstatt eines grossen Wirbeis
entstehen dadurch letztlich zwei kleine Wirbel, welche jedoch trotz insgesamt geringerer
Intensität die Nachteile des grossen Wirbeis beibehalten. Alternativ zur Hauptlösung
ist der Stehkragen aus Kostengründen nur über 180° des lnnengehäuseumfangs der Dampfturbine
ausgebildet und auf der Austrittseite des Auslassgehäuses angeordnet. Im Vergleich
zum umlaufenden Stehkragen (360°) wird dieser Lösung jedoch ein geringerer Effekt
zugeschrieben.
Darstellung der Erfindung
[0006] Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde,
den Axial-Radial-Diffusor einer Axialturbine so auszubilden, dass die Strömungsführung
im Austrittsbereich des Arbeitsmediums verbessert, der Druckrückgewinn und damit auch
der Wirkungsgrad der Axialturbine erhöht werden.
[0007] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, auf der dem Auslass zugewandten Halbschale des Axial-Radial-Diffusors
eine Strömungs-Leitvorrichtung angeordnet ist. Die Strömungs-Leitvorrichtung ist bündig
zum Diffusoraustritt ausgebildet und zum Auslass ausgerichtet.
[0008] Die zylindernahe Strömung trägt einen grossen Anteil zu den kinetischen Austrittsverlusten
bei. Sie ist durch grosse Radial- und Tangentialkomponenten gekennzeichnet, welche
durch einen Axialdiffusor nicht oder nur zu einem geringen Teil verzögert werden können.
Die erfindungsgemässe Strömungs-Leitvorrichtung ist quer zur Haupt-Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums durch die Axialturbine ausgerichtet. Sie führt die zylindernahe
Strömung radial und tangential nach aussen und verzögert diese Anteile durch den Radiuszuwachs.
Insbesondere verhindert sie die Mischung dieser zylindernahen, hoch energetischen
Strömung mit dem sich um das Innengehäuse der Axialturbine herumschlingenden Wirbel.
Dies hat sowohl eine homogenere Druckverteilung in der dem Auslass zugewandten Halbschale
des Axial-Radial-Diffusors als auch als auch einen tieferen Druck am Diffusoraustritt
zur Folge. Der tiefere Druck im Axial-Radial-Diffusor erzeugt eine regelrechte Absaugung
des Arbeitsmediums in Richtung des Auslasses. Zudem kann ein Aufstau der Strömung
im zylindrischen Gehäuseteil vermindert werden, weil in diesem Bereich keinerlei strömungsführende
Einbauten vorhanden sind. Letztlich wird durch die Strömungs-Leitvorrichtung der Druckrückgewinn
und damit auch der Wirkungsgrad der Axialturbine erhöht.
[0009] Bei einer Axialturbine mit einem Unterflur-Auslass wird die Strömungs-Leitvorrichtung
unterhalb einer Trennebene des das Arbeitsmedium der Axialturbine aufnehmenden Gehäuses
angeordnet, während sie bei einem seitlich positionierten Auslass in der Trennebene
des Gehäuses ausgebildet ist.
[0010] Es ist besonders zweckmässig, wenn die Strömungs-Leitvorrichtung eine im wesentlichen
dem Aussendurchmesser des Diffusoraustrittes entsprechende Breite besitzt. Eine unterhalb
der Trennebene des Gehäuses angeordnete Strömungs-Leitvorrichtung weist zudem bei
einem Winkel α von etwa 45° zur Trennebene sowie bei einem Winkel β von 135° zur Trennebene
jeweils eine maximale, radiale Ausdehnung auf. Dagegen besitzt eine in der Trennebene
des Gehäuses angeordnete Strömungs-Leitvorrichtung jeweils eine maximale, radiale
Ausdehnung bei einem Winkel χ von etwa + 45° zur Trennebene sowie bei einem Winkel
δ von - 45° zur Trennebene. Neben konstruktiven Vorteilen erlaubt eine solche Lösung
auch eine vereinfachte Montage.
[0011] Ferner ist es vorteilhaft, wenn die maximale, radiale Ausdehnung der Strömungs-Leitvorrichtung
etwa 75 bis 100 % des Spitzendurchmessers einer stromauf des Axial-Radial-Diffusors
angeordneten Endschaufel der Axialturbine beträgt. Damit kann die Energie der sich
beim Übergang vom Diffusor zum Sammelraum ausbildenden, störenden Wirbelströmung auf
etwa 66 % bis 75 % reduziert werden, was gleichbedeutend mit einem erhöhten Druckrückgewinn
bzw. mit einem verbesserten Wirkungsgrad der Axialturbine ist.
[0012] Ebenso kann die Strömungs-Leitvorrichtung auch halbringförmig ausgebildet sein und
sich über etwa 180° des Diffusoraustrittes erstrecken. Diese Alternativlösung weist
fertigungstechnische und insbesondere strömungsmechanische Vorteile auf, so dass mit
ihr eine verbesserte Strömungsführung erreicht werden kann.
[0013] Besonders vorteilhaft sind die Axialturbine als Dampfturbine und der Sammelraum für
das Arbeitsmedium als Abdampf-Sammelraum der Dampfturbine ausgebildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0014] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch und
vereinfacht dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Axialschnitt durch eine Niederdruck-Dampfturbine des Standes der Technik;
- Fig. 2
- einen Teillängsschnitt der Dampfturbine, mit Darstellung der letzten Laufschaufelreihe
und des erfindungsgemäss ausgebildeten Axial-Radial-Diffusors;
- Fig. 3
- einen Teilquerschnitt durch die Dampfturbine, entlang der Linie III-III in Fig. 2;
- Fig. 4
- eine Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 5
- eine Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch in einem dritten Ausführungsbeispiel.
[0015] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die der Dampfturbine vor-bzw.
nachgelagerten Bauteile. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen
bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0016] In der Figur 1 ist eine mit einem Axial-Radial-Diffusor 1 ausgestattete, als Dampfturbine
ausgebildeten Axialturbine 2 des Standes der Technik dargestellt. Dabei sind nur die
für das Verständnis der Wirkungsweise wesentlichen Elemente mit Bezugszeichen versehen.
Die Hauptkomponenten der Dampfturbine 2 sind ein Aussengehäuse 3, ein Innengehäuse
4 und ein Läufer 5. Das Aussengehäuse 3 besteht aus mehreren, nicht näher bezeichneten
Teilen, die in der Regel erst am Errichtungsort der Dampfturbine 2 miteinander verschraubt
bzw. verschweisst werden. Das Innengehäuse 4 weist ein Zuströmgehäuse 6 und mehrere
nachgeschaltete Leitschaufelträger 7 auf, die mit Leitschaufeln 8 bestückt sind. Aussengehäuse
3, Innengehäuse 4 und Leitschaufelträger 7 sind horizontal geteilt und an nicht dargestellten
Trennflanschen miteinander verschraubt. In der Ebene dieser Trennflansche ist das
Innengehäuse 4 mittels Tragarmen im Aussengehäuse 3 abgestützt.
[0017] Der mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 9 bestückte Läufer 5 ist aus Wellenscheiben
und Wellenenden mit integrierten Kupplungsflanschen zusammengeschweisst. Er ist mittels
nicht dargestellter Gleitlager in Lagergehäusen abgestützt.
[0018] Der Weg des als Arbeitsmedium 10 eingesetzten Dampfes führt von einer Zudampfleitung
über eine Dampfdurchführung im Aussengehäuse 3 in das Innengehäuse 4. Das Zuströmgehäuse
6 sorgt dafür, dass der Dampf 10 gut geführt zu den beiden Fluten der Beschaufelung
gelangt. Nach Abgabe der Energie an den Läufer 5 gelangt der Dampf 10 über den ringförmigen
Axial-Radial-Diffusor 1 in einen als Abdampf-Sammelraum ausgebildeten Sammelraum 11
des Aussengehäuses 3, bevor er über einen Auslass 12 zu einem nicht dargestellten
Kondensator abströmt. Axial durchströmte Wellendichtungen 13 an der Läuferdurchführung
im Aussengehäuse 3 verhindern das Eintreten von Umgebungsluft in den Abdampf 10.
[0019] Die Figur 2 zeigt einen Teillängsschnitt durch die Dampfturbine 1, wobei insbesondere
die letzte Reihe der Laufschaufeln 9, der an diese anschliessende Axial-Radial-Diffusor
1 und ein den Abdampf-Sammelraum 11 umschliessendes, als Abdampfgehäuse ausgebildetes
Gehäuse 14 dargestellt sind. Der Axial-Radial-Diffusor 1 besitzt einen Diffusoreintritt
15 und einen in den Abdampf-Sammelraum 11 einmündenden Diffusoraustritt 16. Das Abdampfgehäuse
14 besteht aus einem zylindrischen sowie aus einem quaderförmigen Gehäuseteil 17,
18. Dabei ist das zylindrische Gehäuseteil 17 als Oberteil und das quaderförmige Gehäuseteil
18 als Unterteil des Abdampfgehäuses 14 ausgeformt. Beide Gehäuseteile 17, 18, sind
in einer Trennebene 19 miteinander verbunden (Fig. 3). Sowohl das zylindrische als
auch das quaderförmige Gehäuseteil 17, 18 werden in Strömungsrichtung des Dampfes
10 von einer Prallwand 20 abgeschlossen. Das Abdampfgehäuse 14 ist mit einem Kondensator
21 verbunden und besitzt dazu an seinem quaderförmigen Gehäuseteil 18 den bereits
beschriebenen Auslass 12 für den Abdampf 10. Der Axial-Radial-Diffusor 1 verfügt über
eine dem Auslass 12 zugewandte und eine von diesem abgewandte Halbschale 22, 23. Auf
der dem Auslass 12 zugewandten Halbschale 22 ist eine als Latz ausgebildete StrömungsLeitvorrichtung
24 befestigt. Letztere ist bündig zum Diffusoraustritt 16 sowie quer zur Haupt-Strömungsrichtung
des Dampfes 10 durch die Axialturbine 2 angeordnet und zum Auslass 12 ausgerichtet.
[0020] Der Latz 24 weist eine Breite 25 auf, welche im wesentlichen einem Aussendurchmesser
26 des Diffusoraustrittes 16 entspricht. Er besitzt bei einem Winkel α von etwa 45°
zur Trennebene 19 des Abdampfgehäuses 14 sowie bei einem Winkel β von etwa 135° zur
Trennebene 19 jeweils eine maximale, radiale Ausdehnung 27.
[0021] Die in Figur 2 dargestellten, der letzten Schaufelreihe der Dampfturbine 2 zugehörigen
Laufschaufeln 9 werden auch als Endschaufeln bezeichnet. Die Endschaufeln 9, als die
längsten Schaufeln der Dampfturbine 2, sind mit einem Spitzendurchmesser 28 versehen,
welcher in einem besonderen Verhältnis zur radialen Erstreckung des Latzes 24 steht.
So beträgt dessen maximale, radiale Ausdehnung 27 etwa 75 bis 100 % des Spitzendurchmessers
28 der Endschaufeln 9. Zudem ist der Latz 24 mit einer dem Auslass 12 zugewandten,
abgeflachten Abströmseite 29 ausgestattet.
[0022] Beim Betrieb der Dampfturbine 2 strömt der die Beschaufelung verlassende Abdampf
10 zunächst durch den Axial-Radial-Diffusor 1 in den Abdampf-Sammelraum 11 und wird
in radiale Richtung umgeleitet. Aufgrund des erfindungsgemäss ausgebildeten und angeordneten
Latzes 24 erfolgt dabei eine Trennung des Abdampfes 10 in eine energiereiche Hauptströmung
30 prallwandseitig des Latzes 24 und in eine sich auf der der Prallwand 20 abgewandten
Seite des Latzes 24 ausbildende Wirbelströmung 31. Die Hauptströmung 30 überstreicht
den Latz 24 in Richtung des Auslasses 12 und wird über diesen direkt und separat von
der Wirbelströmung 31 in den Kondensator 21 geführt. Dabei werden die Geschwindigkeitskomponenten
der Hauptströmung 30 durch den grösser werdenden Radius in radialer und in Umfangsrichtung
deutlich verzögert Demgegenüber wird die Wirbelströmung 31 unterhalb der Trennebene
19 durch den Latz 24 von der Hauptströmung 30 weitgehend abgeschirmt, so dass Interaktionen
deutlich reduziert werden. Die Hauptströmung 30 ist daher nicht mehr in der Lage,
die Wirbelströmung 31 weiter anzutreiben, so dass letztere nicht verstärkt wird. Dadurch
kommt es zu einer homogeneren Druckverteilung im Abdampfgehäuse 14 und zu einem tieferen
Druck am Diffusoraustritt 16, was letztlich den Druckrückgewinn und damit auch den
Wirkungsgrad der Dampfturbine 2 erhöht.
[0023] Gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der ist der Latz 24 halbringförmig ausgebildet
und erstreckt sich über etwa 180° des Diffusoraustrittes 16 (Fig. 4). Ein derart ausgeformter
Latz 24 kann besonders kostengünstig gefertigt werden. Seine Funktion entspricht im
wesentlichen der des im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Latzes 24. Mit einem
solchen halbringförmigen Latz 24 kann bei bestimmten Auslegungsvarianten jedoch eine
verbesserte Wirkung erzielt werden.
[0024] In einem dritten Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 21 nicht unterhalb des Abdampfgehäuses
14 sondern neben diesem angeordnet (Fig. 5). In diesem Fall befindet sich der Auslass
12 für das Arbeitsmedium 10 seitlich am quaderförmigen Gehäuseteil 18 des Abdampfgehäuses
14. Der Latz 24 ist entsprechend ausgebildet, d.h. erweist bei einem Winkel χ von
etwa + 45° zur Trennebene 19 des Gehäuses 14 sowie bei einem Winkel δ von - 45° zur
Trennebene 19 jeweils eine maximale, radiale Ausdehnung 27 auf.
[0025] Natürlich kann ebenso der Axial-Radial-Diffusor einer Gasturbine mit einer geeigneten
Strömungs-Leitvorrichtung versehen werden, so dass auch deren Abgase weitgehend verlustfrei
abgeführt werden können.
Bezugszeichenliste
[0026]
- 1
- Axial-Radial-Diffusor
- 2
- Axialturbine, Dampfturbine
- 3
- Aussengehäuse
- 4
- Innengehäuse
- 5
- Läufer
- 6
- Zuströmgehäuse
- 7
- Leitschaufelträger
- 8
- Leitschaufel
- 9
- Laufschaufel, Endschaufel
- 10
- Arbeitsmedium, Dampf, Abdampf
- 11
- Sammelraum, Abdampf-Sammelraum
- 12
- Auslass
- 13
- Wellendichtung
- 14
- Gehäuse, Abdampfgehäuse
- 15
- Diffusoreintritt
- 16
- Diffusoraustritt
- 17
- zylindrisches Gehäuseteil
- 18
- quaderförmiges Gehäuseteil
- 19
- Trennebene
- 20
- Prallwand
- 21
- Kondensator
- 22
- Halbschale, dem Auslass 12 zugewandte
- 23
- Halbschale, vom Auslass 12 abgewandte
- 24
- Strömungs-Leitvorrichtung, Latz
- 25
- Breite, von 24
- 26
- Aussendurchmesser, von 16
- 27
- maximale, radiale Ausdehnung
- 28
- Spitzendurchmesser
- 29
- Abströmseite
- 30
- Hauptströmung
- 31
- Wirbelströmung
1. Axial-Radial-Diffusor einer Axialturbine mit einem aus einem zylindrischen sowie aus
einem quaderförmigen Gehäuseteil (17, 18) bestehenden, einen an den Axial-Radial-Diffusor
(1) stromab anschliessenden Sammelraum (11) für ein Arbeitsmedium (10) der Axialturbine
(2) umgebenden Gehäuse (14) und mit einem am quaderförmigen Gehäuseteil (18) angreifenden
Auslass (12) für das Arbeitsmedium (10), wobei der Axial-Radial-Diffusor (1) eine
dem Auslass (12) zugewandte und eine vom Auslass (12) abgewandte Halbschale (22, 23)
sowie einen in den Sammelraum (11) einmündenden Diffusoraustritt (16) besitzt, dadurch
gekennzeichnet, dass auf der dem Auslass (12) zugewandten Halbschale (22) des Axial-Radial-Diffusors
(1), bündig zum Diffusoraustritt (16) eine Strömungs-Leitvorrichtung (24) angeordnet
und letztere zum Auslass (12) ausgerichtet ist.
2. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitvorrichtung
(24) unterhalb einer Trennebene (19) des Gehäuses (14) angeordnet ist.
3. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitvorrichtung
(24) eine Breite (25) aufweist, welche im wesentlichen einem Aussendurchmesser (26)
des Diffusoraustrittes (16) entspricht, und dass die Strömungs-Leitvorrichtung (24)
bei einem Winkel α von etwa 45° zur Trennebene (19) des Gehäuses (14) sowie bei einem
Winkel β von 135° zur Trennebene (19) jeweils eine maximale, radiale Ausdehnung (27)
aufweist.
4. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitvorrichtung
(24) in der Trennebene (19) des Gehäuses (14) angeordnet ist.
5. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitvorrichtung
(24) eine Breite (25) aufweist, welche im wesentlichen einem Aussendurchmesser (26)
des Diffusoraustrittes (16) entspricht, und dass die Strömungs-Leitvorrichtung (24)
bei einem Winkel χ von etwa + 45° zur Trennebene (19) des Gehäuses (14) sowie bei
einem Winkel δ von - 45° zur Trennebene (19) jeweils eine maximale, radiale Ausdehnung
(27) aufweist.
6. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialturbine
(2) eine stromauf des Axial-Radial-Diffusors (1) angeordnete Reihe von Endschaufeln
(9) mit einem Spitzendurchmesser (28) besitzt und die maximale, radiale Ausdehnung
(27) der Strömungs-Leitvorrichtung (24) etwa 75 bis 100 % dieses Spitzendurchmessers
(28) beträgt.
7. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitvorrichtung
(24) mit einer dem Auslass (12) zugewandten, abgeflachten Abströmseite (29) ausgestattet
ist.
8. Axial-Radial-Diffusor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungs-Leitvorrichtung
(24) halbringförmig ausgebildet ist und sich über etwa 180° des Diffusoraustrittes
(16) erstreckt.
9. Axial-Radial-Diffusor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Axialturbine (2) als Dampfturbine und der Sammelraum (11) als Abdampf-Sammelraum
der Dampfturbine ausgebildet sind.