Niederdruckdampfturbine mit Mehrkanal-Diffusor

Abstract

 Ein axial/radialer Dreikanal-Diffusor weist zwei Leitbleche (8,9) zur Unterteilung des Diffusors in drei Teildiffusoren (10,11, 12) auf, die so verteilt sind, dass die Flächenverteilung in der Eintrittsfläche des Diffusors auf die drei Teildiffusoren (10,11,12) ungleichmäßig ist. Die Leitbleche (8,9) sind entsprechend dem Totaldruckfeld nach der letzten Laufschaufelreihe (3) ausgerichtet und sind mit einem Mindestabstand von der Hinterkante der letzten Laufschaufelreihe (3) angeordnet. Aufgrund seiner grossen Erstreckung im Verhältnis zu den Kanalhöhen der Teildiffusoren (10,11,12) bewirkt der Dreikanal-Diffusor eine sanfte Umlenkung der Diffusorströmung. Der erfindungsgemässe Diffusor erbringt einen verbesserten Druckrückgewinn und eine erhöhte Turbinenleistung.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine axial durchströmte Niederdruckdampfturbine mit einem axial/radialen Mehrkanal-Diffusor und Abdampfgehäuse zur verlustarmen Führung des Beschaufelungsabdampfs.

Stand der Technik

[0002] Ein Diffusor dieser Art ist in der DE 44 22 700 beschrieben. Der dort offenbarte Diffusor weist im Anschluss an die letzte Laufschaufelreihe einer Niederdruckdampfturbine einen axialen Strömungseintritt und einen radialen Strömungsaustritt auf. Der Diffusor ist im Hinblick auf eine Optimierung der Turbinenleistung durch einen grösstmöglichen Druckrückgewinn ausgelegt. Hierzu sind die ersten Teilstücke des inneren und äusseren Diffusorringes jeweils bezüglich der Nabe beziehungsweise dem Schaufelträger in einem Knickwinkel ausgerichtet. Diese Massnahme dient einer Vergleichmässigung des Totaldruckprofils über der Kanalhöhe des Diffusors im Bereich der letzten Laufschaufelreihe. Weiter weist der Diffusor ein radial nach aussen gekrümmtes Leitblech auf, das ihn in einen inneren und einen äusseren Kanal aufteilt. Im äusseren und inneren Kanal sind dabei Strömungsrippen angeordnet, die radial beziehungsweise diagonal angeströmt werden. Das Leitblech dient der Umlenkung sowie auch der Führung der Abströmung. Die Strömungsrippen bezwecken die Abstützung des Leitblechs und insbesondere eine Reduzierung des Dralls in der Verzögerungszone, wodurch auch sie der Optimierung des Druckrückgewinns beitragen. Realisierte Strömungsrippen können jedoch nur bei einer bestimmten Betriebslast eine optimale Drallreduzierung herbeiführen. Bei einer unterschiedlichen Betriebslast ist die Drallreduzierung nicht unbedingt optimal. Ein Diffusor mit dieser Massnahme erzielt deshalb nur bei einer bestimmten Betriebslast einen optimalen Druckrückgewinn. Ferner sind die Strömungsrippen und ihre Befestigung an den Leitblechen mit einem relativ grossen konstruktiven Aufwand verbunden. Zudem interferiert die supersonische Spaltströmung mit der restlichen, subsonischen Strömung.

[0003] In der EP 581 978, insbesondere in der Figur 4 jener Schrift, ist ein Mehrkanal-Abgasdiffusor für eine axial durchstömte Gasturbine mit axialem Strömungseintritt und radialem Strömungsaustritt offenbart. Dieser Mehrkanal-Diffusor weist entlang seiner Länge drei Zonen auf. Die erste Zone ist in der Art eines Glockendiffusors ausgebildet und erstreckt sich einkanalig von der letzten Laufschaufelreihe bis zur Austrittsebene mehrerer Strömungsrippen. Die Diffusorringe weisen auch hier Knickwinkel auf, die so festgelegt sind, dass eine Homogenisierung des Totaldruckprofils erreicht wird. Die zweite Zone weist stromabwärts von den Strömungsrippen strömungsführende Leitringe auf, welche mehrere Kanäle bilden. Die dritte Zone dient der starken Umlenkung der Abgasströmung in radiale Richtung und mündet anschliessend in den Kamin der Gasturbine. Zu diesem Zweck sind die Leitringe der zweiten Zone über die Länge der dritten Zone weitergeführt, wobei sie dort gekrümmt sind. Die zweite Zone weist geringe Umlenkung, jedoch hohe Difffusorwirkung auf, die dritte Zone grosse Umlenkung, jedoch nur sehr bescheidene Diffusorwirkung auf.

Darstellung der Erfindung

[0004] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung für eine Niederdruckdampfturbine einen axial/radialen Mehrkanal-Diffusor mit Abdampfgehäuse zu schaffen, der im Vergleich zu den Diffusoren des Standes der Technik einen verbesserten Druckrückgewinn erzielt, wodurch der Wirkungsgrad der Niederdruckdampfturbine erhöht wird. Ferner soll der Mehrkanal-Diffusor für möglichst viele Betriebsbedingungen der Dampfturbine gleichsam optimiert sein und mit einem reduzierten konstruktiven Aufwand verbunden sein. Schliesslich soll das Abdampfgehäuse im Hinblick auf die Turbinenleistung auf den Diffusor abgestimmt sein.
Diese Aufgabe ist durch einen axial/radialen Dreikanal-Diffusor mit Abdampfgehäuse gemäss Anspruch 1 gelöst. Der Dreikanal-Diffusor weist drei Teildiffusoren auf, einen inneren, mittleren und äusseren Teildiffusor, die durch einen inneren Diffusorring, einen äusseren Diffusorring und zwei zwischen den Diffusorringen angeordneten Leitbleche gebildet sind. Ein erstes Teilstück des inneren Diffusorrings ist dabei bezüglich der Nabe in einem nach innen, zur Rotorachse hin gerichteten Knickwinkel und ein erstes Teilstück des äusseren Diffusorrings ist in einem bezüglich dem Schaufelkanal auf der Höhe der letzten Laufschaufelreihe nach aussen, von der Rotorachse weg gerichteten Knickwinkel angeordnet.

[0005] In dem erfindungsgemässen axial/radialen Dreikanal-Diffusor erstrecken sich insbesondere die zwei Leitbleche über die gesamte Länge des Diffusors. Sie sind zwischen dem inneren und äusseren Diffusorring ungleichmässig verteilt, sodass die Flächenverteilung auf die drei Teildiffusoren in der Eintrittsfläche des Diffusors ungleichmässig ist. Dabei entfällt in der Eintrittsebene der Grossteil der Eintrittsfläche auf den inneren und mittleren Teildiffusor und ein Kleinteil der Eintrittsfläche auf den äusseren Teildiffusor. Weiter bilden die Anfangstangenten der beiden Leitbleche zusammen mit den geradlinig approximierten nabenseitigen und gehäuseseitigen Grenzen des Beschaufelungskanals über der Endstufe der Niederdruckdampfturbine zumindest näherungsweise einen gemeinsamen Schnittpunkt in der Meridianebene. Schliesslich sind die Leitbleche möglichst nahe der letzten Laufschaufelreihe angeordnet, wobei der Abstand zwischen der letzten Laufschaufelreihe und den Vorderkanten der Leitbleche durch den für alle Betriebsbedingungen zulässigen Mindestabstand bestimmt ist.

[0006] Hiermit sind die Merkmale des Diffusors in seiner Interaktionszone mit der letzten Stufe dargelegt.

[0007] Die Diffusionszone des Diffusors ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet. Das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche der einzelnen Teildiffusoren ist grösser zwei für den mittleren Teildiffusor und grösser drei für den äusseren Teildiffusor. Für den inneren Teildiffusor ist das entsprechende geometrische Flächenverhältnis in einem Bereich von 1.5 bis 1.8.

[0008] Weiter ist für den mittleren Teildiffusor das Verhältnis seiner Länge zu seiner Kanalhöhe in der Eintrittsfläche mindestens gleich vier. Für den äusseren Teildiffusor ist das Verhältnis von Länge zu Kanalhöhe in der Eintrittsfläche mindestens gleich 10 und für den inneren Teildiffusor ist das entsprechende Verhältnis mindestens gleich 2.5. Aufgrund dieser relativ grossen Längen-zu-Kanalhöhen-Verhältnisse sind die Umlenkungen der Teildiffusoren entsprechend relativ sachte.

[0009] Das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche des gesamten Diffusors beträgt circa zwei.

[0010] Schliesslich ist das Abdampfgehäuse des Diffusors so ausgelegt, dass die Grösse der Fläche der Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte des Abdampfgehäuses auf die Grösse der Austrittsflächen der Teildiffusoren abgestimmt ist.

[0011] Die zwei Leitbleche dienen der Trennung des Diffusorkanals in drei Teildiffusoren, in denen die Beschaufelungsabströmung geführt wird. Die bewirkte Strömungsführung ist dabei je besser je mehr Teildiffusoren bei gleichem Gesamtdiffusor vorhanden sind. Hingegen entstehen mehr Reibungsverluste und höhere Versperrungen je mehr Leitbleche angeordnet sind. Die hier gewählte Anzahl, drei Teildiffusoren und zwei Leitbleche, hat den Vorteil, dass eine optimierte Strömungsführung bei vertretbaren Reibungsverlusten an den Oberflächen der Leitbleche sowie Versperrungen bewirkt wird.

[0012] Die Leitbleche und Teildiffusoren bewirken eine Führung und Stabilisierung der Beschaufelungsabströmung sowie eine Umlenkung in eine radiale Richtung. Da die Leitbleche sich über die gesamte Länge des Diffusors erstrecken, wird diese Führung weiter unterstützt.
Die radiale Erstreckung der Teildiffusoren dient weiter der Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit auf natürliche Weise. Die Teildiffusoren sind dadurch für alle Betriebsbedingungen bezüglich der Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit optimal. Ferner ist der konstruktive Aufwand für die Leitbleche relativ klein und für die Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit sind keine weiteren konstruktiven Massnahmen wie Umlenkungs- und Strömungsrippen notwendig.

[0013] Die Strömungsführung und -stabilisierung wird weiter insbesondere durch die Verteilung der Diffusoreintrittsfläche auf die drei Teildiffusoren herbeigeführt. Ein Grossteil der Eintrittsfläche entfällt auf den inneren und mittleren Kanal, wodurch der Grossteil der Strömung von der Beschaufelung zum Abdampfgehäuse geführt wird. Der Kleinteil der Eintrittsfläche entfällt auf den äusseren Kanal, durch den die supersonische Spaltströmung sowie die von der Spaltströmung beeinflusste Strömung aus der Turbine aufgenommen wird und meridional umgelenkt und vom Grossteil der Strömung abgeschirmt zum Abdampfgehäuse geführt wird. Durch diese Abschirmung werden Strömungsinterferenzen zwischen dem Grossteil der Strömung und der hochenergetischen Spaltströmung vermieden, welche die Diffusorwirkung beeinträchtigen würden.
Der minimale Abstand zwischen der letzten Schaufelreihe und den Vorderkanten der Leitbleche trägt weiter zur optimalen Abschirmung der Spaltströmung und zur Vermeidung von Strömungsinterferenzen und Stromlinienkonvergenzen bei.
Das Verhältnis von Länge zu Kanalhöhe jedes Teildiffusors von 2.5 und mehr ermöglicht eine sachte Umlenkung von der axialen, oder diagonalen, zur radialen Strömungsrichtung, was die Ablösung der verzögerten Strömung, selbst bei einem Verhältnis der Austrittsfläche zu Eintrittsfläche von 1.6, verhindert.

[0014] Die Führung und Stabilisierung der Beschaufelungsabströmung durch die drei Teildiffusoren, die Abschirmung der hochenergetischen Spaltströmung sowie die sachte Umlenkung aufgrund der Länge der Kanäle im Verhältnis zu ihren Kanalhöhen bewirken insgesamt eine Vergleichmässigung und Absenkung des Totaldruckprofils auf der Höhe der letzten Laufschaufelreihe. Die dadurch bewirkte Mehrleistung führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Niederdruckdampfturbine.

[0015] Die Auslegung des erfindungsgemässen Diffusors basiert auf einem inversen Designverfahren, bei dem zunächst die vorherrschenden Strömungsfelder ermittelt werden. Daran anschliessend werden daraus die jeweils idealen Strömungsfelder errechnet und die Geometrie des Diffusors aufgrund dieser idealen Strömungsfelder bestimmt wird. Insbesondere wurde dieser Dreikanal-Diffusor bei Grenzlastbedingungen ausgelegt. Bei Grenzlast wurde ein Strömungsfeld ermittelt, für das ein Dreikanal-Diffusor mit einer Ausrichtung der Anfangstangente seiner Leitbleche gemäss der Erfindung den höchsten Druckrückgewinn erzielt. Durch experimentelle Beweisführung ist die aus dieser Auslegung resultierende Geometrie im gesamten Betriebsbereich der Turbine den Diffusoren des Standes der Technik überlegen. Diese Auslegung erbringt ferner den Vorteil, dass eine höhere Turbinenleistung bei einem gleichem Kondensatordruck erzielt wird oder dass die gleicheTurbinenleistung bei höherem Kondensatordruck erzielt wird und dadurch ein kleineres, preisgünstigeres Kühlsystem für die Dampfturbine erforderlich ist.

[0016] In besonderen Ausführungen der Erfindung sind nachfolgend weitere besondere Merkmale der Interaktionszone des Diffusors offenbart.
In einer ersten besonderen Ausführung der Erfindung liegen die Anfangstangenten der Leitbleche in einem Winkelbereich um die ersten Knickpunkte der Leitbleche und um eine Referenzanfangstangente, die zumindest näherungsweise durch den ersten Knickpunkt des Leitblechs und durch den Schnittpunkt der geradlinigen approximierten Grenzen des Schaufelkanals führen.

[0017] In einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung entfällt auf den äusseren Teildiffusor ein Anteil der gesamten Strömungseintrittsfläche des Diffusors im Bereich von 10-12 %. Die restliche Eintrittsfläche ist zu 55-60% auf den inneren Teildiffusor und zu 30-35% auf den mittleren Teildiffusor verteilt.

[0018] In einer weiteren Ausführung beträgt der Abstand zwischen den Vorderkanten der Leitbleche und der Hinterkante der letzten Laufschaufel 4% der gesamten Höhe der Laufreihe.
In einer weiteren Ausführung sind die Vorderkanten der Leitbleche am Strömungseintritt des Diffusors profiliert ausgebildet, wodurch eine sanfte Beschleunigung beim Eintritt in die Teildiffusoren bewirkt wird.

[0019] In weiteren Ausführungen zeichnet sich die Diffusionszone des Diffusors wie folgt aus.
Die Leitbleche sind jeweils durch Streben oder Stützen getragen, die sich vom inneren und äusseren Diffusorring zu den beiden Leitblechen erstrecken. Der mittlere Teildiffusor bleibt dabei frei von Stützen und weist dadurch minimale Strömungsstörungen und Verluste auf.

[0020] In einer weiteren, besonderen Ausführung der Abdampfzone des Diffusors ist am Ende Leitblech zwischen dem inneren und mittleren Teildiffusor in einer radialen Verlängerung ein Abdampfleitblech angeordnet. Dieses Abdampfleitblechblech bewirkt eine bessere Strömungsverteilung im Abdampfgehäuse, wodurch die Strömungsverluste minimiert sowie der Kondensator gleichmässiger beaufschlagt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0021] Es zeigen:

Figur 1 einen vertikalen Schnitt eines erfindungsgemässen Diffusors mit Abdampfgehäuse,

Figur 1a ein Detail der zylinderseitigen Interaktionszone des Diffusors,

Figur 1b ein Detail der nabenseitigen Interaktionszone des Diffusors,

Figur 2 ein Detail der profilierten Vorderkanten der Leitbleche am Diffusoreintritt,

Figur 3 ein Querschnitt durch ein Abdampfgehäuse des Diffusors,

Figur 4 eine Sicht auf die Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte des Diffusors.

Figur 5 einen vertikalen Schnitt einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Diffusors mit Abdampfgehäuse,

Figur 6 eine Sicht auf die Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte der weiteren Variante von Figur 5.

Weg der Ausführung der Erfindung

[0022] Figur 1 zeigt einen Dreikanal-Diffusor als Teil einer Niederdruckdampfturbine. Er führt die Beschaufelungsabströmung in ein Abdampfgehäuse 20. Von der Niederdruckdampfturbine ist der Rotor 1 mit Rotorachse 2 und eine Laufschaufel 3 der letzten Laufschaufelreihe gezeigt. Der Dreikanal-Diffusor ist von einem inneren Diffusorring 4 und einem äusseren Diffusorring 5 begrenzt. Der äussere Diffusorring 4 ist mit dem Schaufelträger 7 verbunden. Der innere und äussere Diffusorring 4 und 5 weisen im Bereich der Hinterkante der Laufschaufel 3 Knickwinkel θ_N beziehungsweise θ_Z auf, wobei, wie in den Figuren 1a und 1b dargestellt, der Winkel θ_N durch das erste Teilstück 4' des inneren Diffusorrings 4 und einer Verlängerung der Nabe 6 und der Winkel θ_Z durch die Verlängerung des letzten Teilstückes 7' des Schaufelträgers 7 und dem ersten Teilstück 5' des äusseren Diffusorrings 5 gebildet werden. Diese Knickwinkel betragen beispielsweise 10-20° und tragen dazu bei, dass ein möglichst homogenes Totaldruckprofil am Austritt der letzten Laufschaufelreihe erzielt wird.

[0023] Der Diffusor weist in seinem Innern zwei Leitbleche 8 und 9 auf, die den Diffusor in drei Teilkanäle, einen inneren Teildiffusor 10, einen mittleren Teildiffusor 11 und einen äusseren Teildiffusor 12 aufteilen. Die Leitbleche sind dabei durch Stützen 13 getragen, die sich von dem inneren und äusseren Diffusorring 4 und 5 zu den Leitblechen erstrecken. Aus Festigkeitsgründen sind die in Strömungsrichtung ersten Stützen 13 dicker als die zweiten Stützen und jeweils mit rundem Querschnitt ausgebildet. Der mittlere Teildiffusor 10 ist insbesondere frei von Stützen.
Die Leitbleche sind über der Kanalhöhe des Diffusors mit Rücksicht auf das Totaldruckprofil so verteilt, dass eine strömungsmechanisch optimale Flächenverteilung auf die drei Teilkanäle erzielt wird. Das erste Leitblech 8 ist so angeordnet, dass der innere Teildiffusor 10 eine Strömungseintrittsfläche besitzt, die beispielsweise circa 60% der Strömungseintrittsfläche des gesamten Diffusors ist. Das zweite Leitblech 9 ist weiter so angeordnet, dass der mittlere Teildiffusor 11 beispielsweise eine Strömungseintrittsfläche von circa 30% der gesamten Strömungseintrittsfläche besitzt. Hierdurch entfällt der Grossteil der Gesamteintrittsfläche auf die beiden ersten Kanäle 10 und 11. Der äussere Teildiffusor 12 besitzt hingegen eine Strömungseintrittsfläche von beispielsweise circa 10% der gesamten Strömungseintrittsfläche.
Die Diffusoraustrittsfläche ist so ausgelegt, dass das Verhältnis der Austrittsfläche zur Eintrittsfläche des gesamten Diffusors, also seiner oberen und unteren Hälfte, circa 2 beträgt.
Bei den einzelnen Teildiffusoren verhalten sich die geometrischen Verhältnisse von Austritts- zu Eintrittsfläche wie folgt.
Für den inneren Teildiffusor 10 beispielsweise beträgt das Verhältnis der Austrittsfläche S12 in der oberen Hälfte des Diffusors zur Eintrittsfläche S11 circa 1.3.

[0024] Das Verhältnis von Austrittsfläche S13 in der unteren Hälfte des Diffusors ist zur Eintrittsfläche S11 grösser und beträgt circa 1.6. Die Austrittsfläche S13 des inneren Teildiffusors 10 liegt deshalb in der unteren Hälfte des Diffusors weiter aussen als in der oberen Hälfte. (Sie ist, obwohl sie eigentlich in der unteren Hälfte des Diffusors liegt, auch in dieser Figur sowie in Figur 4 mit S13 eingezeichnet.)
Für den mittleren Teildiffusor 11 beträgt das Verhältnis der Austrittsfläche S22 zur Eintrittsfläche S21 circa 2.1.
Für den äusseren Teildiffusor beträgt das Verhältnis von Austrittsfläche S32 zur Eintrittsfläche S31 circa 3.3 . Solche Flächenverhältnisse sind die Voraussetzung dafür, dass der Wirkungsgrad der Turbine wesentlich gesteigert werden kann.

[0025] Der Diffusor ist im Hinblick auf eine sanfte Führung der Strömung mit einer geringen Krümmung im Verhältnis zur Kanalhöhe ausgelegt. Die drei Teildiffusoren weisen hierzu ein grosses Längen-zu-Kanalhöhen-Verhältnis. Dies ist für den inneren Teildiffusor 10 beispielsweise grösser 2.7 in der unteren Hälfte des Diffusors. Für den mittleren und äusseren Teildiffusor 11 und 12 sind die Verhältnisse im gezeigten Beispiel grösser 4.4 beziehungsweise grösser zwölf. Der innere und äussere Diffusorring sowie die beiden Leitbleche weisen in ihrem Querschnitt aus fertigungstechnischen Gründen mehrere gerade Teilstücke auf, die aufgrund der grossen Längen-zu-Kanalhöheverhältnisse in sanften Neigungswinkeln zueinander stehen. Diese sanften Neigungswinkel ermöglichen eine verbesserte Führung der Beschaufelungsabströmung. Es werden dadurch insbesondere Strömungsinterferenzen und Strömungsablösungen vermieden. Durch die verhältnismässig grosse radiale Erstreckung des Diffusors und der Teildiffusoren wird auch ein natürlicher Abbau der Tangentialgeschwindigkeiten ohne die Hilfe von zusätzlichen Strömungsrippen oder anderen Massnahmen zur Verminderungen der Tangentialgeschwindigkeiten erzielt.

[0026] Die drei Teildiffusoren weisen aufgrund ihrer radialen Erstreckung eine sanfte Umlenkung auf. Die Gesamtumlenkung jedes Teildiffusors ist durch die Winkel θ₁, θ₂ und θ₃ in der Mittellinie 15 der einzelnen Teildiffusoren 10, 11 beziehungsweise 12 bezeichnet. Diese Winkel betragen beispielsweise circa 70°, 36°, beziehungsweise 47°.

[0027] Die Leitbleche 8 und 9 sind näherungsweise so ausgebildet, dass die Verlängerung ihrer Anfangstangenten den Schnittpunkt A bilden. Dabei verläuft auch die geradlinig approximierte nabenseitige und gehäuseseitige Grenze des Schaufelkanals durch diesen Schnittpunkt A. Die Anfangstangenten der Leitbleche 8 und 9 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bezüglich der Rotorachse 2 in Winkeln ε₁ beziehungsweise ε₂ ausgerichtet. In Varianten der Erfindung bilden der Schnittpunkt A zwischen den geradlinig approximierten nabenseitigen und gehäuseseitigen Grenzen des Beschaufelungskanals über Endstufe der Turbine und die Anfangstangenten der Leitbleche 8 und 9 einen zumindest näherungsweise gemeinsamen Schnittpunkt. In den Varianten bildet die Anfangstangente des Leitblechs 8 mit der geradlinig approximierten nabenseitigen Grenze einen Winkel im Bereich von ε₁+8°. Die Anfangstangente des Leitblechs 9 bildet entsprechend einen Winkel im Bereich von ε₂ ±4°.
Diese geometrische Auslegung der Leitbleche in Bezug auf die Grenzen des Beschaufelungskanals gilt auch für weitere Gehäusekonturen und Schaufeltypen, wie zum Beispiel für vollständig konisch geradlinige Gehäusekonturen, für Gehäusekonturen, bei denen das Teilstück über der letzten Laufschaufelreihe zylindrisch oder nahezu zylindrisch verläuft. Weiter ist diese Geometrie nicht nur bei Laufschaufeln mit Spitzendichtung sondern auch bei Laufschaufeln mit Deckbändern anwendbar. In diesem Fall verläuft die gehäuseseitige Grenze des Schaufelkanals durch den Schnittpunkt von Hinterkante der letzten Laufschaufel und dem Deckband.

[0028] In einer realen Auslegung der Erfindung liegen die Anfangstangenten der Leitbleche 8, 9 in einem Winkelbereich um die ersten Schnittpunkte B und C der Leitbleche 8 beziehungsweise 9 und um die Referenztangenten, die durch die Schnittpunkte B beziehungsweise C und durch den Schnittpunkt A führen.

[0029] Die Diffusorringe 4 und 5 und Leitbleche 8 und 9 bestehen im gezeigten Beispiel aus mehreren geraden Teilstücke, die in kleinen Neigungswinkeln zueinander stehend zusammengefügt sind. Anstelle von Teilstücken sind auch kontinuierlich gekrümmte Leitbleche und Diffusorringe realisierbar.

[0030] Die Teildiffusoren 10 und 11 sind so angeordnet, dass ein Hauptteil der Strömung von der Beschaufelung durch diese beiden Teildiffusoren in das Abdampfgehäuse 20 abströmt. Dabei ist eine stabile Führung des Hauptteils der Strömung im Bereich des mittleren Teildiffusors aufgrund der dort vorherrschenden Machzahlen auf Versperrungen am empfindlichsten. Der von Stützen freie mittlere Teildiffusor 11 führt dadurch jenen Teil der Hauptströmung ohne weitere Störungen.
Die hochenergetische, supersonische Spaltströmung aus der letzten Laufschaufelreihe hingegen gelangt in den äusseren Teildiffusor 12, wobei dessen Kanalhöhe in Relation zur vorherrschenden Spaltströmung bestimmt ist. Die Spaltströmung wird durch den äusseren Teildiffusor 12 separat vom Hauptteil der Strömung in das Abdampfgehäuse 20 geführt.

[0031] Die grossen Längen-zu-Kanalhöhen-Verhältnis bewirken eine Stabilisierung der Diffusorströmung und eine Homogenisierung sowie Absenkung des Totaldruckprofils auf der Höhe der letzten Laufschaufelreihe. Dadurch wird der Druckrückgewinn des Diffusors erhöht und eine Wirkungsgradsteigerung der ganzen Niederdruckdampfturbine erreicht.

[0032] Die Leitbleche 8 und 9 erstrecken sich am Eintritt zum Diffusor bis nahe an die Laufschaufelreihe. Sie sind vorzugsweise so nahe angeordnet, wie es die axialen, thermischen Bewegungen der Laufschaufelreihe sowie einen für die verschiedenen Betriebsbedingungen notwendigen Sicherheitsabstand erlauben ohne dass ein Anstreifen verursacht wird. Beispielsweise beträgt der Abstand a zwischen den Vorderkanten der Leitbleche 8 und 9 und der Hinterkante der letzten Laufschaufeln 3 4% der Gesamthöhe h_w der letzten Laufschaufelreihe. Ferner sind die Vorderkanten der Leitbleche 8 und 9 profiliert ausgebildet, um einen sanften Strömungseintritt mit möglichst geringen Übergeschwindigkeiten in die Teildiffusoren zu ermöglichen. Die Vorderkanten sind beispielsweise, wie in Figur 2 gezeigt, sanft zugespitzt geformt, beispielsweise gemäss der Form NACA 65, wobei die Profilierungslänge e das dreifache der Dicke δ beträgt. Weiter sind die Leitbleche möglichst dünn ausgebildet, sodass die Machzahlen möglichst geringfügig steigen. Hierfür beträgt ihre Dicke beispielsweise circa 5% der Kanalhöhe des mittleren Teildiffusors 11.

[0033] Der möglichst geringe Abstand der Vorderkanten der Leitbleche 8 und 9 von der Laufschaufelreihe 3 und die sanfte Profilierung der Vorderkanten tragen massgebend zur Erhöhung des Druckrückgewinns bei. Sind Leitbleche weiter entfernt angeordnet, können sich Schallfelder und Strömungsinterferenzen ergeben, welche einen Druckrückgewinn in diesem Bereich verunmöglichen würden.

[0034] Am Leitblech 8 zwischen dem inneren und mittleren Teildiffusor ist in der gezeigten Ausführung in einer radialen Verlängerung ein Abdampfleitblech 8' angeordnet. Dieses Abdampfleitblech 8' bewirkt eine Verbesserung der Strömung im Abdampfgehäuse 20 und eine Vergleichmässigung der Strömung im Kondensator. Das Abdampfleitblech 8' besitzt eine sanfte Gesamtumlenkung θ_L von circa 50°. Diese Umlenkung ist in diesem Ausführungsbeispiel durch zwei Teilstücke realisiert, deren Gesamtlänge zur Kanalhöhe in der Austrittsebene in einem Verhältnis von circa 0.7 steht.

[0035] Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Abdampfgehäuse 20 mit einer oberen Hälfte 21 und einer unteren Hälfte 22, die durch eine Trennebene 23 voneinander getrennt sind. Der Turbinendampf, der durch die Austrittsfläche der oberen Hälfte des Diffusors in die obere Hälfte 21 des Abdampfgehäuses 20 gelangt, strömt sodann hinab durch die Trennebene 23 in die untere Hälfte 22 und von dort durch die Austrittsfläche 24 des Abdampfgehäuses in den dort angeschlossenen Kondensator.

[0036] Das Abdampfgehäuse ist in Abstimmung mit dem Diffusor so ausgelegt, dass die Austrittsfläche 24 des Abdampfgehäuses 20 etwa 15% grösser als die Gesamtaustrittsfläche des Diffusors ist. Dies gewährt eine Flächenreserve in der Trennebene für allfällige Versperrungen in der Abströmung.

[0037] Gemäss Figur 4 ist die Summe der Austrittsflächen der Teildiffusoren 11 und 12 der oberen Hälfte des Diffusors ungefähr gleich der Fläche 25 in der Trennebene 23, welche zwischen dem Abdampfgehäuse und dem Abdampfleitblech 8' des Leitblechs 8 gebildet wird und in der Figur mit durchgezogenen Linien schraffiert ist. Dies bedeutet, dass die Hälfte der Summe der Austrittsflächen S22 und S32 der Teildiffusoren 11 beziehungsweise 12 über die gesamte Rotation des Diffusors gleich der in der Figur schraffierten Trennebenenfläche 25 ist. Ferner ist die Hälfte der Austrittsfläche S12 des inneren Teildiffusors 10 über die gesamte Rotation des Diffusors gleich der mit gestrichelten Linien schraffierten Fläche 26. Die Angleichung dieser Flächen bewirkt, dass die Diffusorabströmung der Teildiffusoren 11 und 12 beim Austritt aus dem Diffusor in das Abdampfgehäuse eine möglichst gleich grosse Durchströmfläche und keine Engpässe erfährt. Dies wirkt sich wiederum positiv auf den Druckrückgewinn aus.

[0038] In Figur 5 ist eine Variante des erfindungsgemässen Dreikanal-Diffusors mit Abdampfgehäuse, gezeigt, die im Vergleich zur Konfiguration von Figur 1 optimiert ist. Der optimierte Diffusor mit Abdampfgehäuse ist insbesondere mit Rücksicht auf den inneren Teildiffusor so ausgelegt, dass die Austrittsfläche S12' des inneren Teildiffusors 10 im Vergleich zur Konfiguration von Figur 1 weiter aussen definiert ist. Liegt die Austrittsfläche S12' weiter aussen wie mit der gestrichelten Linie angedeutet, so erhöht sich das Verhältnis von Austrittsfläche zu Eintrittsfläche jenes Teildiffusors und der Wirkungsgrad der Turbine wird entsprechend gesteigert. Hierzu ist die Austrittsfläche S12' so definiert, dass das Verhältnis seiner Fläche zur Eintrittsfläche S11 bis auf circa 1.8 steigt, was eine bedeutende Vergrösserung gegenüber dem Verhältnis von circa 1.3 in der Variante von Figur 1 ist. Um nun weiterhin eine möglichst gleich grosse Durchströmfläche vom Diffusor in das Abdampfgehäuse zu gewährleisten, ist die Wand 21' oder Haube der oberen Hälfte des Abdampfgehäuses im Vergleich zur Wand 21 des Abdampfgehäuses von Figur 1 radial weiter aussen platziert. Zugleich ist auch die Prallwand 27' des Abdampfgehäuses axial weiter aussen platziert. Entsprechend verkleinert sich der Umlenkwinkel θ₁ im Vergleich zum Umlenkwinkel in Figur 1 auf circa 60°.

[0039] Figur 6 zeigt diese Variante in der Trennebene 23 zwischen oberer und unterer Hälfte des Diffusors. Die zeigt auch, wie die Abstimmung der Dimensionen des Abdampfgehäuses und die Grössen der Austrittsfächen der Teildiffusoren aufeinander abgestimmt sind. Der Diffusor ist so ausgelegt, dass die Hälfte der Austrittsfläche S12' des inneren Teildiffusors 10 über die gesamte Rotation des Diffusors ungefähr gleich der gestrichelt schraffierten Fläche 28 in der Trennebene 23 zwischen oberer und unterer Hälfte des Diffusors ist. Die Fläche 28 wird durch die axial weiter aussen angeordnete Prallwand 27', die radial weiter aussen platzierte Haube 21', eine der Turbine zugewandten Wand 31 und das Abdampfleitblech 8' gebildet. Die Fläche 28 wird schliesslich durch eine fiktive axial verlaufende Linie 30 zwischen dem Abdampfleitblech 8' und der Wand 31 geschlossen.
Weiter ist die Summe der Austrittsflächen S22 und S32 der beiden anderen Teildiffusoren ungefähr gleich der durchzogen schraffierten Fläche 29 in der Trennebene. Diese Fläche 29 wird das Abdampfleitblech 8', durch die Linie 30, die Wand 31 gebildet.
Ferner fällt die Austrittsfläche S13' in der unteren Hälfte des Diffusors in diesem Fall auf die gleiche Stelle wie die Austrittsfläche S12' für die obere Hälfte des Diffusors.

Bezugszeichenliste

[0040] 

1

Rotor

2

Rotorachse

3

Laufschaufel

4, 4'

innerer Diffusorring, erstes Teilstück des inneren Diffusorrings

5

äusserer Diffusorring

5'

erstes Teilstück des äusseren Diffusorrings

6

Nabe

7

Schaufelträger

7'

letztesTeilstück des Schaufelträgers

8

erstes Leitblech

8'

Abdampfleitblech

9

zweites Leitblech

10

innerer Teildiffusor

11

mittlerer Teildiffusor

12

äusserer Teildiffusor

13

Stützen oder Streben

15

geometrische Mittellinie der Teildiffusoren

ε₁ , ε₂

Neigungswinkel der Anfangstangente der Leitbleche bezüglich Rotorachse

θ_1, θ_2, θ₃

Umlenkungswinkel der Teildiffusoren

θ_N

Knickwinkel des inneren Diffusorrings

θ_Z

Knickwinkel des äusseren Diffusorrings

θ_L

Umlenkwinkel des Abdampfleitblechs

a

Abstand Laufschaufel-Vorderkante Leitblech

h_w

Länge der letzten Laufschaufelreihe

e

Profilierungslänge der Leitblechvorderkanten

δ

Dicke der Leitbleche

20

Abdampfgehäuse

21,21'

obere Hälfte des Abdampfgehäuses, Haube oder Wand

22

untere Hälfte des Abdampfgehäuses

23

Trennebene

24

Austrittsfläche aus dem Abdampfgehäuse

25

Durchströmfläche der Trennebene für Teildiffusoren 11 und 12

26

Durchströmfläche der Trennebene für Teildiffusor 10

27,27'

Prallwand

28

Durchströmfläche der Trennebene für Teildiffusor 10 in weiterer Variante

29

Durchströmfläche der Trennebene für Teildiffusoren 11 und 12 in weiterer Variante

30

Hilfstrennlinie

31

der Turbine zugewandte wand des Abdampfgehäuses

S11

Eintrittsfläche in inneren Teildiffusor 10

S12

Austrittsfläche aus dem inneren Teildiffusor 10 in der oberen Hälfte des Diffusors

S12'

Austrittsfläche aus dem inneren Teildiffusor 10 in der oberen Hälfte des Diffusors in der weiteren Variante

S13

Austrittsfläche aus dem inneren Teildiffusor 10 in der unteren Hälfte des Diffusors

S13'

Austrittsfläche aus dem inneren Teildiffusor 10 in der unteren Hälfte des Diffusors in der weiteren Variante

S21

Eintrittsfläche in den mittleren Teildiffusor 11

S22

Austrittsfläche aus dem mittleren Teildiffusor 11

S31

Eintrittsfläche in den äusseren Teildiffusor 12

S32

Austrittsfläche aus dem äusseren Teildiffusor 12

Ansprüche

1. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor mit Abdampfgehäuse für Niederdruckdampfturbine, welcher den Beschaufelungsabdampf in das Abdampfgehäuse (20) führt, mit einem inneren Diffusorring (4), einem äusseren Diffusorring (5) und zwei Leitblechen (8, 9), welche den Diffusor in drei Teildiffusoren, einen inneren Teildiffusor (10), einen mittleren Teildiffusor (11) und einen äusseren Teildiffusor (12) aufteilen,
wobei der innere Diffusorring (4) bezüglich der Nabe der Niederdruckdampfturbine in einem Knickwinkel (θ_N) und der äussere Diffusorring (5) bezüglich dem letzten Teilstück (7') des Schaufelträgers (7) der Niederdruckdampfturbine in einem Knickwinkel (θ_Z) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass

die zwei Leitbleche (8, 9) sich über die gesamte Länge des Diffusors erstrecken, und die zwei Leitbleche (8,9) zwischen dem inneren Diffusorring (4) und dem äusseren Diffusorring (5) so verteilt sind, dass die Flächenverteilung auf die drei Teildiffusoren (10,11,12) in der Eintrittsfläche ungleichmässig ist,

wobei ein Grossteil der Strömungseintrittsfläche des gesamten Diffusors auf den inneren und mittleren Teildiffusor (10, 11) entfällt und ein Kleinteil der Strömungseintrittsfläche des gesamten Diffusors auf den äusseren Teildiffusor (12) entfällt,

und die Anfangstangenten der Leitbleche (8, 9) zusammen mit den geradlinig approximierten nabenseitigen und gehäuseseitigen Grenzen des Schaufelkanals der letzten Stufe zumindest näherungsweise einen gemeinsamen Schnittpunkt (A) bilden

und die Leitbleche (8, 9) möglichst nahe der Hinterkante der letzten Laufschaufelreihe (3) angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der letzten Laufschaufelreihe (3) und den Vorderkanten der Leitbleche(8,9) durch einen für alle Betriebsbedingungen zulässigen Mindestabstand bestimmt ist.

2. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis der Austrittsfläche (S22) zur Eintrittsfläche (S21) des mittleren Teildiffusors (11) mindestens zwei, das Verhältnis der Austrittsfläche (S32) zur Eintrittsfläche (S31) des äusseren Teildiffusors (12) mindestens drei und das Verhältnis der Austrittsfläche (S12) zur Eintrlttsfläche (S11) des inneren Teildiffusors (10) zumindest in der unteren Hälfte des Diffusors im Bereich von 1.5 bis 1.8 liegt.

3. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass
für jeden Teildiffusor (10, 11, 12) zumindest in der unteren Hälfte des Diffusors das Verhältnis seiner Länge zu seiner Kanalhöhe in der Eintrittsebene mindestens gleich 2.5 ist.

4. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis der Gesamtaustrittsfläche zur Gesamteintrittsfläche des Dreikanal-Diffusors circa zwei beträgt.

5. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eintrittsfläche (S11) des inneren Teildiffusors (10) 55-60%, die Eintrittsfläche (S21) des mittleren Teildiffusors (11) 30-35% und die Eintrittsfläche (S31) des äusseren Teildiffusors (12) 10-12% der Gesamteintrittsfläche des Diffusors beträgt.

6. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anfangstangenten der Leitbleche (8, 9) jeweils in einem Winkelbereich von 8° um die ersten Knickpunkte (B, C) der Leitbleche (8,9) und um eine Referenzanfangstangente liegen, die durch die ersten Knickpunkte (B,C) der Leitbleche (8,9) und durch den Schnittpunkt (A) der geradlinig approximierten naben- und gehäuseseitigen Grenzen des Schaufelkanals der Endstufe führen.

7. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (a) zwischen den Vorderkanten der Leitbleche (8, 9) und der Hinterkante der letzten Laufschaufel circa 4% der gesamten Höhe (h_w) der Laufreihe beträgt.

8. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorderkanten der Leitbleche (8, 9) profiliert ausgebildet sind.

9. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitbleche (8, 9) durch Stützen (13) getragen sind, die sich vom inneren Diffusorring (4) und äusseren Diffusorring (5) zu den Leitblechen (8, 9) erstrecken und stromabwärts einen zunehmenden Durchmesser aufweisen, und der mittlere Teildiffusor (11) frei von Stützen ist.

10. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 9
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Leitblech (8), das zwischen dem inneren Teildiffusor (10) und dem mittleren Teildiffusor (11) angeordnet ist, in einer radialen Verlängerung ein Abdampfleitblech (8') angeordnet ist.

11. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 10
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitbleche (8, 9) eine Dicke (δ) aufweisen, die circa 5% der Kanalhöhe des mittleren Teildiffusors (11) beträgt.

12. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Grösse der Austrittsfläche des Abdampfgehäuses (20) in der Trennebene (23) zwischen der oberen Hälfte (21) und der unteren Hälfte (22) des Abdampfgehäuses (20) auf die Grösse der Austrittsflächen (S12, S22, S32) der Teildiffusoren (10, 11, 12) abgestimmt sind.

13. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 12
dadurch gekennzeichnet, dass
die Summe der Austrittsfläche (S22) des mittleren Teildiffusors (11) und der Austrittsfläche (S32) des äusseren Teildiffusors (12) ungefähr gleich jener Fläche (25) in der Trennebene (23) zwischen der oberen und unteren Hälfte des Diffusors ist, welche zwischen der Haube (21) des Abdampfgehäuses (20) und dem Abdampfleitblech (8') zwischen dem inneren Teildiffusor (10) und mittleren Teildiffusor (11) gebildet wird.

14. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 13
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittsfläche (S12) des inneren Teildiffusors (10) in der oberen Hälfte des Diffusors in einem Verhältnis von circa 1.3 zur Eintrittsfläche (S11) des inneren Teildiffusors (10) steht und die Austrittsfläche (S12) des inneren Teildiffusors (10) über die gesamte Rotation des Dreikanal-Diffusors gleich der Hälfte der Fläche (26) in der Trennebene (23) zwischen der oberen Hälfte (21) und der unteren Hälfte (22) des Abdampfgehäuses (20) ist, die von der Prallwand (27), der Haube (21) des Abdampfgehäuses (20) und dem Leitblech (8) zwischen dem inneren und mittleren Teildiffusor (11,12) und dem Abdampfleitblech (8') gebildet wird.

15. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach Anspruch 12
dadurch gekennzeichnet, dass

die Austrittsfläche (S12') des inneren Teildiffusors (10) in der oberen Hälfte des Diffusors in einem Verhältnis von circa 1.8 zur Eintrittsfläche (S11) des inneren Teildiffusors (10) steht und die Austrittsfläche (S12') des inneren Teildiffusors (10) in der oberen Hälfte des Diffusors über die gesamte Rotation des Dreikanal-Diffusors ungefähr gleich der Hälfte der Fläche (28) in der Trennebene (23) zwischen der oberen Hälfte (21) und der unteren Hälfte (22) des Abdampfgehäuses (20) ist, die von der Prallwand (27') und der Haube (21') des Abdampfgehäuses (20), vom Abdampfleitblech (8') sowie einer axialen Linie (30), die vom Abdampfleitblech (8') zu einer zur Turbine gewandten Wand (31) des Abdampfgehäuses (20) führt, gebildet wird

und die Summe der Austrittsfläche (S22) des mittleren Teildiffusors (11) und der Austrittsfläche (S32) des äusseren Teildiffusors (12) über die gesamte Rotation ungefähr gleich der Hälfte der Fläche (29) in der Trennebenen (23) zwischen der unteren und oberen Hälfte des Abdampfgehäuses (20) ist, die durch das Abdampfleitblech (8'), durch die der Turbine zugewandten Wand (31) des Abdampfgehäuses (20) und durch die axiale Linie (30) von dem Abdampfleitblech (8') zur der Turbine zugewandten Wand (31) gebildet wird.

16. Axial/radialer Dreikanal-Diffusor nach einem der vorangehenden Ansprüche 12-15
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gesamtaustrittsfläche des Dreikanal-Diffusors etwa 15% kleiner ist als die Austrittsfläche (24) des Abdampfgehäuses (20).

Zeichnung