DE19905994A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufhebung von Stoß-Grenzschicht-Oszillationen bei kreisringförmigen Diffusoren (axial-radial) an Dampfturbinen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Aufhebung von Stoß-Grenzschicht-Oszillationen bei kreisringförmigen Diffusoren (axial-radial) an DampfturbinenInfo
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Abstract
In der Kraftwerkstechnik tritt an der Endstufe (Niederdruckturbine) bei bestimmten höheren Fluidgeschwindigkeiten ein Strömungsphänomen auf, das im allgemeinen als Stoß-Grenzschicht-Oszillation bezeichnet wird. Zur Reduzierung der Strömungspulsation wurden bislang perforierte Diffusorwände, Stolperdrähte und Meridianbleche untersucht. Durch eine Knickkonturgebung der Diffusorschale kann das Pulsationverhalten unter einem erheblichen Wirkungsgradverlust unterbunden werden. Das neue Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung ermöglichen einen pulsationsfreien Kraftwerksbetrieb bei etwa gleichbleibendem Diffusor-, Endstufenwirkungsgrad. DOLLAR A Die Vorrichtung zur Aufhebung von Stoß-Grenzschicht-Pulsationen bei kreisringförmigen Diffusoren (axial-radial) an Dampfturbinen besteht im wesentlichen aus einer Kontrolleinheit, die im kritischen Betriebszustand (Pulsation) ein Überwachungssystem und Regel-, Steuersystem einschaltet. Dieses steuert dann solange das Einblasen (Druck und Winkel) des gleichen oder ähnlichen Fluids in die Grenzschicht in dem Ablösegebiet an dem Diffusor im unteren zum Kondensator hingerichteten Schalenbereich, bis keine Pulsationssignale von dem Überwachungssystem detektiert werden. Eine Fremdquelle wie Pressluft könnte auch eingesetzt werden. Diese aktive Beeinflussung ist also eine zeitlich gesteuerte Maßnahme, die nur bei Bedarf zum Einsatz kommt. Das Enthalpiegefälle der Kombination Endstufe/Diffusor und somit auch der Wirkungsgrad bleiben während des ...
Description
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufhebung des so
genannten "Diffusorbrummens". In der Kraftwerkstechnik tritt an der Endstufe
(Niederdruckturbine) bei bestimmten höheren Fluidgeschwindigkeiten ein Strömungsphänomen
auf, das im allgemeinen als Stoß-Grenzschicht-Oszillation bezeichnet wird und die Betriebssi
cherheit des Kraftwerks nachhaltig wegen der induzierten Schaufelanregung beeinflußt. Dieses
Phänomen ist auch bei anderen konvex gekrümmten schnell umströmten Körpern bekannt.
Zur Reduzierung der Strömungspulsation an den Endstufen wurden bislang im Versuch
perforierte Diffusorwände, Stolperdrähte [1] und Meridianbleche [2] untersucht. Diese Maßnah
men haben sich aufgrund diverser Nachteile, wie z. B. Wirkungsgradminderung, Fertigungs- und
Montageproblemen in der Praxis nicht durchgesetzt.
Durch eine Knickkonturgebung der Diffusorschale kann das Pulsationsverhalten unter einem er
heblichen Wirkungsgradverlust unterbunden werden. Hierzu wurden experimentelle Untersu
chungen an verschiedenen Schalenmodellen [2] durchgeführt. Die Ergebnisse konnten rechne
risch bestätigt werden.
Das Pulsationsproblem an den Diffusoren kann durch das Anfachen der Grenzschicht in
der unteren zum Kondensator hingerichteten Diffusorschalenhälfte im Bereich des Totwasserge
bietes eliminiert werden. Die Oszillationen können durch das Anfachen (Zublasen) im oben ge
nannten Bereich nicht nur reduziert, sondern gänzlich unterdrückt werden, wobei der Anlagen
wirkungsgrad nahezu konstant gehalten werden kann.
D. Stern (TH Karlsruhe) hatte 1996 die experimentellen Untersuchungen [1] rechnerisch validiert
und hauptsächlich die Idee des Absaugens im Stoßbereich verfolgt. Das Absaugen an der Schale
führt aber nach (2] zu einer zusätzlichen Anregung und Verstärkung der Pulsation. Derzeit wer
den Forschungsaufträge bezüglich der Stoß-Grenzschicht-Pulsationen u. a. an der TU Berlin be
arbeitet.
Mit dem vorliegenden Patentanspruch bzw. Patentansprüchen wird sinnvollerweise so
wohl auf die Vorrichtung als auch auf das Verfahren zur Eliminierung der Pulsationen ein Schutz
erhoben, da ohne die Vorrichtung, also Kontrolleinheit, nicht zugeblasen werden kann. Schutz
wird ebenfalls für eine eventuelle Computer-Optimierung und Validierung der Erfindung be
gehrt.
Die Erfindung soll hauptsächlich in Kraftwerken zum Einsatz kommen. Es ist jedoch
möglich, daß auch andere strömungstechnische Probleme damit gelöst werden können, da die
Untersuchungen [2] gezeigt haben, daß kompressible und nichtkompressible, drallfreie und
drallbehaftete Strömungen im ihrem Pulsationsverhalten eingeschränkt werden können.
Das Einsetzen dieser neuen Technologie bedeutet für jeden Kraftwerksbetreiber, der mit
dem Aufkommen der Pulsationen rechnen muß, zum einen eine enorme Einsparung und zum an
dern eine wesentlich höhere Betriebssicherheit des Kraftwerkes. Die Ergebnisse der Untersuchun
gen [2] zeigen deutlich, welches Einsparungspotential in dieser Erfindung steckt. Erst vor 6 Mo
naten wurde ein Kraftwerk mit einer anderen, neukonturierten Diffusorschale [2], die nicht Ge
genstand dieser Erfindung ist, gegen das Brummen bestückt, mit dem Erfolg, daß der Brummzu
stand nicht mehr vorkommt, aber die Endstufe nun einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweist.
Sehr wichtig ist auch die Tatsache, daß Diffusoren mit guten Wirkungsgraden schneller zum
Brummen neigen, als Diffusoren mit schlechten. Die Erfindung ermöglicht also für jedes Kraft
werk den Einsatz des besten, optimierten Diffusors.
Die Vorrichtung zur Aufhebung von Stoß-Grenzschicht-Pulsationen bei kreisringförmi
gen Diffusoren (axial-radial) an Dampfturbinen besteht im wesentlichem aus einer Kontrollein
heit, die im kritischen Betriebszustand (Pulsation) ein Überwachungssystem und Regel-, Steuer
system einschaltet. Dieses steuert dann so lange das Einblasen (Druck und Winkel) des gleichen
oder ähnlichen Fluids in die Grenzschicht in dem Ablösegebiet an dem Diffusor im unteren zum
Kondensator hingerichteten Schalenbereich, bis keine Pulsationssignale von dem Überwa
chungssystem detektiert werden. Das Zublasefluid kann in der Hoch- oder Mitteldruckturbinen
stufe abgezweigt werden und mittels Schlitzen, Langlöchern oder Bohrungen, die wandbündig,
radial und ohne axialen Versatz angeordnet sind, zugeführt werden. Eine Fremdquelle wie
Pressluft könnte auch eingesetzt werden. Diese aktive Beeinflussung ist also eine zeitlich gesteu
erte Maßnahme, die nur bei Bedarf zum Einsatz kommt. Das Enthalpiegefälle und somit auch der
Wirkungsgrad bleiben während des Zublaseprozesses nahezu unverändert.
[1] Maier, R.: Experimentelle Untersuchungen selbsterregter Stoß-Grenzschicht-Pulsationen in
Abdampfdiffusoren, Institut für Thermische Strömungsmaschinen der Universität Stuttgart, Dis
sertation 1989[2] Kraus, P.: Interne Arbeiten am Institut für Thermische Strömungsmaschinen der Universität
Stuttgart
Claims (9)
1. Verfahren zur Aufhebung von Stoß-Grenzschicht-Pulsationen bei kreisringförmigen Diffu
soren (axial-radial) an Dampfturbinen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Pulsationen, die
an dem Diffusor im unteren zum Kondensator hingerichteten Schalenbereich, dem Abströmbe
reich, bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten entstehen, durch eine aktive Beeinflussungs
maßnahme, nämlich durch zeitlich gesteuertes Zublasen im hinteren Schalenbereich, im Totwas
serbereich mittels einer Vorrichtung unterdrückt wird.
2. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die äußere Diffusorschale für das Zublasen mit einem oder mehreren wandbündi
gen Schlitzen ausgeführt wird, die radial und ohne axialen Versatz an der Diffusoraußenschale
im Schalentotwasserbereich angeordnet sind.
3. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die äußere Diffusorschale für das Zublasen mit wandbündigen, aneinander gereih
ten Langlöchern ausgeführt wird, die radial und ohne axialen Versatz an der Diffusoraußenschale
im Schalentotwasserbereich ängeordnet sind.
4. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die äußere Diffusorschale für das Zublasen mit wandbündigen, dicht aneinander
gereihten Bohrungen ausgeführt wird, die radial und ohne axialen Versatz an der Diffusoraußen
schale im Schalentotwasserbereich angeordnet sind.
5. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die nach Anspruch 2 bis 4 gefertigte Diffusorschale mit einem Zublaseadapter auf
der nicht direkt beströmten Rückseite der Diffusorschale und mit einem oder mehreren Druck
sensoren auf der beströmten Diffusorseite bestückt ist.
6. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß der nach Anspruch 5 gefertigte Adapter eine Verbindung zwischen den Zublaseöff
nungen nach Anspruch 2 bis 4 und einem geeigneten Zublasespeicher mit einem dazwischen ge
schalteten Regelventil darstellt.
7. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die nach Anspruch 5 angebrachten Drucksensoren die kritischen Schwingungsgrö
ßen detektieren und an eine Kontrolleinheit, die die nötige Zublasemenge und die Fluidge
schwindigkeit über das Regelventil nach Anspruch 6 steuert, weiterleiten.
8. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die nach Anspruch 7 angebrachten Drucksensoren durch eine andere Überwa
chungsmeßtechnik ausgetauscht oder ergänzt werden können. Hierbei können akustische Senso
ren, die das Brummgeräusch aufnehmen, im Innen- sowie Außengehäuse der Endstufe ange
bracht werden. Eine optische Überwachungseinheit, wie z. B. LDA-Einheit kann die Pulsation an
der Diffusoraußenschale detektieren. An den Rotorschaufeln der Endstufe können die Schwin
gungen mit DMS gemessen werden.
9. Schutz wird auch für eine mögliche Computer-Optimierung und Validierung der Anbrin
gung der Zublaseöffnungen begehrt.
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