-
Axial beaufschlagte Kreiselrad-Strömungsmaschine, insbesondere Gas-
oder Luftturbine mit Austrittsdiffusor Die Gasturbinen zeichnen sich gegenüber den
Dampfturbinen durch große Durchsätze bei verhältnismäßig klein @n Gefällen und durch
die im Durchschnitt höheren Treibmitteltemperaturen aus. Besonders die Berücksichtigung
der höheren Temperaturen bedingt infolge der höheren Schnelläufigkeit bei genügend
langer Lebensdauer der Schauflung eine Auslegung mit passenden Axialkomponenten
der Geschwindigkeitsdreiecke, um tragbare Lauf-Schaufellängen ohne Schwingungsdämpfungshilfsmittel
(Bindedrähte usw.) zu bekommen. Die geringeren Umlenkungen sind zum Teil auch willkommen
wegen der günstigeren Reibungsverlustziffern und der Gewinnung einer ausreichenden
Teilung für eine solide Fußbefestigung. Die hohen Axialgeschwindigkeiten verursachen
aber auch, selbst für Auslegungen mit senkrechtem Austritt zur Umfangsrichtung,
bezogen auf das geringe Teilgefälle einer Turbine, wie sie bei den meisten Gasturbinenprozessen
vorkommen, einen hohen Auslaßverlust, da in den nachgeschalteten Einrichtungen des
Arbeitsprozesses, z. B. Zwischenüberhitzungs-Brennkammern oder Wärmetauschern für
Luftvorwärmung, nur geringe Durchflußgeschwindigkeiten im Verhältnis dazu möglich
sind. Man ist daher bestrebt, durch strömungstechnisch günstige Verzögerungen der
Austrittsströmung aus dem Schaufelritter der letzten Stufe einen möglichst großen
Druckrückgewinn zu erzielen.
-
Gasturbinen weisen daher vielfach eine besonders sorgfältige Ausbildung
des Abströmteils auf, am besten in Form eines nachgeschalteten Diffusarringraumes
mit
einer Umlenkung nach außen, an welche sich ein spiralig ausgebildeterAbgassammelraum
mit senkrecht zur Wellenachse abgehenden Stutzen anschließt.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei Auslegungen mit hoher Axialgeschwindigkeit
das hinter der letzten Turbinenstufe strömende Arbeitsmittel auf gedrängtem Raum
wirksam und günstig zu verzögern, so daß am Eintritt in dem erwähnten Sammelraum
die Geschwindigkeit schon weitgehend herabgesetzt ist und darin bei geeigneter Beaufschlagung
und entsprechender Querschnittsfolge keine nennenswerten Verluste bis zum Abgasstutzen
auftreten.
-
Es ist bekannt, daß die Erweiterungswinkel der Meridianbegrenzung
des Diffusorringraumes für eine vorgesehene Verzögerung der Strömung innerhallr
sehr enger Grenzen liegen, um die Ablösungsgefahr zu vermeiden. Der Diffusor erfordert
dementsprechend eine größere axiale Erstreckung und damit längere Reibungswege.
Ferner ergeben sich längere Übergangsstücke von der beschaufelten Läufertrommel
zum Tragzapfen und damit ein höherer Materialeinsatz und unter Umständen auch Schwierigkeiten
in der Gewährleistung steifer Läuferformen und eine größere mechanische und thermische
Massenträgheit. Es ist ferner bekannt, (laß durch Al),saugen der Grenzschicht der
Strömungswirkungsgrad von Diffusoren mit größeren Öffnungswinkeln der Begrenzungswände
verbessert werden kann.
-
Im Rahmen der baulichen Gegebenheiten eines Abströmteiles einer größeren
Gas- oder Luftturbine wird daher erfindungsgemäß die innere und äußere Begrenzung
des Diffusorringraumes hinter der letzten Turbinenstufe doppelwandig ausgeführt
und mit Öffnungen an geeigneter Stelle zum Diffusorraum versehen. Diese Verbindungsöffnungen
in Gestalt von Bohrungen, Schlitzen oder Ringschlitzen sind an Stellen der Diffusorwandungen
angeordnet, an denen die Grenzschichtdicke schon bedenklich angewachsen ist und
größere Ablösungen zu befürchten wären. Die Hohlräume sind nach der vorderen Stirnseite
zu offen, so daß unter dem Einfluß des bis zum Schlitz bereits erfolgten Druckanstieges
im. Diffusorringrauminnern und dem noch geringen Druck im Hohlraum der inneren und
äußeren Wand auf einfache Weise eine Absaugwirkung entsteht. Durch diese Grenzschichtabsaugung
kann aber der Erweiterungswinkel des Diffusors größer gemacht werden, seine axiale
Baulänge wird kleiner und der Läufer wird kürzer und leichter, was für die kritische
Drehzahl und Aufheiz- und Anfahrvorgänge beim Regeln der Anlage sehr nützlich ist.
Die Absaugung der Grenzschicht beim Austrittsdiffusor von Kreiselradströmungsmaschinen
entsprechend der Erfindung ist besonders zweckmäßig, da die Strömung hinter einem
umlaufenden Schaufelgitter weitgehend turbulent und instationär ist. Außerdem tritt
auch bei der Beibehaltung des Axialquerschnittes am Diffusoreingang eine plötzliche
Verzögerung ein im Verhältnis der Verengung, welche die Laufschauflung für den axialen
Durchfluß darstellt. Deshalb ist es gut, wenn gerade an dieser Stelle die weiter
hinten abgesaugten. strömungstechnisch ungünstigen Randschichten wieder zugeführt
werden, wobei der Abgasstrahl aus dem Turbinenlaufgitter eine gewisse Ejektorwirkung
ausübt.
-
Ferner hat sich gezeigt, daß am Austritt der Umlenkung der Ringdiffusorströmung
nach außen das Geschwindigkeitsprofil über die Breite des Übertrittsquerschnittes
zum Abgassammelraum - nicht mehr praktisch rechteckig ist, sondern eine parabolische
Verteilung hat. Da diese starke Ungleichmäßigkeit für die Strömungsverluste in diesem
spiralig im Querschnitt ausgelegten Sammelringraum zum Abführstutzen wenig günstig
ist, wird in Weiterausbildung dter Erfindung an dieser übergangsstelle der Strömungsringraum
so aufgeteilt, daß einzelne Teilringräume entstehen, die eine verschiedene Plattendiffusorwirkung
haben. Insbesondere wird dadurch im mittleren Teil eine größere Verzögerung der
austretenden Strömung erzielt, so daß am Ende dieser Unterteilung (las Strömungsprofil
wieder gleichmäßiger ist. XLit 1Zücksicht auf die notwendige starke Ankriimmung
des Begrenzungsmeridians an der einen Seite ist unter Umständen eine gewisse Angleichung
der Krümmung der Sammlerrückwand auf der anderen Seite zweckmäßig. Uie konstruktive
Durchführung dieser Maßnahme wird besonders erleichtert, wenn die Abströniquerschnitte
der Turbinenabgase zur leichteren Herstellung und bequemeren Anpassung an günstigste
Verhältnisse als Blecheinsätze innerhalb einer lediglich nach Festigkeits- und Herstellungsrücksichten
festgelegten Geliäuseaußenform ausgeführt sind. Bei höheren Driikken und Temperaturen
lassen sich bekanntlich durch eine gewisse Isolierwirkung des Zwischenraumes zwischen
Verschalung und Gehäuse günstige Betriebsbedingungen für (las Gehäuse erreichen.
-
Die Gestaltung der Treibmittelabströmung entsprechend der Erfindung
hat gerade für große Leistungen der Turbinen besondere Bedeutung, da sie die Verarbeitung
großer Treibmitteldurchsätze mit großen Axialgeschwindigkeiten ohne besondere Energieeinbußen
erlaubt.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Austrittsteile einer
Gasturbine nach der Erfindung im Schnitt dargestellt.
-
Von dem Turbinenläufer i mit seinen Laufschaufelkränzen 2 sowie den
Leitschaufelkränzen 3 isl nur der dem Gasaustritt zugewendete Teil dargestellt.
Die Durchführung durch das Al>strömgehäuse q mit Stutzen 5 wird durch den Labyrintheinsatz
6 abgedichtet. Das Abgas ist in einem strömungstechnisch gut anpaßbaren Blecheinsatz
7 aus hitzebeständigem Material geführt, welcher aus einem Ringraumdiffusor 8, dem
Umlenkringraum 9 und dem Sammelraum io besteht, wobei letzterer sich zum Abführstutzen
5 hin spiralförmig erweitert. Die innere und äußere Begrenzung des Diffusorringraum-es
8 ist erfindungsgemäß hohl ausgebildet, und zwar derart, daß die Hohlräume i i und
12 nach der Turbinenseite zu offen sind. Er weist zum eigentlichen Diffusorströmungskanal
an passenden Stellen
der axialen Erstreckung Absaugöffnungen
13 bis 16 für die Grenzschicht auf. Wenn mehrere Öffnungen auf einer Seite
in der Abströmrichtung des Arbeitsgases hintereinander erforderlich sind, wie es
in der Zeichnung dargestellt ist, ist es zweckmäßig, Abdeckungen 17 an den
der stirnseitigen Öffnung der inneren und äußeren Hohlwände näher liegenden Öffnungen
vorzusehen. Damit wird eine einwandfreie Abführung der abgesaugten Grenzschicht
zur lumischstelle am Ditffusoreingang i8 gewährleistet, ohne daß eine Absauguti@g
die@andere stört. Durch .Maßnahmen entsprechend der Erfindung können die Haulänge
/_ und die Erweiterungswinkel E der Meridianbegrenzungswände so gewählt werden,
daß auch bei Auslegung auf kleinem Raum wesentliche Energieeinbußen bei der Umwandlung
der Geschwindigkeitsenergie in statischen Druck vermieden werden.
-
Der Crbertrittsringquerschnitt vom angekrümmten Diffusorringraumende
g zum Sammelraum io ist unterteilt. An der Innenseite der scharfen Umlenkung nach
außen ist sowieso ein Umlenkschaufelritlg 20 zweckmäßig. Zusätzlich sind eine oder
mehrere weitere Ringwände 21 mit verhältnismäßig kurzer radialer Erstreckung eingebaut,
durch welche Teilringräurne entstehen. Dabei ist im mittleren Bereich die Form so
gewählt, daß für eine rationelle Herabsetzung der mittleren GeschwindigkeitsscheitelNverte
der austretenden Strömung geeignete Querschnittsverhältnisse d; - b;lda
- b" entstehen. Die gebogene kiickwand des Einsatzes 7 ist bei dieser Abstimmung
des Querschnittsverlaufes der einzelnen Lcitringräume für sich und untereinander
gegebenenfalls stärker anzukrümmen, wodurch die Kontur des Sammlerprofils weitgehend
beeipflußt werden kann und evtl. auch die Rückwand zum Abführstutzen hin geschweift
auszubilden ist.