Erhöhung des Wirkungsgrades von Turbomaschinen durch Regelung des Spaltstromes

Die neu entwickelte Vorrichtung stabilisiert unter Ausnutzung des Spaltstromes die Diffusorströmung über große Lastbereiche und verringert die Diffusorlänge bei gleichem Wirkungsgrad. Neben der Verbesserung der Diffusor-Performance kann mit Hilfe der Vorrichtung ggf. auch das Auftreten von selbsterregten Schwingungen der Turbinenschaufeln verhindert werden.

• Stabilisierung der Diffusorströmung
  • höherer Druckrückgewinn und damit höherer Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich
  • kürzere Diffusoren und damit Verringerung der Anlagekosten
• Wegfall der durch Rückströmgebiete ausgelösten strukturmechanischen Probleme im Diffusor
• Reduzierung von selbsterregten Schaufelschwingungen

Die vorliegende Erfindung erlaubt einen stabilen und ef­fektiven Einsatz bei Turbinenmaschinen über einen weiten Betriebsbereich, wobei gleichzeitig eine Verkürzung der Diffusorlänge durch grö­ßere Öffnungswinkel möglich ist.

Zur Reduzierung der Auslassverluste von Turbinen, also für die Um­wandlung der am Austritt der letzten Tur­binenstufe vorhandenen kinetischen Energie in Druck durch eine Ver­zöge­rung der Strömung (Druckrück­gewinn), werden Diffusoren eingesetzt. Da mo­derne Gas­turbinen in flexiblen Kraftwerken (z. B. im GuD-Betrieb) heute einen weiten Lastbereich abdecken müs­sen, um die fluk­tuierende Einspeisung durch regene­ra­tive Ener­gien zu kompensieren, müssen Diffusoren ein breites Feld von Betriebszuständen sicher und effektiv ab­decken. Somit beeinflussen Diffusoren direkt sowohl den Wir­kungsgrad als auch die Verfügbarkeit von Kraft­werken.

Herkömmlich werden Diffusoren von Gas- und Dampf-turbinen in Kraftwerken sehr kon­servativ ausgelegt, um einen möglichst breiten Last­be­reich sicher und effektiv ab­decken zu können. Hier soll vor allem das Auftreten von Strömungsablösungen vermieden werden, da diese nicht nur zur Verringerung des Druckrückgewinnes führen, sondern beispielsweise auch eine Schwingungsanregung der Turbinen­schau­feln bedingen können, die unter Umständen Schäden an der Turbine verursacht.
Eine konservative Auslegung des Öffnungswinkels führt aller­dings zu einem suboptimalen Wirkungsgrad des Diffusors und da­mit auch der Turbine über weite Bereiche und ist sehr kosten­intensiv, da sich die Kapitalkosten für den Bau eines Kraftwerks pro Meter Diffusorlänge leicht im 6-stelligen Bereich bewegen.
Es gibt Ansätze, sowohl durch passive als auch aktive Be­ein­flus­sung der Strömung, die Grenzschicht im Bereich des Diffusors zu energetisieren und damit Strömungs­ab­lösungen zu verhindern. Der Nachteil der passiven Ver­fah­ren, wie z. B. Wirbelgeneratoren, ist allerdings, dass sie in vielen Be­triebs­bereichen zusätzliche Ver­lus­te verur­sa­chen. Bei der aktiven Beeinflussung steht zumeist der Aufwand, beispielsweise für das Einblasen von Luft, nicht in einem sinnvollen Verhältnis zum Nutzen.
Auch die Nutzung der Leckageströmung über die letzte Laufschaufelreihe hinweg wurde bereits in Be­tracht ge­zogen, dies hat allerdings in der Umsetzung nach dem Stand der Technik den Nachteil, dass die aero­dyna­mischen Verluste in der letzten Stufe der Turbine durch den hierfür notwendigen, relativ breiten Spalt größer sind als die resultierende Wirkungsgradsteigerung durch den verbesserten Druckrückgewinn.

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben eine Vor­richtung entwickelt, mit der die Diffusorströmung über gro­ße Lastbereiche stabilisiert werden kann.
Zu diesem Zweck wird der Spaltstrom über den Schaufel­kranz lokal erhöht. Die einfache, adaptive Kon­trolle des Spaltes zwischen Gehäuse und Schaufelrad der Tur­bine findet durch die Veränderung der Spaltgröße wäh­rend des Betriebs der Turbine statt. Es gibt je nach Art der Tur­bine verschiedene Konzepte zur Um­setzung der Me­tho­de, die auf dem Verschieben von Aus­sparungen im und am Gehäuse beruhen. Neben der Verbesserung der Diffusor-Performance kann mithilfe der Vorrichtung ggf. auch das Auftreten von selbst­erregten Schaufel­schwin­gungen verhindert werden.