AT521548A2

AT521548A2 - Steuerstufe für radial-axiale Dampfturbinen

Info

Publication number: AT521548A2
Application number: ATA227/2019A
Authority: AT
Inventors: Kostyuchenko Nikita
Original assignee: Kostyuchenko Nikita
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-02-15
Also published as: CH715115B1; CH715115A2; AT521548A3; DE102019004365A1

Abstract

Steuerstufe zur Regulierung der Dampfzufuhr bei Teilastbetrieb einer axialen Dampfturbine. Um zusätzliche Energieverluste, die durch thermische und dynamische Spannung im Teillastbetrieb entstehen, zu reduzieren, wird das erste Leitradgitter (4), welches dicht von einer Steuerplatte (2) umgeben ist axial, das heißt senkrecht zu allen folgenden Stufen der Turbine montiert. Die Leitschaufeln ( 4) der Steuerstufe müssen ungekrümmt sein, damit die profilierte Platte (2) frei vor und zurück entlang der Schaufeln bewegt werden kann, wodurch die Dampfzufuhr reguliert wird und der Dampfstrom in axialer Richtung gedreht wird. Die Steuerstufe kann bei Turbinen mit seitlicher wie auch mit zentraler Dampfzufuhr verwendet werden.

Description

Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung steht im Zusammenhang mit einflutigen axialen Dampfturbinen, welche eine Steuerstufe für den Teillastbetrieb haben. Normalerweise wird die Eintrittsströmung am Eingang in die Turbine durch das Öffnen, bzw. Schliessen eines Regelventils vor bestimmten Düsengruppen der Steuerstufe geregelt. Jede Düsengruppe nimmt einen Bogen der ersten Stufe ein, wie zum Beispiel im Patent US4780057A beschrieben. Der Fluss, welcher durch den geöffneten Teil des Leitradgitters geht, kreiert beträchtliche periphere Ungleichmässigkeiten sowohl aerodynamisch, wie auch mechanisch und verursacht durch das zusätzliche Verluste und Belastungen. Bei radial angebrachten Leitschaufeln ist es nicht möglich die Düsenöflhung zu verändern, in dem man die Schaufelhöhe anpasst und dabei gleichmässig auf alle Arbeitsschaufeln der ersten Stufe Dampf zuführt.

Doppelflutige Dampfturbinen weisen eine radial-axiale Bauweise auf, das heisst, dass die Leitschaufeln der ersten Stufe axial zum Rotor aufgebaut sind. Die Leitschaufcln beschleunigen den Dampfstrom nach aussen, zunächst radial und dann wird der Strom in axialer Richtung gedreht um Arbeit auf die Laufschaufeln zu verrichten, wie in beispielsweise US4948333A beschrieben. Es ist empirisch nachgewiesen, dass die Effizienz einer solchen radial-axialen Konstruktion mit herkömmlichen axialen Bauweisen derselben Grösse vergleichbar ist. Diese Bauweise ist eingeführt worden um die Achsenlänge der Turbine zu reduzieren.

Diverse Patente, zum Beispiel EP0095853B1, W02001053679A1 und US8647056 beschreiben Bauweisen von Turboladern mit einer variablen Einlassgeometrie. Normalerweise umfasst ein Turbolader radial axiale Laufschaufeln (Impeller) und einen beweglichen Düsenring, welcher sich im Einlass befindet. Die Einlassmenge wird durch das Verstellen des Düsenringes in axialer Richtung reguliert. Der Strom wird in den Düsen ausschliesslich in radialer Richtung beschleunigt, was ausreichend ist für einen einstufigen Turbolader mit einem Impeller. In einer Dampfturbine mit mehreren axial angebrachten Stufen ist es jedoch notwendig, den Strom auch in axialer Richtung zu beschleunigen.

Das Ziel dieser Erfindung ist es die Defizite der Düsengruppenregelung zu eliminieren, indem eine radial-axiale Steuerstufe eingeführt wird, die auf dem ganzen Umfang Dampfzufuhr

2/9 ermöglicht durch einstellbare Längen der Leitschaufeln.

Darstellung der Erfindung

Diese Erfindung soll es ermöglichen eine einflutige axiale Dampfturbine mit einer verlässlichen und einfach aufgebauten Steuerstufe zu versehen für effektiven Teillastbetrieb. Die vorgeschlagene Steuerstufe hat eine wohlbekannte radial-axiale Konfiguration, mit axial ausgerichteten, ungekrümmten Leitschaufeln der ersten Stufe. Die axiale Ausrichtung der Leitschaufeln, ermöglicht es die charakteristische Eigenschaft dieser Erfindung einzuführen; die Möglichkeit die Länge der Leitschaufeln einfach zu verstellen. Eine profilierte Wand des Einlassbereiches ist verschiebbar. Eine Platte mit profilierten Hohlräumen in Form der Leitschaufeln kann entlang der Leitschaufeln in axialer Richtung verschoben werden und somit die Länge der Leitschaufeln verändern, wodurch auch die Einlassfläche der Stufe verändert wird. Die Hohlräume der beweglichen Platte sollen optimiert werden, sodass die Abstände zwischen der Platte und den Schaufeln minimal sind um Ausströmungen zu vermindern. Bei einer abgeschlossenen Bauweise wird der Verlust gleich Null sein und bei einer Wellendichtung, wird er den Verlust einer herkömmlichen Steuerstufen mit einer Düsengruppenregelung nicht überschreiten. Die radial-axiale Steuerstufe ermöglicht eine 50% Reaktivität im komplett geöffnet Zustand und kann bis auf 0% reduziert werden im Teillastbetrieb, wie es auch der Fall bei herkömmlichen Steuerstufen ist. Da die Leitschaufeln der Steuerstufe fest verkeilt sind, braucht die Turbine kein Einlassventil am Eingang. Durch das Verändern der Einlassfläche der Leitschaufeln der ersten Steuerstufe ist es möglich die Menge des Arbeitsmediums zu regulieren, welches in die Turbine eintritt.

Im Gegensatz zur konventionellen Düsengruppenregelung, produziert die vorgeschlagene Bauweise keine peripheren Ungleichmässigkeiten des Flusses. Die radial-axiale Steuerstufe mit Längenverstellbaren Leitschaufeln produziert keine Gewindeverluste, keine zusätzliche dynamische Spannung auf die Laufschaufeln und keine thermische Belastung auf das Gehäuse, was typisch für eine Düsengruppenregelung ist. Ein weiterer Vorteil einer solchen Konstruktion ist die Möglichkeit die Turbine schnell zu starten, da sie gleichmässig erwärmt wird. Normalerweise befindet sich eine Steuerstufe mit Düsengruppenregulierung auf einem grösseren Durchmesser als die Folgestufen und besitzt eine Mischkammer zwischen der ersten und der zweiten Stufe. Diese Kammer ist notwendig um den Fluss einzuebnen, bevor er auf die Hauptstufen kommt. Die Austrittsenergie aus der Steuerstufe ist komplett verloren. Eine radial-axiale Steuerstufe benötigt keine Mischkammer, die Stufe ist direkt verbunden mit nachfolgenden Stufen und die Austrittsenergie kann in der nächsten Stufe komplett wiederverwendet werden.

Als Konsequenz aller vorhin genannten Vorteile einer solchen Bauweise folgen die typischen Anwendungsbereiche einer Dampfturbine mit einer solchen Steuerstufe, nämlich Vorrichtungen mit nicht konstanter Wärmeleistung und dem Bedarf nach einem schnellen Start, zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Notstromanlagen und industrielle Prozessen mit grosser aber nicht konstanter Wärmeentwicklung.

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Aufzählung der Zeichnungen

Die Erfindung, ihre Anwendung und Vorteile sollen anhand der folgenden Zeichnungen verdeutlicht werden, wobei:

Figur 1 zeigt einen Viertel-Querschnitt einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und seitlichem Einlass.

Figur 2 zeigt einen Viertel-Querschnitt einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und zentralem Einlass.

Figur 3 zeigt die orthogonale Anordnung einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und seitlichem Einlass.

Figur 4 zeigt die orthogonale Anordnung einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und zentralem Einlass.

Figur 5 zeigt einen Viertel-Querschnitt der beweglichen Endplatte der Steuerstufe samt axial angebrachten Leitschaufeln sowie die Abdeckung bei seitlichem Einlass.

Figur 6 zeigt einen Viertel-Querschnitt der beweglichen Endplatte der Steuerstufe samt axial angebrachten Leitschaufeln sowie die Abdeckung bei zentralem Einlass.

Figur 7 zeigt eine seitlichen Querschnitt der Endplatte mit axial angebrachten Leitschaufeln und die Abdeckung der Steuerstufe mit zentralem Einlass.

Ausführung der Erfindung

Die beigefügten Bilder illustrieren eine Dampfturbine mit einer Steuerstufe aus verschiedenen Perspektiven. Figuren 1,3 und 5 beziehen sich auf eine Steuerstufe mit seitlicher Dampfzufuhr, Figuren 2,4,6 und 7 beziehen sich auf eine Steuerstufe mit zentraler Dampfzufuhr.

Steuerstufe mit seitlichem Einlass

Figur 1 zeigt die Eintrittsspirale (6) mit der Aussenhülle der Turbine (5), einem zweistufigen Rotor (1), der bewegliche Endplatte (2), dem Abschlussdeckel (7), den Laufschaufeln der Steuerstufe (3) und den ungekrümmten Leitschaufeln der Steuerstufe (4). In Figur 3 kann man erkennen, dass die Leitschaufeln der Steuerstufe (4) eine Einheit mit dem Abschlussdeckel (7) bilden. Die bewegliche Endplatte (2) ist angefügt an die ungekrümmten Leitschaufeln (4) und kann entlang von ihnen hin- und her gleiten. Die Gesamteinlassfläche der Leitschaufeln der Steuerstufe (4) definiert die Einlassmenge am Eingang zur Turbine. Der Abschlussdeckel (7) wird am Gehäuse befestigt, nachdem die Leitschaufeln der ersten Stufe (4) dran befestigt worden sind und die bewegliche Endplatte (2) draufgesetzt ist. Auf der anderen Seite werden die Leitschaufeln am Gehäuse (5) befestigt. Der Dampfstrom kommt in die Turbine durch die Eintrittsspirale (6) und beschleunigt in tangentialer Richtung durch

4/9 die ungekrümmten Leitschaufeln (4). Nach den Leitschaufeln (4), bewegt sich der Fluss nicht nur in radial tangentialer Richtung von innen nach aussen, sondern wird durch die profilierte Endplatte (2) auch in axialer Richtung gedreht um die erste Reihe der Laufschaufeln zu treffen (3). Figur 5 zeigt die Krümmung der beweglichen Endplatte (2), welche den tangential-radialen Strom von den Leitschaufeln (4) reibungslos in axial-tangentiale Richtung der Laufschaufeln (3) dreht. Bei voller Last trifft der Dampfstrom die gesamte Höhe der Laufschaufeln (3). Im Teillastbetrieb kommt der Dampf nur auf einen Teilausschnitt der Laufschaufeln und verrichtet Arbeit. Jedoch, im Gegensatz zur Düsengruppenregelung, trifft bei dieser Bauweise bei Volllast, wie auch bei jeder beliebigen Teillast der Dampf alle Laufschaufeln (3). Nach der Steuerstufe expandiert der Fluss in den folgenden Stufen direkt weiter, ohne dass er zunächst in einer Mischkammer eingeebnet werden muss.

Steuerstufe mit zentralem Einlass

Figur 2 zeigt den Abschlussdeckel mit Eintrittsrohr (9), einem zweistufigen Rotor (1), der bewegliche Endplatte (2), den Laufschaufeln der Steuerstufe (3) und den ungekrümmten Leitschaufeln der Steuerstufe (4). Wie man Figur 4 entnehmen kann, bilden die ungekrümmten Leitschaufeln (4) eine Einheit mit der inneren Leitplatte (8). Die bewegliche Endplatte der Steuerstufe (2) umgibt die ungekrümmten Leitschaufeln und kann entlang von ihnen verschoben werden. Die Gesamteinlassfläche der Leitschaufeln der Steuerstufe (4) definiert die Einlassmenge am Eingang zur Turbine. Die Leitschaufeln der ersten Stufe (4) werden an die innere Leitplatte befestigt, anschliessend wird die bewegliche Endplatte aufgesetzt (2) und die Leitschaufeln werden am Abschlussdeckel (9) befestigt, welcher dann am Gehäuse (5) fest gemacht wird. Der Dampfstrom kommt durch das zentrale Eintrittsrohr (9) und beschleunigt in tangentialer Richtung durch die ungekrümmten Leitschaufeln (4). Nach den Leitschaufeln (4), bewegt sich der Fluss nicht nur in radial tangentialer Richtung von innen nach aussen, sondern wird durch die profilierte Endplatte (2) auch in axialer Richtung gedreht um die erste Reihe der Laufschaufeln zu treffen (3). Figuren 6 und 7 zeigen die Krümmung der beweglichen Endplatte (2), welche den tangential-radialen Strom von den Leitschaufeln (4) reibungslos in axial-tangentiale Richtung der Laufschaufeln (3) dreht. Bei voller Last trifft der Dampfstrom die gesamte Höhe der Laufschaufeln (3). Im Teillastbetrieb kommt der Dampf nur auf einen Teilausschnitt der Laufschaufeln und verrichtet Arbeit. Jedoch, im Gegensatz zur Düsengruppenregelung, trifft in diesem Fall bei Volllast, wie auch bei jeder beliebigen Teillast der Dampf alle Laufschaufeln (3) gleichmässig. Nach der Steuerstufe expandiert der Fluss in den folgenden Stufen direkt weiter, ohne dass er zunächst in einer Mischkammer eingeebnet werden muss.

Claims

Patentansprüche

1. Steuerstufe für den Teillastbetrieb einer Dampfturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die ungekrümmten Leitschaufeln 4 der ersten Stufe axial zum Rotor stehen und von einer beweglichen Endplatte 2 umgeben sind, die sich in axialer Richtung verschieben lässt.
2. Steuerstufe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte 2, eine Krümmung aufweist um den Fluss aus radialer in axiale Richtung zu drehen.
3. Eine Turbine, welche eine Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2 besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass sic keine Ventile zur Dampfmassenregulicrung besitzt.
4. Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln der ersten Stufe 4 auf einem grösserem Umfang angebracht sind, als alle folgenden Schaufeln, sodass der Vorlauf auf einer Einlaufspirale von aussen nach innen geschieht (Figur 1)·
5. Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln der ersten Stufe auf einem kleineren Umfang angebracht sind, als alle folgenden Schaufeln, sodass der Vorlauf von einem zentralen Einlassrohr Richtung Peripherie geschieht. (Figur 2).
6. Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine Einlaufspirale benötigt.
7. Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei beliebigen Rankine-Zyklus-Turbinen eingesetzt werden kann, das heisst es kann jedes mögliche Arbeitsmedium verwendet werden.
8. Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie vom Gehäuse getragen wird.
9. Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch eine Stopfbüchsendichtung abgeschlossen wird.
10. Eine Turbine, welche eine Steuerstufe gemäss Ansprüchen 1 und 2 besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine, zwei oder mehrere Stufen haben kann.