CH652170A5 - Austrittsgehaeuse an einer turbine. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Austrittsgehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Handbuch «Dampfturbinenanlagen der Atomkraftwerke», Seiten 176/177, erschienen 1978 im Verlag «Energie» in Moskau ist beispielsweise ein Abdampf-Aus-trittsgehäuse einer Dampfturbine bekannt, welches in seinem Einlassteil einen Leitring aufweist, dessen Innenfläche kegelförmig ausgeführt ist und dessen Achse mit der Längsachse der Turbine, d.h. mit der Drehachse des Rotors, zusammenfällt. Der Leitring ist so angeordnet, dass dessen Ende mit dem kleineren Durchmesser sich im Bereich der Aussenenden der Schaufeln des Laufrades der Endstufe der Turbine befindet, während das andere Ende mit dem grösseren Durchmesser am Auslass des Austrittsgehäuses angeordnet ist.

Dieses bekannte Austrittsgehäuse mit einem kegelförmigen Leitring gewährleistet keine stabile Arbeit der Endstufe der Turbine bei einer bedeutenden Abweichung der Betriebsverhältnisse der Turbine von ihrem Nennbetrieb, d.h. von einer solchen Betriebsart, für welche die Turbine unter der Bedingung berechnet ist, dass sie maximal wirtschaftlich arbeitet.

Bei einer Änderung des Durchsatzvolumens des Arbeitsmediums, das gegebenenfalls Wasserdampf ist, und/oder bei einer Änderung der Drehzahl des Rotors gelangt der Dampfstrom verwirbelt an den Einlass des Austrittsgehäuses, d.h., dass die Umfangs- und Radialkomponente der Geschwindigkeit des strömenden Mediums im Austrittsgehäuse um so mehr ansteigen wird, je mehr die momentanen Betriebsdaten vom Nennbetrieb abweichen. Die Fliehkräfte im Drallstrom bilden die Oberflächen der Strömung des Arbeitsmediums in Form eines Rotationshyperboloids, wodurch auch der sogenannte Diffusoreffekt begünstigt wird, der infolge der Kegelform des Leitringes hervorgerufen wird. Die Folge davon ist, dass am Fuss der Schaufeln des Laufrades, das sich am Einlass in das Abdampf-Austrittsgehäuse befindet, der Strom des Arbeitsmediums von der Innenwandung des Gehäuses ablöst. Es entstehen dabei Zirkulationszonen, d.h. solche Zonen, in denen das Arbeitsmedium an den geschlossenen Oberflächen der Strömung fliesst, die asymmetrisch zur Turbinenachse liegen und bei bestimmten Betriebsbedingungen der Turbine in das Laufrad der Endstufe gelangen.

Jede Schaufel des Laufrades passiert während einer Umdrehung des Rotors nacheinander Sektoren von verschiedenen Werten des Durchsatzvolumens des Arbeitsmediums, wodurch variable Biegekräfte entstehen, die auf jede Schaufel des von Strom beanspruchten Laufrades einwirken. Die dabei in den Schaufeln entstehenden veränderlichen Spannungen führen in zahlreichen Fällen zu vorzeitigen Ermüdungsbrüchen.

Darüber hinaus begünstigen die vorstehend genannten Zirkulationszonen im Abdampf-Austrittsgehäuse der Dampfturbine, dass grobdisperse Flüssigkeit (Wassertropfen) aus dem Austrittsgehäuse zu den Schaufeln des Laufrades gelangt. Die dadurch entstehende Erosionsabtragung an den Schaufelströmkanten des Laufrades verringert die Querschnittsfläche der Schaufeln und ändert deren Querschnittsform, so dass oft Störungen auftreten und die Wirtschaftlichkeit der Endstufe der Turbine herabgesetzt wird.

Ferner ist noch zu bemerken, dass die erwähnten Zirkulationszonen, die sich üblicherweise asymmetrisch zur Turbinenachse einstellen und zu einer Änderung der Anströmform jeder Schaufel des Laufrades durch das Arbeitsmedium bei jeder Umdrehung des Rotors führen, zusätzliche Energieverluste im Laufrad infolge der sogenannten nichtstationären Strömung verursachen.

Eine weitere Anordnung ist aus dem SU-Urheberschein 162164 bekannt. Das Ziel der darin genannten technischen Lösung ist es, die Wirtschaftlichkeit einer Strömungsmaschine durch Senken des Strömungswiderstandes des Mediums zu steigern. Dieses Ziel wird erreicht, indem eine Austrittsfläche eines Diffusori durch Schrägschnitt des Leitbleches über den Leitschaufeln der letzten Stufe zur Auslassöffnung hin vergrössert wird. Durch eine solche Ausführung des Diffusoraustrittes ist es auch möglich, die Strömungsbahn des Mediums zu verkürzen, wodurch die angestrebte Wirkung noch vergrössert wird.

Ein Nachteil dieser bekannten Anordnung ist es jedoch, dass im Vergleich zu anderen bekannten Anlagen analogen Typs die Zuverlässigkeit des Rotors infolge stärkerer ungleichmässiger Verteilung des Druckes über den Umfang wegen des Schrägschnitts des Leitbleches zur Auslassöffnung hin in Frage gestellt ist. Wird dieser bekannte Diffusor in Stutzen, die in Achsrichtung kürzer sind, verwendet, z.B. in Turbinen eines anderen Typs, insbesondere Dampfturbinen, so wird sich die genannte negative Wirkung noch erhöhen.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Ausführung eines Gasturbinendiffusors ist es, dass die maximale Wirtschaftlichkeit der Turbine nicht gewährleistet ist, wenn sich die Betriebsbedingungen von den zugrundegelegten Bedingungen unterscheiden, weil es die fixierte Ausführung des Schrägschnitts des Diffusors nicht erlaubt, den Strömungswiderstand bei Änderung des Druckes zu regeln.

Ferner ist eine weitere Anordnung aus dem SU-Urheber-schein 487 242 bekannt. Bei dieser Anordnung soll die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit einer Turbine bei kleinem Dampfvolumenstrom erhöht werden, indem verhindert wird,

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dass der Rückstrom aus dem Austrittsgehäuse in das Laufrad der letzten Stufe gelangt. Zu diesem Zweck sind im Austrittsgehäuse radial angeordnete Drehklappen vorhanden, welche den inneren Teil des Gehäuseaustritts überdecken. Im Vergleich zu anderen bekannten Anlagen werden bei dieser bekannten Ausführung die Nassdampferosion der Schaufeln und ihr Rotationswiderstand abnehmen, wodurch zwar die Zuverlässigkeit der Anlage insgesamt erhöht wird, jedoch ein Nachteil entsteht, indem das vorgesehene Gehäuse mit den radial angeordneten Drehklappen unwirksam ist, wenn die Rückströmzone kleiner oder grösser ist als die von den Klappen überdeckte Zone. Infolgedessen ist nur unter bestimmten Bedingungen die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Turbine gewährleistet.

Zum Stand der Technik wird ferner noch die US-PS 4103 378 genannt, gemäss welcher eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit einer Turbine durch Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Abdampf-Austrittsgehäuses erzielt werden soll. Dazu ist vorgesehen, die Geschwindigkeiten und Drücke im Arbeitsstrom sowohl am Einlass als auch am Auslass aus dem Gehäuse gleichmässiger zu verteilen. Dies wird mittels zweier Reihen von Leitblechen im Gehäuse erreicht, die den Strom zuerst in Radialrichtung lenken, danach zum Gehäuseaustritt, wobei das Besondere dieser Leitbleche ihre Dimensionierung ist. Bei dieser bekannten Anordnung sind die von den Leitblechen begrenzten Diffusorkanäle zwar optimal ausgelegt, jedoch arbeitet eine damit ausgerüstete Turbine nur unter den errechneten Bedingungen mit dem gewünschten Wirkungsgrad. Wenn der Strom am Einlass in das Gehäuse einen Drall hat oder nicht den ganzen Querschnitt ausfüllt, ist die Wirksamkeit der Leitbleche geringer, als wenn das Gehäuse überhaupt keine Leitbleche hätte, weil diese Leitbleche in derartigen Fällen zusätzliche Verluste wegen Wirbelbildung verursachen, da sie im Gehäuse fixiert sind.

Der Nachteil der aus der US-PS 4 013 378 bekannten Anordnung liegt also darin, dass eine hohe Wirtschaftlichkeit der Turbine und ihres Gehäuses nicht unter beliebigen, sondern nur unter den errechneten Bedingungen gewährleistet ist.

Die drei letzten zum Stand der Technik erläuterten Konstruktionen von Turbinen-Austrittsgehäusen weisen also den gemeinsamen Nachteil auf, dass sie nicht für alle Turbinentypen anwendbar und nicht universell für die verschiedenen Betriebsbedingungen geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Austrittsgehäuse an einer Turbine zu schaffen, dessen Führung so gestaltet ist, dass eine achssymmetrische Strömung des Arbeitsmediums im Einlassteil des Gehäuses erzielt wird. Ferner sollen die bei verschiedenen Betriebsverhältnissen der Turbine auftretenden Zirkulationszonen vermieden werden.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Durch die erfindungsgemässe Lösung werden die erwähnten Mängel beseitigt, da die Entstehung von Umlaufströmen im Austrittsgehäuse im grossen Bereich der weithin üblichen Betriebsbedingungen der Turbine und in Turbinen jeglichen Typs durch Veränderung des Durchgangswiderstandes des Gehäuses mit Hilfe eines verstellbaren Leitringes verhindert wird.

Die erfindungsgemässe konstruktive Lösung gewährleistet die Erzeugung einer achssymmetrischen Strömung des Arbeitsmediums ohne Zirkulationszonen im Einlassteil des Gehäuses und in der Endstufe der Turbine.

Eine bevorzugte Ausführungsform nach Anspruch 2 gewährleistet eine Erhöhung der Stabilität der Strömung des Arbeitsmediums bei verschiedenen Arbeitsverhältnissen der

Endstufe der Turbine dadurch, dass die Innenfläche des Leitringes verschiedene Längen längs der Turbinenachse haben kann.

Eine Ausführungsform nach Anspruch 3 ist sehr einfach und zuverlässig und ermöglicht es dabei, die Umfangslage der Innenflächenabschnitte des Leitringes von verschiedener Länge bei verschiedenen Arbeitsverhältnissen der Turbine zu ändern und somit die axiale Asymmetrie der Strömung im Einlassteil des Gehäuses auf ein Mindestmass herabzusetzen, sowie die Zirkulationsströme im genannten Teil zu beseitigen, so dass die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Turbine erhöht wird.

Eine weitere Ausführungsform nach Anspruch 4 ist besonders wirksam bei der Anwendung des Austrittsgehäuses mit einem kegelförmigen Einlassteil, wobei eine solche Ausführung eine bedeutende Erweiterung des Bereichs der Strömungsverhältnisse in der Endstufe der Turbine und im Einlassteil des Gehäuses ermöglicht. Eine solche Ausführung unterscheidet sich von den vorher genannten Ausführungsvarianten durch das Fehlen von Zirkulationszonen, was gleichfalls zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Turbine beiträgt.

Eine Ausführungsform nach Anspruch 5 ermöglicht gleichfalls eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit einer mit dem Austrittsgehäuse ausgerüsteten Turbine bei Nennbetrieb infolge der Schwenkbarkeit der einzelnen Elemente, aus welchen die Leitvorrichtung besteht, in eine Lage, die die Strömung des Arbeitsmediums im Austrittsgehäuse optimal gestaltet. In diesem Falle gewährleisten die genannten Elemente einen optimalen Übergang der Strömung von der Bewegung in den Radialrichtungen im Einlassteil des Gehäuses zur Bewegung in der Richtung zum Auslass aus dem Gehäuse.

Die vorgeschlagenen Bauarten des Austrittsgehäuses einer Turbine ermöglichen es, ohne die Wirtschaftlichkeit des Gehäuses im Nennbetrieb herabzusetzen, die Fläche des, Durchgangsquerschnitts seines Einlassteils bei verschiedenen Arbeitsverhältnissen zweckmässig zu ändern und somit die axiale Asymmetrie der Strömung und die Zirkulationszonen, die die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Turbine verringern, zu beseitigen.

Die Axialsymmetrie der Strömung des Arbeitsmediums verhindert zusätzliche Wechselbeanspruchungen der Schaufeln des Laufrades sowie zusätzliche Energieverluste in der Turbine, wobei das Fehlen von Zirkulationszonen der Strömung in der Nähe der Schaufeln des Laufrades keine Erosionsabtragung ihrer Abströmkanten zulässt. Die vorgeschlagene Lösung sollte die Standzeit der Turbinenschaufeln verlängern, die Störungsanfälligkeit verringern und somit die Aufwendungen für Reparaturen und für die Wiederherstellung des Turbinenrotors herabsetzen. Da der Wirkungsgrad erhöht wird, wird die Wirtschaftlichkeit der Turbine in einem weiten Bereich verbessert.

Auf beiliegender Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Austrittsgehäuses einer Turbine im Längsschnitt, mit einem aus teleskopisch miteinander verbundenen Elementen gebildeten Leitring,

Fig. 2 eine Variante zu Fig. 1 mit einem Leitring in Form eines durch eine schiefe Ebene abgeschrägten Zylinders,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines weiteren Austrittsgehäuses einer Turbine im Längsschnitt, mit einer aus Elementen gebildeten Leitvorrichtung,

Fig. 4 einen Querschnitt gemäss der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Variante im Längsschnitt, wobei die Leitvorrichtung aus Elementen

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Fig. 6 einen Querschnitt gemäss der Linie VI-VI der Fig. 5.

Das vorgeschlagene Austrittsgehäuse einer Turbine ist mit 1 bezeichnet und ist mit dem Turbinenstator 2 starr verbunden. Das Gehäuse 1 besitzt einen Einlassabschnitt 3, der in der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter den Schaufeln 4 des Laufrades 5 der Endstufe der Turbine angeordnet ist. Das Gehäuse 1 hat gebogene Wände, um welche das aus dem Laufrad 5 ausströmende Arbeitsmedium im wesentlichen längs der Turbinenachse 6 zu Austrittsstelle 7 des Gehäuses geleitet wird.

Im Einlassabschnitt 3 ist eine aus einem Leitring 8 bestehende Leitvorrichtung angeordnet, die eine rotationssymmetrische Oberfläche aufweist, deren Längsachse mit der Turbinenachse 6 zusammenfällt. Gegebenenfalls kann eine zylindrische Oberfläche vorhanden sein.

Der Leitring 8 ist so angeordnet, dass das Eintrittsende 9 des Leitringes im Bereiche der Aussenenden 10 der Schaufeln 4 des Laufrades 5 liegt. Das genannte Ende 9 des Leitringes 8 befindet sich hinter den Aussenenden 10 der Schaufeln 4 derart, dass es das Laufrad 5 umfasst.

Entsprechend der vorgeschlagenen Lösung eignet sich die den Leitring 8 aufweisende Leitvorrichtung zum Ändern des Durchgangsquerschnitts des Einlassabschnitts 3 der Turbine.

Gemäss der ersten Ausführung nach Fig. 1 besteht der Leitring 8 aus zylindrischen Elementen 11 und IIa, die teleskopisch ineinander schiebbar sind. Der Leitring 8 ist ferner mit einem Antrieb 12 versehen, mittels welchem die Elemente 11 in der Richtung der Turbinenachse 6 von den Schaufeln 4 des Laufrades 5 weg und entgegengesetzt bewegt werden können, und zwar entsprechend den jeweiligen Arbeitsverhältnissen der Turbine. Das in der auseinandergeschobenen Lage des Leitringes 8 von den Schaufeln 4 am weitesten entfernte Element 11 a ist mit einem Antrieb 12 kinematisch verbunden.

Der Antrieb 12 ist am Stator 2 der Turbine durch beliebige bekannte Mittel starr befestigt und kann z.B. als bekannter elektrischer Stellmotor ausgeführt sein. Der Antrieb könnte auch hydraulisch, pneumatisch oder dergleichen gestaltet sein. Der Antrieb 12 gewährleistet sowohl ein volles Ausrücken der Elemente 11 als auch deren teilweises Ausziehen, so dass die Möglichkeit besteht, die Fläche des Durchgangsquerschnitts des Einlassabschnitts 3 des Austrittsgehäuses regelbar zu ändern. Gegebenenfalls sind mehrere solche Antriebe vorhanden, die mit den Elementen 11 kinematisch verbunden und am Kreisumfang in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Im vorliegenden Falle können vier solche Antriebe vorhanden sein, doch kann ihre Zahl in anderen Fällen auch eine andere sein.

Die kinematische Verbindung des im gestreckten Zustand des Leitringes 8 von den Schaufeln 4 am weitesten entfernten Elements IIa mit dem Antrieb 12, erfolgt mit Hilfe eines Zahnstangengetriebes, welches eine Zahnstange 13 aufweist, die parallel zur Turbinenachse 6 verläuft und am Element IIa starr befestigt, gegebenenfalls angeschweisst ist. Gemäss dem Ausführungsbeispiel sind zwei solche Elemente 11 vorgesehen, obwohl ihre Zahl auch grösser sein kann.

Gemäss der zweiten Ausführung der Erfindung, wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist im Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses 1 eine zylindrische als Leitring 14 ausgebildete Leitvorrichtung vorhanden. Die Austrittskante des Leitringes verläuft in einer schief zur Turbinenachse verlaufenden Ebene. In dieser Weise weist der Leitring 14 eine sich allmählich ändernde Axiallänge auf.

Der Leitring 14 ist mit einem Antrieb 15 kinematisch verbunden, der am Turbinenstator 2 der Turbine durch bekannte Elemente starr befestigt ist, und einen elektrischen

Stellmotor mit einem Getriebe bekannter Konstruktion darstellt. Der Antrieb 15 ist zum Verstellen des Leitringes 14 in der Axial- und/oder Umfangsrichtung zwecks einer entsprechenden Flächenänderung des Durchgangsquerschnitts des Einlassabschnitts 3 bestimmt.

Die kinematische Verbindung des Antriebs 15 mit dem Leitring 14 erfolgt mit Hilfe einer Zahnstange 16, die parallel zur Turbinenachse 6 verläuft. Wenn entsprechend einer veränderten Belastung der Turbine die Arbeitsweise des Getriebes des Antriebs 15 umgeschaltet wird, so kann sich die Zahnstange 16 um ihre Längsachse drehen oder sich in der Längsrichtung bewegen.

Die Zahnstange 16 trägt ein starr befestigtes Zahnrad 17, und auf der Seitenfläche des Leitringes 14 ist ein Zahnkranz 18 starr befestigt, der mit dem Zahnrad 17 kämmt und bei einer Drehung des Leitringes 14 um die Achse 6 die Zahnstange 16 antreibt.

Die Zahnstange 16 trägt ferner auf beiden Seiten des Zahnrads 17 je eine Anschlagscheibe 19, die mit dem Zahnkranz 18 zusammenwirken, wenn der Leitring 14 in axialer Richtung verschoben wird, so dass die Scheiben 19 an die Stirnflächen des Zahnkranzes 18 anschlagen.

Auf diese Weise wird bei verschiedenen Axial- und Umfangsstellungen des Leitringes 14 die Grösse und die Form des Durchgangsquerschnitts des Einlassabschnitts 3 des Austrittsgehäuses geändert, wodurch die Möglichkeit entsteht, die axiale Asymmetrie der Strömung des Arbeitsmediums bei verschiedenen Betriebsarten der Turbine zu beseitigen. Im vorliegenden Falle sind vier am Kreisumfang gleichmässig verteilte Antriebe 15 vorhanden, wobei jedoch je nach Ausführung auch mehr Antriebe angeordnet sein können.

Gemäss der folgenden Ausführungsvariante nach Fig. 3 ist im Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses eine Leitvorrichtung 20 angeordnet, die eine kegelförmige innere Seitenfläche hat und aus lamellenartigen Elementen 21 besteht, die einander teilweise überdecken, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht. Die Lamellenelemente 21 sind plattenartig geformt mit einer nahezu flachen inneren Seitenfläche, die der Achse 6 zugekehrt ist. Auf der äusseren Seitenfläche der Elemente 21 sind rechteckige Ansätze 22 vorhanden, die aus einem Stück mit den Elementen 21 bestehen und als Versteifungsrippen wirken.

Die linken Enden 23 der Elemente 21 sind dicker ausgeführt, um diesen Elementen 21 eine grössere Steifigkeit zu verleihen, während die rechten Enden 24 derselben abgeschrägt sind und eine verjüngte Form haben, so dass auf jedes verjüngte Ende 24 das verstärkte Ende 23 des nächsten Elements 21 zur Auflage kommt. Am Stator 2 ist mit Hilfe bekannter Mittel ein Antrieb 25 befestigt, der gegebenenfalls als elektrischer Stellmotor ausgeführt sein kann. Der Antrieb 25 ist mit den Endstücken 26 der Lamellenelemente 21 kinematisch verbunden, wobei diese Endstücke unter einem rechten Winkel zur inneren Seitenfläche der Elemente 21 stehen. Jedes Element 21 ist an seiner Übergangsstelle zu seinem Endstück 26 mit dem Stator 2 der Turbine durch ein Gelenk 27 mit einem Beweglichkeitsgrad verbunden; die Konstruktion des Gelenks 27 ist bekannt und wird deshalb weiter nicht beschrieben. In Fig. 3 ist der Schwenkwinkel eines Elements 21 um die Achse des Gelenks 27 strichpunktiert dargestellt. Die gleichzeitige Schwenkung sämtlicher Elemente 21 ermöglicht eine Änderung des Durchgangsquerschnitts im Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses.

Zur kinematischen Verbindung des Antriebs 25 mit den Endstücken 26 ist ein Ring 28 vorhanden, dessen Achse mit der Achse 6 der Turbine zusammenfällt. Am Ring 28 ist ein Schaft 28a, z.B. durch Schweissen, starr befestigt, der mit dem Antrieb 25 zum Verstellen des Ringes 28 längs der Achse 6

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Die zuletzt beschriebene Ausführungsvariante ist zwar konstruktiv komplizierter als die vorherigen, da die Leitvorrichtung 20 mindestens vierundzwanzig Elemente 21 enthält, doch ist sie in denjenigen Fällen vorzuziehen, wenn der Einlassabschnitt 3 des Gehäuses so ausgeführt werden sollte,

dass das Arbeitsmedium an kegelförmigen Oberflächen fliesst.

In der letzten Ausführungsvariante des erfindungsge-mässen Austrittsgehäuses gemäss Fig. 5 ist im Einlassabschnitt 3 des Gehäuses eine Leitvorrichtung 29 angeordnet, die aus ersten Leitelementen 30 und aus zweiten Leitelementen 30a gebildet ist, die im Querschnitt ein aerodynamisches konvex-konkaves Profil aufweisen, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Leitelemente 30 und 30a sind hintereinander auf einem Kreisumfang verteilt angeordnet. Die konkave Oberfläche jedes Elements 30 und 30a ist zylinderförmig und stellt einen Teil der inneren Zylinderfläche des Leitringes 29 dar.

Die verdickten Enden der Elemente 30 und 30a sind, wie aus Fig. 6 ersichtlich, auf Achsen 31 befestigt, die auf der zylindrischen Seitenfläche der Leitvorrichtung 29 parallel zur Achse 6 verteilt und im Stator 2 angeordnet sind. Auf der nach Fig. 6 rechten und linken Seite des Gehäuses sind die Achsen 31 symmetrisch zur vertikalen Symmetrieebene A des Gehäuses 1 angeordnet. Dabei ist auf jedem der genannten Teile des Gehäuses der Mittelpunkt der nach Fig. 6 oberen Achse 31 a von der Symmetrieebene A so weit entfernt, dass die Entfernung im wesentlichen der halben Dicke des verstärkten Endes des Elements 30 entspricht. Die Zwischenachsen 31 liegen auf der Erzeugenden der Leitvorrichtung 29, beginnend von der Achse 31a und durch Intervalle getrennt, die der Breite jedes Elements 30 gleich sind.

Die auf Fig. 5 rechten Enden der Achsen 31 sind in Stützen 32 untergebracht, welche im Körper des Turbinenstators 2 als zylindrische Öffnungen ausgeführt sind. Das nach Fig. 5 linke Ende jeder Achse 31 ist mit einem Antrieb 33, gegebenenfalls durch ein Zahnradgetriebe kinematisch verbunden.

Der Antrieb 33 ist aussen am Austrittsgehäuse 1 durch bekannte Mittel starr befestigt und kann als elektrischer Stellmotor mit einem bekannten Getriebe ausgebildet sein. Der Antrieb 33 kann in anderen Fällen auch hydraulisch, pneumatisch oder dergleichen ausgeführt sein.

Bei der beschriebenen Variante enthält das Austrittsgehäuse die gleiche Anzahl Elemente 30,30a und Antriebe 33.

Dabei hat die von den Schaufeln 4 weiter entfernte Reihe der Elemente 30a hohle rohrförmige Achsen, in welchen die Achsen 31 angeordnet sind und aus ihnen um eine Länge herausragen, die die Länge jedes Elements 30 übersteigt. Die Elemente 30 und 30a können sich unabhängig voneinander drehen. Die Fig. 5 und 6 zeigen die Leitvorrichtung 29 in einer solchen Lage, in welcher die Elemente 30 eine geschlossene Fläche bilden, während die Elemente 30a bezüglich der Achse 6 radial gedreht sind. Der Antrieb 33 ist so ausgeführt, dass die Elemente 30 und 30a in jeder beliebigen Zwischenstellung festgehalten werden können. Die strichpunktierte Linie 3 lb in der Fig. 5 zeigt die maximale Länge der Leitvorrichtung 29, wenn auf ihrer Mantellinie sowohl die Elemente 30 als auch 30a aufliegen.

Eine derartige konstruktive Ausführung der Leitvorrichtung 29 erhöht die Wirtschaftlichkeit des Austrittsgehäuses und der Turbine und steigert ihre Zuverlässigkeit in einem

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weiten Betriebsbereich, darunter auch im Nennbetrieb. Dazu ist aber eine grössere Anzahl Antriebe notwendig, welche intensiv und fachkundig bedient sein müssen.

Eine mit dem beschriebenen Austrittsgehäuse ausgeführte und in der Fig. 1 dargestellte Turbine arbeitet wie folgt:

Wenn die Turbine mit maximaler Leistung, d.h. bei maximalem Volumendurchfluss des sich nach links von den Schaufeln 4 des Laufrades 5 bewegenden Arbeitsmediums arbeitet, ist es zweckmässig, im Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses einen minimalen Druck des Arbeitsmediums aufrechtzuerhalten. Dazu sind beide Elemente des Leitringes 8 in die nach der Zeichnung äussere rechte Ausgangsstellung verschoben.

Bei verringerter Leistung, wenn der Volumendurchfluss des Arbeitsmediums durch die Schaufeln 4 des Laufrades 5 unter dem Nennwert liegt, während die Umlauffrequenz des Laufrades 5 im wesentlichen unverändert bleibt, strömt das Arbeitsmedium in den Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses mit einer bedeutenden Umfangs- und Radialkomponente der Geschwindigkeit. Dabei ist die radiale Geschwindigkeitskomponente auf die Turbinenachse 6 gerichtet, wobei ihre Grösse desto bedeutender ist, je grösser die Umfangs-komponente, d.h. je stärker der Strom verwirbelt ist.

Bei einem verwirbelten Strom im Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses, falls dieser Abschnitt 3 von aussen durch eine feste zylindrische Fläche nicht begrenzt ist, ist der Druck am Fuss der Schaufeln 4 des Laufrades 5 dermassen verringert, dass eine gewisse Durchflussmenge des Arbeitsmediums von der Austrittsstelle 7 des Gehäuses zu den Schaufeln 4 zurückkehrt.

Die Zusammenwirkung des Haupt- und Rückstroms verursacht in den bekannten Konstruktionen die Entstehung geschlossener Zirkulationszonen. Infolge der asymmetrischen Bauart des Gehäuses verengen diese den Durchgangsquerschnitt des Hauptstroms asymmetrisch zur Turbinenachse 6. Folglich entsteht im Einlassabschnitt 3 des Austrittsgehäuses ein ungleichmässiges Kenndatenfeld. Die Schaufeln 4 durchschneiden es bei jeder Umdrehung um die Achse 6 und erfahren dabei Wechselbeanspruchungen mit einer Frequenz, die gleich oder mehrfach der Umlauffrequenz des Laufrades 5 entspricht.

Zur Beseitigung der Wechselspannungen der Schaufeln 4 werden die Antriebe 12 automatisch beziehungsweise nach einem Kommando des die Turbine bedienenden Operators eingeschaltet. Dabei bewegen sich die Stangen 13 nach Fig. 1 nach links mit der gleichen Geschwindigkeit und verstellen das Element IIa aus der Ausgangsstellung. Nach dem vollen Auszug dieses Elements 1 la mit einem etwas grösseren Durchmesser wird dank der teleskopischen Verbindung mit dem benachbarten Element 11 mit einem etwas kleineren Durchmesser, dieses Element 11 gleichfalls nach links in die aus der Fig. 1 ersichtliche Lage verschoben.

In dieser maximal herausgezogenen Lage werden die Antriebe 12 automatisch ausgeschaltet. Es ist daher auch möglich, die Elemente 11 in einer beliebigen Zwischenstellung festzuhalten, wodurch optimale Strömungsverhältnisse im Einlassabschnitt 3 des Gehäuses bei verschiedenem Volumendurchfluss des Arbeitsmediums aufrechterhalten werden können.

Die zylindrische Innenfläche des Leitringes 8 verringert die radiale Geschwindigkeitskomponente des Arbeitsmediums. Der Einlassabschnitt 3 des Gehäuses hat bei vollständig gestrecktem Leitring 8 die Form eines Konfusors, das heisst, dass die Durchgangsquerschnittfläche am Austritt kleiner ist als beim Eintritt. Darum wird der Druck des Arbeitsmediums am Austritt aus dem Einlassabschnitt 3 des Gehäuses den Druck neben dem Fuss der Schaufeln 4 jedenfalls nicht über5

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steigen. Auf diese Weise verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass Rückströme von hoher Intensität und Zirkulationszonen im Einlassabschnitt 3 des Gehäuses entstehen, was zu zusätzlichen dynamischen Beanspruchungen und zur Erosionseinwirkung auf die Schaufeln 4 führen würde. Dank der höheren Gleichartigkeit des Kenndatenfeldes des Arbeitsmediums hinter den Schaufeln 4 und dem Fehlen einer wesentlichen radialen Geschwindigkeitskomponente steigt die Wirtschaftlichkeit des Arbeitsprozesses, zumindest in der Endstufe der Turbine.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung des Austrittsgehäuses der Turbine arbeitet wie folgt:

Beim Nennbetrieb der Turbine befindet sich der Leitring

14 in der rechten Endstellung.

Eine gewisse axiale Asymmetrie des Kenndatenfeldes hinter den Schaufeln 4 lässt sich teilweise oder gänzlich durch das Einstellen des Leitringes 14 in eine bestimmte Winkelposition kompensieren. Zu diesem Zwecke werden sämtliche Antriebe 15 bei einer Drehung der Stangen 16 in der gleichen Richtung automatisch oder von Hand eingeschaltet. Die Zahnräder 17 drehen den Zahnkranz 18 und gleichzeitig mit ihm den Leitring 14 um einen bestimmten Winkel um die Achse 6, wodurch die Antriebe 15 abgeschaltet werden.

Falls im Einlassabschnitt 3 eine verwirbelte Strömung auftritt, so werden die Antriebe 15 bei einem gleichzeitigen Längsvorschub der Stangen 16 nach links eingeschaltet.

Die Anschlagscheiben 19 wirken durch ihre Stirnflächen auf die Stirnflächen des Zahnkranzes 18 ein und verschieben ihn gemeinsam mit dem Leitring 14 so weit wie erforderlich längs der Achse 6, wodurch der Antrieb 15 ausgeschaltet wird.

In jeder fixierten Axiallage des Leitringes 14 wird eine Korrektion ihrer Winkellage durch Einschalten des Antriebs

15 bei einer Drehung der Stangen 16 vorgenommen.

Demnach ermöglicht die vorgeschlagene Konstruktion,

trotz der geringen Zahl der Einzelteile, und folglich der einfachen Herstellung, den Durchgangsquerschnitt des Einlassabschnitts 3 des Gehäuses in einem weiten Bereich zu regeln und damit Zirkulationszonen zu vermeiden.

Die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte Ausführung arbeitet wie folgt:

Im Nennbetrieb der Turbine befindet sich die Leitvorrichtung 20 in ihrer Ausgangsstellung. Die innere Seitenfläche der Leitvorrichtung 20 stellt im wesentlichen die Mantelfläche eines Kegelstumpfes dar, die sich in der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, das heisst nach links in Fig. 3, erweitert, wobei der gesamte Einlassabschnitt 3 des Gehäuses wie ein kegelförmiger Ringdiffusor arbeitet. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums verringert und dessen Druck erhöht.

Bei geringem Durchflussvolumen des Arbeitsmediums und bei einer Abweichung der Strömung von der Axialrichtung wird die Strömung im genannten Ringdiffusor abgelöst, und es entstehen asymmetrische Zirkulationszonen, wie das bereits oben beschrieben wurde. Von Hand beziehungsweise in anderen Fällen mit Hilfe eines automatischen Systems (in den Zeichnungen nicht dargestellt) werden die Antriebe 25 eingeschaltet, welche mittels der Stangen 28a den Ring 28 nach links (Fig. 3) verstellen. Das Endstück 26 jedes Elementes 21 der Leitvorrichtung 20 ist mit dem Ring 28 durch das Gelenk 28b mit zwei Beweglichkeitsgraden verbunden. Damit ist die Möglichkeit einer relativen Drehung um eine Achse und einer fortschreitenden Relativverstellung längs einer zweiten, senkrecht zur ersten stehenden Achse gegeben. Eine derartige Verbindung gewährleistet bei einer Längsver-stellung des Ringes 28 eine gleichzeitige Drehung der Elemente 21 um die Achsen der Gelenke 27 mit nur einem Beweglichkeitsgrad, die sie mit dem Stator 2 verbinden. Diese Drehung ändert den Neigungswinkel der Innenfläche der Leitvorrichtung 20 gegenüber der Achse 6, wobei diese Innenfläche aus einer sich erweiternden in eine in der Richtung der Hauptströmung des Arbeitsmediums sich verengende Innenfläche (wie in Fig. 3 durch die strichpunktiert gezeichnete Linie angegeben) verwandelt werden kann. Die gegenseitige Beweglichkeit der Elemente 21 ist dadurch gewährleistet,

dass die bei einem fächerartigen Zusammenschieben dank der zugespitzten Form ihrer rechten Enden 24, nach Fig. 4, die für eine Zusammenwirkung mit jedem Nachbarelement ohne Kontaktverlust geeignet sind, sich nacheinander teilweise überdecken.

Die beschriebene Formänderung der Innenfläche der Leitvorrichtung 20 bedeutet eine wesentliche Erweiterung des Regelbereichs des Durchgangsquerschnitts im Einlassabschnitt 3 des Gehäuses und folglich auch der Betriebarten, bei denen eine stabile Arbeit der Endstufe der Turbine erhalten bleibt. Die Neigung der Innenfläche der Leitvorrichtung 20 zur Achse 6 der Turbine bewirkt die Ablenkung der meridio-nalen Stromlinien zur Achse 6, wodurch ein Ablösen der Strömung in den Schaufeln 4 verhindert wird, was seinerseits zu einer entsprechenden Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Turbine führt.

Die Ausführung nach den Fig. 5 und 6 arbeitet wie folgt:

Beim Nennbetrieb und bei ähnlichen Betriebsarten sind die Elemente 30 und 30a im wesentlichen in Radialrichtung eingestellt, d.h., dass sie wie schwenkbare Leitschaufeln eines Austrittsleitapparates wirken und die Druckerhöhung im Arbeitsmedium verbessern.

Zum Aufrechterhalten einer stabilen Strömung im Einlassabschnitt 3 des Gehäuses werden bei veränderlichen Betriebsverhältnissen durch die Antriebe 33 die Achsen 31, und gemeinsam mit ihnen eine Reihe der Elemente 30 in eine Lage gedreht, die sich quer zu den Radialrichtungen befindet, wie dies in Fig. 6 gezeigt wird, d.h. bis die konkaven Oberflächen der Elemente 30 die zylindrische Innenfläche bilden. Falls die Axiallänge der Leitvorrichtung 29 unzureichend ist, so werden auch die Elemente 30a durch entsprechende Drehung der Achsen 31b durch die gleichen Antriebe verstellt.

Die beschriebene Ausführung des Austrittsgehäuses ermöglicht beste Betriebsbedingungen, wobei die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Turbinenendstufe sowie der gesamten Turbine erhöht wird.

Die beschriebene Ausführung lässt sich am zweckmässig-sten in Axialturbinen mit symmetrischem Austritt des Arbeitsmediums verwenden.

Es kommen Dampf- und Gasturbinen in Frage, die zum Antrieb von Elektrogeneratoren, Luftgebläsen, Schiffsschrauben u.a. bestimmt sind, und bei wechselndem Durchsatz des Arbeitsmediums und wechselnder Umlauffrequenz des Rotors arbeiten.

6

s

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55

£0

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

652170 PATENTANSPRÜCHE

1. Austrittsgehäuse (1) an einer Turbine, dessen Einlassabschnitt (3) eine im wesentlichen aus einem Leitring (8,14) oder aus entlang einer rotationssymmetrischen Hüllfläche angeordneten Leitelementen (21; 30,30a) bestehende Leitvorrichtung aufweist, deren Längsachse mit der Turbinenachse (6) zusammenfällt, wobei sich das Eintrittsende (9) der Leitvorrichtung im Bereich der Aussenenden (10) der Schaufeln (4) des Laufrades (5) der Turbine befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (8; 14; 21; 30,30a) zur Änderung des Strömungsquerschnittes des Einlassabschnittes (3) verstellbar ausgebildet ist.

2. Austrittsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitring (8) teleskopisch ineinandergeschobene Elemente (11,11a) aufweist, die an einen Antrieb (12) gekoppelt sind, welcher die Elemente (11,11a) längs der Turbinenachse (6) in bezug aufeinander verschiebt und welcher mit dem vom Laufrad (5) weitest entfernten Element (IIa) mechanisch gekoppelt ist (Fig. 1).

3. Austrittsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitring (14) zylindrisch ausgebildet und die Austrittskante des Leitringes (14) in einer schief zur Turbinenachse (6) stehenden Ebene verläuft, wobei zu dessen Verstellung in der axialen Richtung ein mit dem Leitring (14) verbundener Antrieb (15) vorhanden ist (Fig. 2).

4. Austrittsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (20) aus plattenförmigen Leitelementen (21) besteht, die auf einem Kreis einander teilweise überdeckend angeordnet und mit einem Antrieb (25) zur fächerartigen Spreizung derselben gekoppelt sind (Fig. 3).

5. Austrittsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (29) aus ersten und zweiten Leitelementen (30 und 30a) besteht, die jeweils an einem Kreisumfang verteilt hintereinander angeordnet und in radialer Richtung schwenkbar befestigt sind, wobei zur Schwenkung der Elemente ein Antrieb (33) vorhanden ist.