CH654625A5

CH654625A5 - Einlassgehaeuse einer dampfturbine.

Info

Publication number: CH654625A5
Application number: CH764381A
Authority: CH
Inventors: Arnulf Teufelberger; Romuald Puzyrewski
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1981-11-30
Filing date: 1981-11-30
Publication date: 1986-02-28
Also published as: DE3242713C2; DE3242713A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Einlassgehäuse einer einflutigen, axial durchströmten Hochdruckdampfturbine, deren erste Stufe aus zwei voneinander getrennten konzentrischen Ringöffnungen angeströmt ist und wobei jede Ringöffnung mit einer eigenen Zuströmleitung verbunden ist.

Die Leistungsregelung von Dampfturbinen geschieht heute entweder über Anpassung oder Drosselung der Frischdampfdrücke, bekannt als Gleitdruckregelung bzw. Drosselregelung, oder durch Teilbeaufschlagung einer speziell dafür konstruierten Gleichdruckstufe über einzelne abschaltbare und regelbare Sektoren eines Düsenkranzes. Diese als Düsen-gruppenregulierung bekannte Regelungsart zeigt sich zumeist der reinen Drosselregulierung überlegen, führt aber bei Reduktion der Last und damit der Beaufschlagung zu einer Zunahme der unter der Bezeichnung «Teilbeaufschlagungsverluste» bekannten Verlustanteile. Bei nicht vollständiger Durchmischung der Strömung in der anschliessenden Radkammer kann es ebenfalls zu einer Teilbeaufschlagung der nachfolgenden Reaktionsbeschaufelung und damit zu zusätzlichen, grossen Strömungsverlusten kommen.

Eintrittsgehäuse der eingangs genannten Art sind aus der französischen Patentanmeldung Nr. 76 14597 bekannt. Aus zwei axial gerichteten konzentrischen Ringkanälen, welche einen Düsenkasten bilden, strömt der Dampf in ein Aktionsrad. Die Düsen sind innerhalb der Ringkanäle angeordnet. Es handelt sich dabei um eine klassische Gleich-druck-Regelstufe. Die Ringkanäle werden getrennt angespeist. Einer der beiden Ringkanäle hat zwei Zuströmleitungen, die zu je einem halben Ringumfang führen. Der zweite Ringkanal weist vier Zuströmleitungen für seine vier Segmente auf. Die Turbinenleistung wird vom Leerlauf auf Nennlast gesteigert, indem zunächst ein Ringkanal über den ganzen Umfang angespeist wird und dann nacheinander die verschiedenen Sektoren des zweiten Ringkanals geöffnet werden. Mit dieser Anordnung sollen bei Teilbeaufschlagung keine Schwingungsprobleme an der ersten Laufreihe auftreten. Weiterer einschlägiger Stand der Technik ergibt sich aus folgender Patentliteratur: DE-C-895 293, FR-A-1 333 843, FR-A-2351249, GB-A-16249 und GB-A-569 579.

Der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 definierten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Einlassgehäuse so auszubilden, dass über dem ganzen Lastbereich bessere Wirkungsgrade als mit reiner Düsengruppenregulierung resultieren.

Durch die über 360° Umfang erfolgende Beaufschlagung mit je nach Last unterschiedlichen Massenströmen kann auf die bei Teillast verlustreiche Regelstufe, bestehend aus Düsenkasten und Gleichdruckrad, verzichtet werden. Besondere Vorteile konstruktiver Art sind darin zu sehen, dass derartige Spiralkanäle eine kurze axiale Baulänge aufweisen und dass lediglich zwei mit Abschluss- und Regelorganen versehene Zudampfleitungen benötigt werden. Ausserdem bietet sich die Möglichkeit, den bei einflutigen Turbinenteilen erforderlichen Ausgleichskolben im freien Raum innerhalb der Spiralen anzuordnen.

Werden die Querschnitte der Spiralkanäle für unterschiedlichen Massendurchfluss dimensioniert, so können neben der Vollast mindestens zwei Teillastpunkte ungedrosselt und somit verlustarm gefahren werden.

Werden die Spiralquerschnitte drallerzeugend ausgelegt, so kann auf ein Umlenkgitter vor der ersten Laufreihe der Turbinenbeschaufelung verzichtet werden.

Höhere Dampfgeschwindigkeiten als üblich sind in den Zuströmrohren zulässig, da für die Drallerzeugung kinetische Energie voll verwertbar ist. Hierdurch können die Zuströmleitungen mit kleinen Querschnitten und somit billiger ausgeführt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht des Einlassgehäuses mit Abströmrichtung senkrecht in die Zeichenebene hinein;

Fig. 2 einen Teilschnitt in Richtung der Turbinenlängsachse nach Linie A-A in Fig. 1 ;

Fig. 3 Spiralenquerschnitte des Einlassgehäuses.

Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, hier Hochdruckdampf, ist mit Pfeilen bezeichnet. Die Figuren 1 und 2 erheben keinerlei Anspruch auf Genauigkeit und sind lediglich der besseren Verständlichkeit wegen auf die notwendigsten Konturen beschränkt.

Das Einlassgehäuse besteht aus zwei Spiralen 1,2, denen der Dampf über die Rohrbögen 8 resp. 9 zuströmt. Nicht gezeigt sind die in den Rohrbögen 8 und 9 angeordneten

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Abschluss- und Regelorgane. Austrittsseitig münden die Spiralen in je eine Ringöffnung 1 ' resp. 2 '. Diese Ringöffnungen sind konzentrisch zueinander angeordnet und erstrecken sich über 360° Umfang. Die Strömungsbegrenzung beider Ringöffnungen 1 ', 2' gegeneinander erfolgt über eine axial in den Turbinenströmungskanal auslaufende, gemeinsame Trennwand 16. Es erfolgt somit aus beiden Spiralen eine in der Projektion axiale Dampfeinströmung in die Turbine. Von der Teilweise und sehr schematisch skizzierten Turbine, bei der es sich um den einflutigen Hochdruckteil handelt, sind nur der Rotor 10 mit Stopfbüchsenpartie 11, der Schaufelträger 12 und drei Schaufelreihen 13,14 und 15 dargestellt. Zwischen dem Austritt der Spiralen 1,2- der durch die Hinterkante der Trennwand 16 gegeben ist - und der ersten Schaufelreihe 13 ist ein diffusorartiger Ringraum 5 angeordnet, dessen Funktion weiter hinten beschrieben ist.

Zwischen den Eintrittsquerschnitten 1", 2" und den Rohrbögen 8,9 sind Reduktionsstücke 6,7 vorgesehen. In ihnen wird das Arbeitsmittel vom beispielsweise 60 m/sec auf die am Turbineneintritt erforderliche Geschwindigkeit von beispielsweise 120 m/sec beschleunigt. Die Drallerzeugung erfolgt in den hierzu entsprechend gestalteten Spiralen. Es versteht sich, dass in den Rohrbögen 8 und 9 auch höhere Geschwindigkeiten als die genannten 60 m/sec zulässig sind. Dies gilt insbesondere deswegen, weil die kinetische Energie für die Drallerzeugung voll nützbar ist. Letztlich handelt es sich um ein Optimierungsproblem, bei welchem die durch erhöhte Geschwindigkeit bedingten höheren Reibungsverluste einer Materialeinsparung aufgrund geringerer Querschnitte entgegenzustellen sind.

Die beiden Spiralen 1,2 sind wie ihre Ringöffnungen 1 ', 2' konzentrisch angeordnet und verlaufen umfangmässig ebenfalls über 360°. Ihre Eintrittsquerschnitte 1 ", 2" sind um 180° gegeneinander versetzt, und zwar derart, dass die Spiralen 1, 2 im gleichen Drehsinn durchströmt sind. Diese Querschnitte 1 ", 2" befinden sich in der Horizontalachse 3 der Turbine, also in der Ebene, in der üblicherweise die Trennflächen der Maschine verlaufen.

Als Grundform für die zu wählenden Spiralenquerschnitte wird die in Fig. 3 gezeigte Form gewählt, die anhand der Spirale 2 bei 90° Umfang erläutert wird. Der Querschnitt setzt sich zusammen aus einer Kreisfläche mit dem Radius r und einem sich an den Kreis strömungskonform anschliessenden Kanal mit der Höhe h. Die Wandungen dieses Kanals verlaufen parallel zur Maschinenlängsachse und bilden die Ring Öffnungen, welche sich mit gleicher Höhe über 360° Umfang erstrecken. Über den Umfang ändert sich somit nur der Radius r, was zur spiralförmigen Aussenkontur und zur zylindrischen Innenkontur des Einlassgehäuses führt. Da der Kreisdurchmesser 2r immer grösser als die Kanalhöhe h ist, erfolgt der Übergang von Kanal zum Kreis über einen Kreisbogen mit demselben Radius r. Der Gesamtquerschnitt ist somit eine Funktion von e/h und h/r. Durch das beim Durchströmen der Spirale über die Ringöffnungen ständig abströmende Arbeitsmittel verringert sich der Kreisquerschnitt zunehmend. Für die somit vorgegebenen Querschnittsflächen über dem Umfang ist bei gleichbleibender Kanalhöhe und veränderlichem Abstand e zwischen Mündung der Ringöffnung und Kreismittelpunkt der erforderliche Radius r leicht zu bestimmen.

Die zwei konzentrisch angeordneten Spiralen 1,2 gemäss Fig. 3 können als mögliches Ausführungsbeispiel für das Eintrittsgehäuse angesehen werden. Die Spiralquerschnitte sind für ungleichen Durchfluss ausgelegt, was die unterschiedlichen Eintrittsquerschnitte 1 ", 2" und die unterschiedlichen Höhen des Kanals resp. der Ringöffnungen 1 ', 2' erklärt.

Entsprechend der Winkelangaben in Fig. 1 nimmt der Querschnitt des Spiralkanals 1 vom Spiraleintritt 1 " bei 0°

ausgehend zunehmend ab. Gleiches gilt für den Spiralkanal 2, dessen Eintritt 2" um einen halben Umfang versetzt ist und dessen Querschnitt sich somit im Drehsinn von 180° über 270°, 0° und 90° zunehmend verringert. Hierbei gilt zu s beachten, dass beispielsweise bei 180° die Trennwand 16 über weite Teile eine gemeinsame Wandung für beide Spiralkanäle 1,2 bildet. Diesbezüglich spielt das variable Mass e eine massgebliche Rolle.

Es versteht sich, dass die gezeigte Querschnittsform nicht io die einzig mögliche ist. Bei der Wahl sind neben strömungstechnischen Gesichtspunkten auch konstruktive und herstellungstechnische Aspekte zu berücksichtigen. Man wird bestrebt sein, kompakte Spiralformen anzuwenden, die eine möglichst homogene Abströmung aus den Ringöffnungen 15 gewährleisten.

Bezüglich dieser homogenen Abströmung wurde bereits weiter oben ausgeführt, dass die Drallerzeugung in der Spirale selbst erfolgt. Durch die Abnahme des Radius in Strömungsrichtung wird dem Arbeitsmittel in der Spirale auf-20 grand des «Gesetzes über die Erhaltung des Dralls» eine zusätzliche Beschleunigung aufgezwungen. Unter Berücksichtigung dieser Beschleunigung sind die Spiralenquerschnitte in jedem Punkt für eine mittlere Geschwindigkeit von beispielsweise 120 m/sec auszulegen. Man erzielt dann 25 an den entsprechend dimensionierten Ringöffnungen Abströmgeschwindigkeiten mit einer mittleren Axialkomponente von 40 m/sec und einer Tangentialkomponente von 130 m/sec. Bei einer Umfanggeschwindigkeit von ebenfalls 130 m/sec am massgeblichen Rotordurchmesser ergibt dies so eine ideale Anströmung der ersten Laufreihe 13.

Hiermit ist bereits einer der Hauptvorteile der Spiralanwendung erkennbar, d.h. auf die bisherige Regelstufe und die umlenkende erste Leitreihe kann verzichtet werden.

Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass die sonst in der 35 Düse der Regelstufe vorgenommene Beschleunigung hauptsächlich im Reduktionsstück stromaufwärts der Spirale erfolgt und zum geringen Teil in letzterer selbst erfolgt. Der mit dieser Beschleunigung verbundene Abbau des Stufengefälles entspricht dem Gefälleanteil, der in der nunmehr fort-4o gelassenen Leitreihe zu verarbeiten wäre.

Andererseits gilt es zu berücksichtigen, dass die vom Arbeitsmedium als erste beaufschlagte Laufreihe jene einer normalen Reaktionsstufe ist, die vorzugsweise das gleiche Gefälle verarbeitet wie die nachfolgenden Reaktionsstufen ■45 (von der in Fig. 2 nur eine Stufe mit Leitreihe 14 und Laufreihe 15 gezeigt ist). Bei Wegfall der Regelstufe und bei vorgegebenem Gesamtgefälle über den Hochdruckteil der Turbine ist das Druckniveau beim Eintritt in die Reaktionsbeschaufelung so hoch, dass zu dessen Abbau neben der genannten so ersten Laufreihe 13 eine zusätzliche Reaktionsstufe mit üblichem Gefälle vorgesehen werden muss. Dies ist dadurch bedingt, dass in einer Reaktionsstufe üblicherweise nur etwa halb so viel Gefälle umgesetzt wird als in einer für Regelzwecke angeordneten Aktionsstufe.

55 Bei der bisherigen Beispielsbeschreibung wurde angenommen, dass die beiden Spiralen voll beaufschlagt sind. Zusätzlich zu dem konstruktiv bereits günstigen Fortfall von Düsenkranz und Aktionsrad ergibt sich durch diese Massnahme auch schon bei dieser Vollbeaufschlagung ein Wir-60 kungsgradvorteil. Dies, weil nunmehr ein grösserer Teil des Gesamtgefälles in den einen besseren Wirkungsgrad aufweisenden Reaktionsstufen verarbeitet wird.

Ganz besonders eignet sich die als «Drallmomentenrege-lung» zu bezeichnende Spirallösung indes im Teillastgebiet, 65 wo sie ganz erhebliche Vorteile gegenüber der klassischen Düsengruppenregelung aufweist. Dies, weil die Zuströmung zur ersten Schaufelreihe bei jeder gefahrenen Last immer über 360° Umfang erfolgt.

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Als besonders günstig zeigt sich hier die Anordnung von zwei für unterschiedlichen Massendurchfluss ausgelegten Spiralen. Im in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel - bei dem die «grosse»' Spirale 1 die rotornahen Schaufelpartien beaufschlagt, d.h. Laufschaufelfuss und Leitschaufelspitze, die «kleine» Spirale 2 hingegen die den Schaufelträger 12 nächstliegenden Schaufelpartien, d.h. Leitschaufelfuss und Laufschaufelspitze - strömen bei Vollbeaufschlagung 70% des Arbeitsmittels aus der Ringöffnung 1 ' und 30% aus der Ringöffnung 2'. Damit können mit der Maschine folgende Lasten gefahren werden:

- Vollast mit offenen Spiralen 1,2 und offenen Stellventilen (nicht gezeigt) in den Rohrbögen 8,9 (Fig. 1)

- 70% Teillast mit offener Spirale 1 und geschlossener Spirale 2

- 30% Teillast mit offener Spirale 2 und geschlossener Spirale 1

- beliebige Teillasten durch Öffnen einer oder beider Spiralen und durch Drosseln eines der beiden nicht gezeigten Ventile.

Die sorgfältige Auslegung des Spiralenquerschnitts zwecks Drallerzeugung und homogener Abströmung in Umfangs-richtung garantiert auch in Teillastpunkten der Turbine einen gleichen Anströmwinkel zur ersten Laufreihe 13 wie bei Vollast. Die je nach Teillast unterschiedlichen Abströmgeschwindigkeiten aus den Spiralen ermöglichen eine Lastregulierung wie bei der Düsengruppenregelung.

Im Gegensatz zu dieser klassischen Düsengruppenregulie-rung, bei der die Teilbeaufschlagung in Umfangsrichtung erfolgt, wird im vorliegenden Fall eine Teilbeaufschlagung in s radialer Richtung durchgeführt. Hierdurch wird eine stets volle Beaufschlagung in Umfangsrichtung bewirkt, welche eine ebenfalls gleichmässige Temperaturverteilung über dem Umfang zur Folge hat. Die sonst bei Teilbeaufschlagung bekannte, verlustintensive intermittierende Füllung und io Entleerung der Schaufelkanäle entfällt somit, so dass die Verlustzunahme bei abnehmender Last kleiner ist als bei der Düsengruppenregulierung. Ausserdem ist die dynamische Beanspruchung der ersten Laufschaufelreihe günstiger.

Ein zusätzlicher, jedoch bedeutend geringerer Verlust ent-15 steht bei Teillast lediglich an der Trennfront der aus den Ringöffnungen 1 ' und 2' mit unterschiedlicher Geschwindigkeit austretenden Massenströme. Es handelt sich hierbei um Rei-bungs- und Mischverluste an den Strahlgrenzen.

Ist eine der Spiralen ganz abgeschaltet, so ist dennoch der 20 Ventilationsverlust im nicht beaufschlagten Teil der Beschaufelung vernachlässigbar. Diesen entweder nicht oder anders beaufschlagten Schaufelanteil so gering wie möglich zu halten, bezweckt die Anordnung der bereits erwähnten Kammer 5. Ihre axiale Erstreckung ist gleich oder vorzugs-25 weise grösser als die Höhe des Schaufelkanals, was den Ausgleich der Strömung in radialer Richtung fördert. Wird diese Kammer 5 als Ringdiffusor ausgebildet, so ist eine weitere Verringerung der genannten Verluste möglich.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

654625 PATENTANSPRÜCHE

1. Einlassgehäuse einer einflutigen, axial durchströmten Hochdruckdampfturbine, deren erste Stufe aus zwei voneinander getrennten, konzentrischen Ringöffnungen angeströmt ist und wobei jede Ringöffnung mit einer eigenen Zuströmleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuströmleitungen zwei konzentrisch angeordnete, getrennt abschaltbare oder drosselbare Spiralkanäle (1,2) sind, die austrittsseitig mit den sich über 360° erstreckenden Ringöffnungen (1 ', 2') versehen sind.

2. Einlassgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Spiralkanäle (1,2) für unterschiedlichen Massendurchfluss dimensioniert sind und die konzentrischen Ringöffnungen (1', 2') entsprechend unterschiedliche Höhen aufweisen.

3. Einlassgehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für den grösseren Durchfluss bemessene Spiralkanal (1) und seine Ringöffnung (1 ') in radialer Richtung rotorseitig angeordnet ist.

4. Einlassgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralkanäle (1,2) sich über 360° Umfang erstrecken und mit um 180° versetzten Eintrittsquerschnitten (1 ", 2") versehen sind.

5. Einlassgehäuse nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsquerschnitte (1 ", 2") der Spiralkanäle (1,2) in der Turbinen-Horizontalachse (3) angeordnet sind.

6. Einlassgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralquerschnitt beider Spiralkanäle (1,2) über den ganzen Umfang drallerzeugend ausgebildet ist, derart, dass das aus den Ringöffnungen (1 ', 2') abströmende Arbeitsmittel unabhängig von der gefahrenen Last eine Tan-gentialkomponente aufweist.

7. Einlassgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Ringöffnungen (1 ', 2') beaufschlagte erste Beschaufelungsreihe eine Laufschaufelreihe (13) ist.

8. Einlassgehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ringöffnungen (1 ', 2') und der ersten Laufschaufelreihe (13) ein Ringkanal (5) vorgesehen ist, dessen axiale Erstreckung gleich oder grösser bemessen ist als seine Kanalhöhe.

9. Einlassgehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (5) ein Diffusor ist.

10. Einlassgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralkanäle (1,2) eintrittsseitig über Reduktionsstücke (6,7) mit zuströmseitigen Rohrbögen (8,9) verbunden sind.