CH696080A5 - Axialdampfturbine mit Feuchtigkeitsfangraum zur Steigerung der Trocknungseffizienz. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft eine Axialdampfturbine im Allgemeinen und insbesondere eine Axialdampfturbine mit einem Feuchtigkeitsfangraum für eine höhere Effizienz bei der Dampftrocknung.

[0002] Dampfturbinen arbeiten häufig im Nassbereich, d.h. unter Druck- und Temperaturverhältnissen, welche die Kondensation von Dampf verursachen, sodass ein signifikanter Anteil der Massenbewegung in Form von flüssigem Wasser ist. Die Anwesenheit von flüssigem Wasser im Wasserdampfdurchfluss verursacht einen thermodynamischen Verlust im Zusammenhang mit den zu beschleunigenden Wassertröpfchen und der Dampfgeschwindigkeit.

   Zusätzlich zur niedrigeren Thermoeffizienz kann der Feuchtigkeitsgehalt zu einer erhöhten, wasserbedingten Erosion der nachfolgenden Turbinenschaufeln führen.

[0003] Feuchtigkeitsfangräume werden häufig verwendet zur Entfernung von Wasser aus dem Strömungsweg, indem die von den hinteren Kantenflächen der Turbinenschaufeln zentrifugierten Tröpfchen gesammelt werden. Eine neuere Methode der Trocknung besteht darin, Rinnen zum Sammeln des Wassers in die vorderen Ränder der Turbinenschaufeln (oder Turbinenblätter) anzubringen, und die Zentrifugalkraft des rotierenden Turbinenrotors zu verwenden, um das Wasser in stationäre Feuchtigkeitssammeleinrichtungen oder -fangräume zu schleudern. Die Sammeleffizienz solcher Feuchtigkeitsfangräume ist jedoch nicht sehr gut, d.h. sie liegt typischerweise bei 10 bis 20%.

   Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Konfigurationen bekannt zur Trocknung des feuchtigkeitsbeladenen Dampfes, der durch die Dampfturbine strömt. Einige dieser Konfigurationen umfassen verschiedene Kombinationen von Mehrfachschlitzen, Taschen, Dampfsperren, segmentierten Schaufelabdeckungen, Seitenwandkellen und dergleichen. Es besteht jedoch nach wie vor das Bedürfnis nach einer Trocknungseinrichtung, welche effizienter ist als die obengenannte 10-20%ige Effizienz.

[0004] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist daher eine Konfiguration und Anordnung für einen Feuchtigkeitsfangraum auf, um eine wesentliche Verbesserung der Trocknungseffizienz zu schaffen. Die Trocknungsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung ist einfach herzustellen und weist keine Komponenten auf, welche das Strömungsverhalten des Wasserdampfs beeinträchtigen.

   Die Erfindung schlägt daher vor, eine bereits existierende Anordnung derart zu modifizieren, dass die Erfordernisse an eine geringe Strömungsbehinderung und an eine einfache Herstellbarkeit erfüllt werden.

[0005] Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung eine Anordnung für einen Feuchtigkeitsfangraum vor mit einem Schlitz, durch welchen die Feuchtigkeit strömen kann, wobei ein wesentlicher Anteil des Schlitzes eine korrespondierende Schaufelabdeckung axial überlappt. Diese Überlappung erlaubt es, Wasser in den Feuchtigkeitsfangraum einzulassen, welches Wasser sich als Film über die äussere Seitenwand der Düse bewegt und in der Leckströmung über der Schaufelabdeckung mitgeführt wird.

   Durch das Weglassen eines aufstromseitigen Auffangrinnensegments eines konventionellen Feuchtigkeitsfangraums kann die gewünschte Überlappung geschaffen werden und können gleichzeitig die axialen Raumbegrenzungsbedingungen erfüllt werden.

[0006] Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>einen schematischen Schnitt in Axialrichtung durch einen Teil einer Turbine mit einem herkömmlichen Feuchtigkeitsfangraum;


  <tb>Fig. 2<sep>einen Schnitt in Axialrichtung durch einen Teil einer Turbine mit einem Feuchtigkeitsfangraum gemäss der vorliegenden Erfindung;


  <tb>Fig. 3<sep>eine Graphik der Trocknungseffizienz in Abhängigkeit der Turbinenradgeschwindigkeit, welche Graphik die erhöhte Effizienz der erfindungsgemässen Anordnung deutlich macht.

[0007] Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt in Axialrichtung einer herkömmlichen Konfiguration von Turbinenkomponenten. In dieser Anordnung enthalten sind eine Düsenreihe 10, eine äussere Seitenwand 12, eine Schaufelspitzen-Leckdichtung 14, eine Schaufelreihe 16 mit Schaufelabdeckungen 18, welche Schaufelreihe an einem Rad 20 angebracht ist, sowie ein Feuchtigkeitsfangraum 22. In dieser Ausführungsform weist der Feuchtigkeitsfangraum 22 einen Schlitz 24 zur Aufnahme von Feuchtigkeit auf, eine aufstromseitig angeordnete Fangrinne 26 und eine abstromseitig angeordnete Fangrinne 28.

   In dieser herkömmlichen Ausführungsform ist die hintere Kante 30 der Schaufel 16 radial mit der Mitte des Schlitzes 24 ausgerichtet. Dies bewirkt, dass an der Schaufelspitze der aufstromseitig liegende Teil des Schlitzes 24 die Schaufelabdeckung 18 axial nur gering überlappt. In dieser Ausführungsform ist der Feuchtigkeitsfangraum 22 derart angeordnet, dass er Wasser aus der Dampfströmung extrahiert, indem Wassertröpfchen eingefangen werden, welche von der hinteren Schaufelkantenfläche weggeschleudert werden; deshalb die Ausrichtung des Schlitzes 24 mit der hinteren Schaufelkante 30. Darüber hinaus fliesst Wasser als Film entlang der äusseren Seitenwand der Düse. Dieses Wasser kann in der Leckströmung oberhalb oder radial ausserhalb der Schaufelabdeckung 18 mitgeführt werden.

   Diese Feuchtigkeit wurde mit der herkömmlichen Anordnung eines Feuchtigkeitsfangraumes 22 gemäss Fig. 1 nicht effektiv entfernt.

[0008] Die vorliegende Erfindung besteht in einer Weiterentwicklung der Feuchtigkeitsfangeinrichtung gemäss Fig. 1, welche Weiterentwicklung eine signifikante Überlappung des Fangraumschlitzes mit der Schaufelabdeckung vorsieht. Insbesondere, und gemäss Fig. 2, sieht die Erfindung eine Konfiguration vor, in welcher ein signifikanter Anteil des Feuchtigkeitsfangschlitzes 124 die Schaufelabdeckung 118 axial überlappt. In der dargestellten Ausführungsform ist die abstromseitige Fläche 134 des Schlitzes 124 in einer Art angeordnet, welche im Allgemeinen mit der Anordnung der abstromseitigen Fläche 34 des Schlitzes 24 in Fig. 1 (Stand der Technik) übereinstimmt.

   In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch der aufstromseitige Teil des Schlitzes 124, und insbesondere dessen Fläche 132 von der abstromseitigen Fläche 134 weiter beabstandet als in der herkömmlichen Ausführungsform gemäss Fig. 1. Insbesondere ist in der dargestellten Ausführungsform die axiale Ausdehnung des Schlitzes 124 um mindestens etwa 30% und bis etwa 100% erweitert im Vergleich zur herkömmlichen axialen Ausdehnung des Schlitzes, welche Ausdehnung definiert wird durch die Distanz zwischen den Flächen 32 und 34, sodass sich erfindungsgemäss eine wesentliche Überlappung des Schlitzes 124 mit der Schaufelabdeckung 118 ergibt.

[0009] In der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist, um den Schlitz 124 und die Überlappung mit der Schaufelabdeckung 118 zu vergrössern, die gemäss Fig.

   1 aufstromseitig angeordnete Fangrinne 26 des Feuchtigkeitsfangraumes 22 entfernt, so dass die aufstromseitige Wand 132, 144 des Feuchtigkeitsfangraumes 122, wie in Fig. 2 dargestellt, in einer im Wesentlichen radialen Ebene liegt. In der Ausführungsform gemäss Fig. 2 überlappt der Schlitz 124 die Schaufelabdeckung 118 (auch Schaufelspitze genannt) um mindestens ca. 25% bis ca. 75% der Schaufelabdeckung in axialer Richtung, und vorzugsweise um ca. 50% Schaufelabdeckung in axialer Richtung. Ferner wird in der bevorzugten Ausführungsform gemäss Fig. 2 mindestens ca. 50% des Schlitzes 124 in axialer Richtung durch die Schaufelabdeckung 118 überlappt.

   Aus der dargestellten Ausführungsform wird ersichtlich, dass die Schlitzwände 132, 134 grundsätzlich in radialen Ebenen liegen, welche Ebenen quer zur axialen Strömungsrichtung A des Arbeitsfluids im Strömungsweg liegen, und welcher Strömungsweg durch die äussere Seitenwand 112 definiert wird.

   Damit ist in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die axiale Ausdehnung des Schlitzes 124 im Wesentlichen konstant, zwischen einem radial innenliegenden, eintrittsseitigen Ende 136 des Schlitzes 124 und einem radial aussenliegenden, rinnenrandseitigen Ende 138 des Schlitzes 124.

[0010] In der dargestellten Ausführungsform weist die Kammer 140 des Feuchtigkeitsfangraums 122 eine radial aussenliegende Wand 142 auf, weist eine axial aufstromseitig liegende Wand 144 auf, welche im Allgemeinen quer zur radial aussenliegenden Wand 142 verläuft, und weist eine axial abstromseitig liegende Wand 146 auf, welche im Allgemeinen quer zur radial aussenseitigen Wand 142 verläuft und sich mindestens über einen Teilumfang der Schaufelreihe ausdehnt.

   Wie bereits erwähnt, ist das aufstromseitig angeordnete Rinnensegment der herkömmlichen Anordnung nötigenfalls entfernt, um axialen Raumerfordernissen Rechnung zu tragen. Daher grenzt in der dargestellten Ausführungsform die aufstromseitig liegende Wand 132 des Schlitzes 124 im Wesentlichen an eine axial liegende aufstromseitige Wand 144 der Kammer 140 des Feuchtigkeitsfangraums 122 und liegt in der gleichen Ebene mit derselben. Andernfalls wird eine Verbreiterung des Schlitzes 124 in axialer aufstromseitiger Richtung vorgesehen, um für das Wasser, welches als Film entlang der äusseren Seitenwand fliesst und welches im Leckstrom oberhalb der Schaufelabdeckung 118 mitgeführt wird, Zugang zum Feuchtigkeitsfangraum 122 zu ermöglichen, um dadurch die Effizienz der Dampftrocknung steigern zu können.

   In der dargestellten Ausführungsform weist der Feuchtigkeitsfangraum 122 eine abstromseitig liegende Auffangrinne 128 auf, welche Auffangrinne zwischen der abstromseitig liegenden Wand 134 des Schlitzes 124 und einer axial abstromseitig liegenden Wand 146 der Kammer 140 des Feuchtigkeitsfangraumes 122 angeordnet ist.

[0011] Es wurden Versuche durchgeführt, um die Trockungseffizienz (MRE) der Standardkonfiguration gemäss Fig. 1 und derjenigen der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform gemäss Fig. 2 zu vergleichen. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Tests 1 und 1A wurden mit der Standardanordnung gemäss Fig. 1 durchgeführt. Tests 2B und 2C wurden alle mit der Anordnung gemäss Fig. 2 durchgeführt. Wie dargestellt, lag die Zunahme der Trocknungseffizienz (MRE) mit der bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 40%.

   Dies bestätigt die Annahme, dass das als Film entlang der Düsenaussenwand fliessende Wasser im Leckstrom oberhalb der Schaufelabdeckung mitgerissen wird und die Trocknungseffizienz der herkömmlichen Anordnungen beschränkt, und dass ein Fangraum mit einem Schlitz, welcher eine wesentliche axiale Überlappung mit der Schaufelabdeckung aufweist, die Trocknungseffizienz verbessert, indem für das ansonsten mitgeführte Wasser Zugang zum Feuchtigkeitsfangraum geschaffen wird.

Claims (7)

1. Axialdampfturbine umfassend: einen Rotor; eine radial angeordnete und vom Rotor getragene Schaufel (116) mit einer vorderen Schaufelkante, einer hinteren Schaufelkante sowie einer radial aussenliegenden Schaufelabdeckung (118); eine äussere Seitenwand (112), welche radial ausserhalb der Schaufel (116) und im Allgemeinen koaxial zum Rotor angeordnet ist und damit einen Strömungsweg für das Arbeitsmedium definiert;

sowie einen in der äusseren Seitenwand (112) angeordneten Feuchtigkeitsfangraum (122), welcher eine Kammer (140) zur Aufnahme von Feuchtigkeit umfasst und einen Schlitz (124) zum Verbinden der Kammer (140) mit dem Strömungsweg aufweist, durch welchen Schlitz die Feuchtigkeit radial aus dem Strömungsweg in diese Kammer (140) des Feuchtigkeitsfangraums (122) strömen kann, wobei dieser Schlitz eine axial aufstromseitig liegende Wand (132) und eine axial abstromseitig liegende Wand (134) aufweist, welche axial abstromseitig liegende Wand (134) in den axial und stromabwärts der hinteren Kante der Schaufel (116) liegenden Strömungsweg mündet, und die axial aufstromseitig liegende Wand (132) des Schlitzes (124) radial ausserhalb der Schaufel (116) in den Strömungsweg mündet, wobei der Schlitz (124) die äussere Schaufelabdeckung (118) der Schaufel (116)

wesentlich überlappt.

2. Axialdampfturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abstromseitige Wand (134) des Schlitzes (124) in einer grundsätzlich radialen Ebene quer zur Achse des Rotors liegt.

3. Axialdampfturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufstromseitige Wand (132) des Schlitzes (124) in einer grundsätzlich radialen Ebene quer zur Achse des Rotors liegt.

4. Axialdampfturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsfangraum (122) eine abstromabseitig angeordnete Auffangrinne (128) aufweist, welche zwischen der abstromseitigen Wand (134) des Schlitzes (124) und einer abstromseitigen, axial angeordneten Wand (146) der Kammer (140) gebildet wird.

5. Axialdampfturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufstromseitige Wand (132) des Schlitzes (124) im Wesentlichen an eine axial liegende, aufstromseitige Wand (144) der Kammer (140) des Feuchtigkeitsfangraumes (122) angrenzt und in der gleichen Ebene mit derselben liegt.

6. Axialdampfturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (124) die aussenliegende Schaufelabdeckung (118) der Schaufel (116) um mindestens 25% der Erstreckung der Schaufelabdeckung in axialer Richtung überragt.

7. Axialdampfturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (140) des Feuchtigkeitsfangraums (122) eine radial aussenliegende Wand (142) aufweist, eine axial aufstromseitig liegende Wand (144) aufweist, welche im Wesentlichen quer zur radial aussenliegenden Wand (142) liegt, sowie eine axial abstromseitig liegende Wand (146), welche im Wesentlichen quer zur radial aussenseitig liegenden Wand liegt und sich mindestens über einen Teilumfang eine Reihe von Schaufeln (116) ausdehnt.