DE10133679A1

DE10133679A1 - Entfeuchtungstasche für verbesserte Entfeuchtungseffizienz

Info

Publication number: DE10133679A1
Application number: DE10133679A
Authority: DE
Inventors: Douglas Carl Hofer; Nicholas Joseph Mollo; Alan Donn Maddaus
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2002-03-07
Also published as: CH696080A5; JP2002097902A; US6375417B1

Abstract

Es ist ein verbesserter Entfeuchtungstaschenaufbau beschrieben, der eine axiale Erweiterung des Entfeuchtungsschlitzes über der Schaufelabdeckung aufweist. Bei der Tasche kann das stromaufwärtige Rinnensegment weggelassen werden, um die gewünschte Schlitzerweiterung zu erzielen. Der abgewandelte Entfeuchtungstaschenaufbau der Erfindung verbessert den Entfeuchtungswirkungsgrad durch Vorsehen eines Zugangs für Wasser zu der Tasche, das sich als ein Film entlang der äußeren Seitenwand der Düse bewegt und in den Auslaufstrahl oberhalb der Schaufelabdeckung mitgerissen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Dampfturbinen und insbesondere eine verbesserte Entfeuchtungstasche zum Schaffen einer verbesserten Entfeuchtungseffizienz.

Dampfturbinen werden häufig in feuchten Gebieten eingesetzt, das heißt bei Drücken und Temperaturen, die verursachen, dass Dampf kondensiert, so dass ein bedeutender Anteil des Massenstroms in der Form von flüssigem Wasser vorliegt. Die Anwesenheit von flüssigem Wasser in der Dampfströmung erhöht den thermodynamischen Verlust, der mit der Beschleunigung von Wassertropfen auf die Dampfgeschwindigkeit verknüpft ist. Zusätzlich zu dem verringerten thermischen Wirkungsgrad kann der Feuchtegehalt zu einer gesteigerten Wasserschlagerosion der Taschen der späteren Stufen führen.

Entfeuchtungstaschen werden herkömmlich verwendet, um Wasser aus der Strömungsbahn durch Sammeln von Tropfen zu extrahieren, die von den nacheilenden Taschenrandflächen zentrifugiert werden. Ein neuerer Versuch zum Entfernen dieser Feuchtigkeit liegt darin, die führenden Ränder der Taschen (oder Klingen) zu vertiefen, um das Wasser zu fangen und die Zentrifugalkraft, die durch den drehenden Turbinenrotor erzeugt wird, zu verwenden, um das Wasser aus den stationären Feuchtigkeitssammelvorrichtungen oder -taschen zu treiben. Die Sammeleffizienz derartiger Entfeuchtungstaschen ist jedoch sehr gering; typischerweise liegt sie im Bereich von 10 bis 20%. Der Stand der Technik weist eine große Anzahl von Konfigurationen auf, die daran angepasst sind, Feuchtigkeit aus dem feuchtigkeitsbeladenen Treibdampfdurchgang der Dampfturbine zu entfernen. Eine Anzahl dieser Konfigurationen hat verschiedene Kombinationen von mehrfachen Schlitzen, Taschen, Ablenkscheiben, segmentierten Schaufelabdeckungen, Seitenwandstutzen und dergleichen aufgenommen. Jedoch verbleibt ein Bedarf nach einer Entfeuchtungsvorrichtung, die eine höhere Effizienz als die vorstehend genannte Effizienz von 10 bis 20% vorsieht.

Ein Entfeuchtungstaschenaufbau und dessen Lage ist als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgeschlagen, um eine bedeutende Verbesserung der Entfeuchtungseffizienz vorzusehen. Die Entfeuchtungsvorrichtung der Erfindung ist einfach herzustellen und beinhaltet keine Bauteile, die die Strömung der Dampfphase stören würden. Wie nachstehend beschrieben ist, schlägt die Erfindung vor, eine existierende Auslegung auf eine Weise zu modifizieren, welche die Erfordernisse der geringen Störung und der Herstellbarkeit erfüllt.

Insbesondere ist die Erfindung ausgeführt, dass eine Entfeuchtungstasche mit einem Schlitz für die Strömung der Feuchtigkeit dort hinein versehen ist, wobei ein wesentlicher Abschnitt des Schlitzes axial eine jeweilige Schaufelabdeckung überlappt. Die wesentliche Überlappung schafft einen Zugriff zu der Tasche für Wasser, das sich als ein Film entlang der äußeren Seitenwand der Düse bewegt und wird in den Leckagestrahl oberhalb der Schaufelabdeckung mitgerissen. Die wesentliche Überlappung kann durch Weglassen eines stromaufwärtigen Rinnenelements der herkömmlichen Entfeuchtungstasche vorgesehen werden, so dass die Überlappung erzielt werden kann, während axiale Raumeinschränkungen erfüllt werden.

Diese Aufgabe und andere Ziele sowie Vorteile dieser Erfindung werden durch das sorgfältige Studium der folgenden genaueren Beschreibung der derzeitig bevorzugten beispielhaften Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinzunahme der beigefügten Zeichnungen vollständiger verständlich.

Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt eines Abschnitts einer Turbine, der eine herkömmliche Entfeuchtungstasche zeigt;

Fig. 2 ist ein Axialschnitt eines Abschnitts einer Turbine, der eine verbesserte Entfeuchtungstasche als das Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist eine Graphik für den Entfeuchtungswirkungsgrad gegen die Raddrehzahl, die einen verbesserten Wirkungsgrad mit dem Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt.

Die Erfindung wird nachstehend genauer unter Bezugnahme auf den Standardaufbau und eine beispielhafte Abwandlung davon als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Ein Standardaufbau von Turbinenstufenbauteilen ist in dem schematischen Axialquerschnitt in Fig. 1 gezeigt. Wie dargestellt ist, weist die Stufe eine Düsenreihe 10, eine Außenseitenwand 12, eine Schaufelspitzenauslaufdichtung 14, eine Schaufelreihe 16 mit Schaufelabdeckungen 18, die an einem Rad 20 montiert sind, und eine Entfeuchtungstasche 22 auf. Bei diesem Beispiel hat die Entfeuchtungstasche 22 einen Schlitz 24 für den Durchgang der Feuchtigkeit dort hinein, eine stromaufwärtige Rinne 26 und eine stromabwärtige Rinne 28. Bei diesem Standardaufbau ist der nacheilende Rand 30 der Schaufel 16 im Allgemeinen radial mit einer Mittellinie des Schlitzes 24 ausgerichtet. Als Ergebnis gibt es an der Schaufelspitze eine sehr kleine axiale Überlappung des stromaufwärtigen Abschnitts des Schlitzes und der Schaufelabdeckung 18. Bei dieser Baugruppe ist die Entfeuchtungstasche 22 angeordnet, um Wasser aus dem Dampfstrom durch Sammeln von Tropfen herauszuziehen, die von den nacheilenden Randflächen der Schaufel zentrifugiert werden, wobei daher die Ausrichtung des Schlitzes 24 mit dem nacheilenden Rand 30 der Schaufel vorgesehen ist. Jedoch bewegt sich Wasser ebenso als Film entlang der Außenseitenwand der Düse. Dieses Wasser kann in den Leckagestrom oberhalb oder radial außerhalb der Schaufelabdeckung 18 mitgerissen werden. Diese Feuchtigkeit wurde daher nicht wirksam mit der herkömmlichen Entfeuchtungstasche 22 entfernt, die in Fig. 1 gezeigt ist.

Die Erfindung ist in einer Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Entfeuchtungsaufbaus ausgeführt, der eine bemerkenswerte Überlappung des Feuchtigkeitssammelschlitzes und der Schaufelabdeckung vorsieht. Insbesondere schafft die Erfindung, wie in Fig. 2 gezeigt ist, einen Aufbau, bei dem ein maßgeblicher Abschnitt des Feuchtigkeitssammelschlitzes 124 die Schaufelabdeckung 118 axial überlappt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die stromabwärtige Fläche 134 auf eine Weise angeordnet, die im Allgemeinen der Anordnung der stromabwärtigen Fläche 34 des Schlitzes 24 des herkömmlichen Aufbaus von Fig. 1 entspricht. Jedoch sind der stromaufwärtige Abschnitt des Schlitzes und insbesondere die stromaufwärtige Schlitzfläche 132 bei dem derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mehr von der stromabwärtigen Fläche 134 beabstandet als bei dem herkömmlichen Aufbau. Insbesondere ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die axiale Abmessung des Schlitzes 124 im Vergleich mit der axialen Abmessung des herkömmlichen Schlitzes, die durch den Abstand zwischen den Flächen 32 und 34 davon definiert ist, um zumindest ungefähr 30% bis ungefähr 100% erhöht, so dass es im wesentlichen eine Überlappung des Schlitzes und der Schaufelabdeckung gibt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde zum Vergrößern des Schlitzes 124 und zum Erhöhen der Überlappung mit der Schaufelabdeckung 118 die stromaufwärtige Rinne 26 der Entfeuchtungstasche 24 der Baugruppe von Fig. 1 beseitigt, so dass die stromaufwärtige Wand 132, 144 der Entfeuchtungstasche 122 an einer im wesentlichen radialen Ebene definiert ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel überlappt der Schlitz 124 die Schaufelabdeckung 118 (hier auch als Schaufelspitze bezeichnet) um zumindest ungefähr 25 bis ungefähr 75% der axialen Länge der Schaufelabdeckung, und insbesondere um ungefähr 50% der axialen Länge von der der Abdeckung. Darüber hinaus liegt bei dem derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 zumindest ungefähr 50% der axialen Länge des Schlitzes 124 über der Schaufelabdeckung 118. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann des weiteren erkannt werden, dass die Schlitzwände 132, 134 sich in im wesentlichen radialen Ebenen quer zu der axialen Strömungsrichtung A des Arbeitsfluids in der Strömungsbahn erstrecken, die durch die Außenseitenwand 112 definiert ist. Somit ist die axiale Abmessung des Schlitzes 124 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung von einem radialen inneren Eingangsende 136 des Schlitzes 124 und einem radialen äußeren Rinnenverbindungsende 138 des Schlitzes 124 im wesentlichen konstant.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kammer 140 der Entfeuchtungstasche 122 eine radiale Außenwand 142, eine stromaufwärtige axiale Wand 144 im wesentlichen quer zu der radialen Außenwand und eine stromabwärtige axiale Wand 146 im wesentlichen quer zu der radialen Außenwand 142 auf, und erstreckt sich an zumindest einem Umfangsteil der Schaufelreihe. Wie vorstehend erwähnt ist, wird das stromaufwärtige Rinnensegment des herkömmlichen Aufbaus falls notwendig weggelassen, um axiale Raumbeschränkungen zu erfüllen. Somit liegt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die stromaufwärtige Wand 132 des Schlitzes 124 im wesentlichen angrenzend und in derselben Ebene mit der stromaufwärtigen axialen Wand 144 der Kammer 140 der Entfeuchtungstasche 122. Andernfalls wird eine axiale Verbreiterung des Schlitzes 124 stromaufwärts angenommen, um einen Zutritt für das Wasser zu der Tasche 122 zu schaffen, das sich als ein Film entlang der Außenseitenwand bewegt und das in den Auslaufstrahl oberhalb der Schaufelabdeckung 118 mitgerissen werden kann, um dadurch die Wirksamkeit der Entfeuchtung zu verbessern. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Entfeuchtungstasche 122 ähnlich zu dem herkömmlichen Aufbau des weiteren eine stromabwärtige Rinnenvertiefung 128 auf, die zwischen der stromabwärtigen Wand 134 des Schlitzes 124 und einer stromabwärtigen radialen Wand 146 der Kammer 140 der Tasche definiert ist.

Es wurden Versuche durchgeführt, um einen Vergleich des Entfeuchtungswirkungsgrades (MRE) zwischen dem Standardaufbau der in Fig. 1 dargestellten Bauart und dem derzeitig bevorzugten Aufbau zu schaffen, der in Fig. 2 dargestellt ist. Die Versuchsergebnisse sind in einer grafischen Darstellung in Fig. 3 gezeigt. Die Versuche 1 und 1A wurden mit dem Standardaufbau von Fig. 1 durchgeführt. Die Versuche 2B und 2C wurden allesamt mit dem Aufbau von Fig. 2 durchgeführt. Wie dargestellt ist, lag der Anstieg des MRE (Entfeuchtungswirkungsgrad) der bevorzugten Konfigurationen im Vergleich mit dem Standardaufbau im Bereich von 40%. Dadurch wird die Hypothese belegt, dass sich das Wasser als ein Film entlang der Außenseitenwand der Düse bewegt und in den Auslaufstrahl oberhalb der Schaufelabdeckung mitgerissen wird und den Entfeuchtungswirkungsgrad des herkömmlichen Aufbaus beschränkt, und dass eine Tasche mit einem Schlitz, die eine wesentliche axiale Überlappung der Schaufelabdeckung vorsieht, den Entfeuchtungswirkungsgrad durch Vorsehen des Zutritts des anderenfalls mitgerissenen Wassers zu der Tasche verbessert.

Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeitig als das am meisten praktische und bevorzugte Ausführungsbeispiel erachtet wird, ist es verständlich, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass dagegen beabsichtigt ist, verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Eine verbesserte Entfeuchtungstaschenkonfiguration ist beschrieben, die eine axiale Erweiterung des Entfeuchtungsschlitzes über der Schaufelabdeckung aufweist. Bei der Tasche kann das stromaufwärtige Rinnensegment weggelassen werden, um die gewünschte Schlitzerweiterung zu erzielen. Der abgewandelte Entfeuchtungstaschenaufbau der Erfindung verbessert den Entfeuchtungswirkungsgrad durch Vorsehen eines Zutritts für Wasser zu der Tasche, das sich als ein Film entlang der Außenseitenwand der Düse bewegt in den Auslaufstrahl oberhalb der Schaufelabdeckung mitgerissen wird.

Claims

1. Axialströmungsdampfturbine mit:
einem Rotor;
einer sich radial erstreckenden von dem Rotor getragenen Schaufel, wobei die Schaufel einen führenden Rand, einen nacheilenden Rand und eine radial äußere Spitze hat, einer Außenseitenwand, die radial nach außen von der Schaufel angeordnet und im wesentlichen koaxial zu dem Rotor ist, wobei dadurch ein Arbeitsfluidströmungspfad definiert wird; und
einer Entfeuchtungstasche, die an der Außenseitenwand definiert ist, wobei die Entfeuchtungstasche eine Kammer zum Aufnehmen von Feuchtigkeit und einen Schlitz zum Verbinden der Kammer mit dem Arbeitsfluidströmungspfad zum Gestatten einer Feuchtigkeitsströmung radial von dem Strömungspfad in die Kammer der Entfeuchtungstasche hat, wobei ein Schlitz eine axial stromaufwärtige Wand und eine axial stromabwärtige Wand aufweist, wobei die axial stromabwärtige Wand sich zu dem Strömungspfad axial stromabwärtig von dem nacheilenden Rand der Schaufel öffnet und die axial stromaufwärtige Wand des Schlitzes sich zu dem Strömungspfad radial außerhalb von der Schaufel öffnet, wobei dadurch der Schlitz im wesentlichen die radial äußere Spitze der Schaufel überlappt.

2. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtige Wand des Schlitzes in einer im wesentlichen radialen Ebene quer zu der Achse des Rotors definiert ist.

3. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärtige Wand des Schlitzes in einer im wesentlichen radialen Ebene quer zu der Achse des Rotors definiert ist.

4. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfeuchtungstasche des weiteren eine stromabwärtige Rinnenvertiefung aufweist, die zwischen der stromabwärtigen Seitenwand des Schlitzes und einer stromabwärtigen radialen Wand der Kammer definiert ist.

5. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärtige Wand des Schlitzes im wesentlichen angrenzend an eine stromaufwärtige axiale Wand der Kammer der Entfeuchtungstasche und in einer selben Ebene damit ist.

6. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz mit zumindest im wesentlichen 25% der Schaufelspitzes überlappt ist.

7. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz zwischen im wesentlichen 25 und 75% der Schaufelspitze überlappt.

8. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz mit 50% einer axialen Abmessung der Schaufelspitze überlappt ist.

9. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im wesentlichen 25% und nicht mehr als im wesentlichen 75% des Schlitzes angeordnet ist, um über der Schaufelspitze zu liegen.

10. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen 50% einer axialen Abmessung des Schlitzes über der Schaufelspitze liegt.

11. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer der Entfeuchtungstasche eine radial äußere Wand, eine stromaufwärtige axiale Wand im wesentlichen quer zu der radial äußeren Wand und eine stromabwärtige axiale Wand im wesentlichen quer zu der radial äußeren Wand aufweist und sich an zumindest einem Umfangsteil der Schaufelreihe erstreckt.

12. Axialströmungsdampfturbine mit:
einem Rotor;
einer sich axial erstreckenden von dem Rotor getragenen Schaufel, wobei die Schaufel einen führenden Rand, einen nacheilenden Rand und eine radial äußere Spitze hat, einer Außenseitenwand, die radial nach außen von der Schaufel angeordnet ist und im wesentlichen koaxial zu dem Rotor ist, wobei dadurch ein Arbeitsfluidströmungspfad definiert ist; und
einer Entfeuchtungstasche, die an der Außenseitenwand definiert ist, wobei die Entfeuchtungstasche Wände aufweist, die eine Kammer zum Aufnehmen von Feuchtigkeit definieren, und einen Schlitz zum Verbinden der Kammer mit dem Arbeitsfluidströmungspfad zum Gestatten einer Feuchtigkeitsströmung radial von dem Strömungspfad in die Kammer der Entfeuchtungstasche, wobei die Wände, die die Kammer definieren, eine radial äußere Wand, eine stromaufwärtige axiale Wand im wesentlichen quer zu der radial äußeren Wand und eine stromabwärtige axiale Wand im wesentlichen quer zu der radial äußeren Wand aufweisen, wobei ein Schlitz eine axial stromaufwärtige Wand aufweist, die im wesentlichen angrenzend an die stromaufwärtige axiale Wand der Kammer und der axial stromabwärtigen Wand sowie in derselben Ebene damit ist, wobei sich die axial stromabwärtige Wand zu dem Strömungspfad axial stromabwärtig von dem nacheilenden Rand der Schaufel öffnet und sich die axial stromaufwärtige Wand des Schlitzes zu dem Strömungspfad radial außerhalb von der Schaufel öffnet, wobei dadurch der Schlitz im wesentlichen die radial äußere Spitze der Schaufel überlappt.

13. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtige Wand des Schlitzes in einer im wesentlichen radialen Ebene quer zu der Achse des Rotors definiert ist.

14. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfeuchtungstasche des weiteren eine stromabwärtige Rinnenvertiefung aufweist, die zwischen der stromabwärtigen Seitenwand des Schlitzes und der stromabwärtigen radialen Wand der Kammer definiert ist.

15. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz mit zumindest im wesentlichen 25% der Schaufelspitze überlappt ist.

16. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz zwischen im wesentlichen 25 und 75% der Schaufelspitze überlappt.

17. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz mit im wesentlichen 50% einer axialen Abmessung der Schaufelspitze überlappt ist.

18. Axialströmungsdampfturbine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im wesentlichen 25% und nicht mehr als im wesentlichen 75% des Schlitzes angeordnet ist, um über der Schaufelspitze zu liegen.