DE102005046721B3

DE102005046721B3 - Verfahren zur Steuerung der Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine und zugehörige Dampfturbine

Info

Publication number: DE102005046721B3
Application number: DE200510046721
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hammer; Thomas Dr. Kappes; Matthias Dr. Neef; Norbert Sürken
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-09-30

Abstract

In Dampfturbinen wird aus dem Dampf ein Kondensat in Form von Flüssigkeitstropfen gebildet. Mit der vorliegenden Erfindung wird das Tropfengrößenspektrum und das Tropfenanzahlspektrum definiert beeinflusst. Dazu wird vor oder während der Kondensation eine Ionisation des Dampfes durchgeführt, wozu Elektronenstrahlen verwendet werden. Bei der zugehörigen Dampfturbine (1) ist wenigstens eine Einheit zur Erzeugung von Elektronen (10) mit zugehörigen Mitteln (15) zum Einbringen der Elektronen in die Turbine (1) vorhanden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine, bei dem aus einem Dampf ein Kondensat in Form von Flüssigkeitstropfen gebildet wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine zugehörige Dampfturbine mit einem Rotor und einem Stator, daran angebrachten Laufschaufeln und den Laufschaufeln zugeordneten Leitschaufeln, wobei eine Leitung für den Dampfzustrom vorhanden ist.
Insbesondere in Niederdruck-Dampfturbinen aber auch in den Hochdruckbereichen der Nassdampfturbinen in nuklearen Kraftwerken tritt die Kondensation in der Regel verzögert ein, d.h. bei Dampfdrücken, die über dem Sättigungsdampfdruck für die am Ort der Kondensation vorherrschende Temperatur liegen. Man spricht dabei von „übersättigtem" oder auch „unterkühltem" Dampf. Beim Übergang in den annähernd thermodynamisch stabilen Zustand kommt es zu thermodynamischen Verlusten und im weiteren Verlauf zu weiteren Nässeverlusten sowie zur Erosion an Turbinenschaufeln.
Der verzögerte Beginn der Kondensation an sich ist mit einem signifikanten Entropieanstieg und damit einer Reduktion des thermodynamischen Wirkungsgrades verbunden, dem sog. thermodynamischen Relaxationsverlust.
Hinzu kommen weitere Verluste aufgrund der Bildung vergleichsweise großer Tröpfchen. Aufgrund der Massenträgheit folgen große Tröpfchen der Dampfströmung nicht besonders gut. Sie sammeln sich deshalb auf der Oberfläche der Leitbeschaufelung und bilden dort einen Wasserfilm. Gelangt dieser Wasserfilm zur Schaufelhinterkante, reißen dort große im Normalfall elektrisch positiv geladene Sekundärtropfen von der Schaufelhinterkante ab, die im Nachlauf des Leitschaufelpro fils nur langsam beschleunigt werden. Dadurch treffen die Tropfen in der nachfolgenden Laufschaufelreihe unter ungünstigem Winkel und mit hoher Relativgeschwindigkeit auf die Schaufel, wodurch es zu einer mechanischen Schädigung des Schaufelmaterials (Tropfenschlag) verbunden mit chemischer Erosion kommen kann. So entstehen kinematische Verluste durch den Aufprall der großen Tropfen auf die schnell umlaufenden Schaufeln (sog. Bremsverluste) und innere Reibungsverluste in der Zwei-Phasen-Strömung (sog. Schleppverluste).
Wenn hingegen bei der Tropfenentstehung viele vergleichsweise kleine Tropfen entstehen, die dem Dampfstrom gut folgen können, werden die Dicke des Wasserfilms auf der Leitschaufel und damit auch die durch Sekundärtropfen entstehenden Verluste sowie das Maß der Erosion verringert.

Vom Stand der Technik ist es bekannt, dass die Größe und Anzahl der sich bildenden Tröpfchen sehr empfindlich von der Übersättigung und der sog. Expansionsschnelle abhängt, d.h. davon, wie groß die zeitliche und örtliche Druckänderung in der Umgebung der Wilson-Zone ist, in der die spontane Nukleation (Tropfenentstehung) einsetzt. Diese Parameter könnten zwar entsprechend der EP 0 799 973 B1 innerhalb gewisser Grenzen durch die konstruktive Auslegung der Dampfturbine festgelegt werden. Die Vermeidung thermodynamischer Verluste und der Erosion an Turbinenschaufeln ist dadurch bisher jedoch nicht gelungen.

Weiterhin ist bekannt, dass die Nukleation durch Verunreinigungen, wie z.B. Tenside, beeinflusst werden kann. Der Zusatz von Tensiden kann jedoch das Risiko von Korrosionsschäden ansteigen lassen. Aus EP 1 245 795 A2 ist z.B. bekannt, dass in Dampfsystemen versucht wird, Verunreinigungen lokal zu begrenzen und so Korrosionsschäden zu vermeiden.

Aus der Veröffentlichung von Rieger et al.: "The Influence of Electrostatic Charge in the Phase Transition Zone of a Steam Turbine", Powerplant Chemistry Vol. 3 No. 5, pp. 255–261 (2001) ist bekannt, dass durch elektrische Ladung als Keim die Kondensation gefördert werden kann. In der Patentschrift US 6,698,205 B2 wird die elektrische Entladung bzw. die Aufladung der Tröpfchen durch Spitzenelektroden im Ausgang der Dampfturbine, die auf definiertes elektrisches Potential gelegt werden, als Mittel zur Wirkungsgradsteigerung offenbart. Die WO 00/71857 A1 stellt die elektrische Entladung von Tröpfchen durch mit Hochspannung beaufschlagten Drahtelektroden unmittelbar am Ausgang der letzten Stufe der Dampfturbine dar. In US 5,992,152 A wird die Kombination elektrischer Maßnahmen mit der Steuerung des Ammoniak-Gehaltes im Dampf (pH-Wert) vorgeschlagen. Die elektrostatische Zerstäubung von Tröpfchen und die Verbesserung der Kondensation am Turbinenausgang durch elektrische Felder wird in WO 97/26443A1 vorgeschlagen.

Letzterer Stand der Technik offenbart zwar Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung, die aber allesamt den Nachteil haben, dass sie am Ausgang der Turbine angreifen und thermodynamische Verluste nur noch im Bereich des Kondensators beeinflussen können. Die Erosionsprobleme im Bereich der Turbine werden dadurch in keiner Weise gelöst.

Mit der nicht vorveröffentlichten US Patent Application 60/535,905 wird schließlich die Anwendung von Corona-Entladungen innerhalb der Niederdruckturbine vorgeschlagen, um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Erosion zu reduzieren. Die Nachteile dieser Problemlösung liegen darin, dass mit Hochspannung beaufschlagte Corona-Elektroden in einen Bereich relativ hoher Dampfdichte eingeführt werden müssen, in dem Spalte von mehreren 10 cm Weite durch Corona-Entladungen hoher Intensität zu beaufschlagen sind. Das erfordert entweder kleine Elektrodenabstände und damit eine Vielzahl korrosionsbeständiger Elektroden im Dampfpfad, oder Spannungen im Bereich 60–120 kV. Die Elektronegativität von Wasser kann es außerdem erforderlich machen, dass zur Vermeidung stark inhomogener Corona-Entladungen die Hochspannung in Form kurzer Pulse angelegt wird, wodurch die elektrische Versorgung sehr aufwendig und teuer wird. Selbst dann ist der Wirkungsgrad der Ionisation nicht besonders hoch, solange nicht Spannungen wesentlich über der für den Corona-Entladungsdurchbruch erforderlichen erzielt werden können. Weiterhin kann es durch Kondensation auf den Hochspannungsdurchführungen dieser Elektroden zu Funkenüberschlägen kommen, die Materialschädigung bis hin zur thermomechanischen Zerstörung der entsprechenden Bauteile zur Folge haben können.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Kondensation von Flüssigkeiten bei einer Dampfturbine zu verbessern und eine diesbezügliche Dampfturbine anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Dampfturbine ist im Anspruch 14 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der diesbezüglichen Niederdruck-Dampfturbine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gegenstand der Erfindung ist der Einsatz von Elektronenstrahlen zur Steuerung der Ionisation des Dampfes in Dampfturbinen, um den Wirkungsgrad von Dampfturbinen zu steigern, die Erosion zu reduzieren und dabei die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden. Erfindungsgemäß werden die Elektronenstrahlen vor oder im Bereich der Kondensationszone in den Dampf eingestrahlt. Durch Stöße der hochenergetischen Primärelektronen des Elektronenstrahls werden längs des Strahls sukzessive Ionen des Wassers und Sekundärelektronen gebildet, deren Energie in einem Großteil der Ionisationsereignisse für die Elektronenstoßionisation weiterer Wasser-Moleküle ausreicht. Dabei ergeben sich folgende Prozesse: e_primär + H₂O → e_sekundär + e_primär' + H₂O⁺ (OH + H⁺) (1) e_primär' + H₂O → e_sekundär + e_primär'' + H₂O⁺ (OH + H⁺) (2) e_sekundär + H₂O → e_sekundär' + e_sekundär'' + H₂O⁺ (OH + H⁺) (3) Dadurch kommt es zu einem sehr effizienten, kaskadenartigen Ionisationsprozess. In den Reaktionsgleichungen sind alternativ mehrere mögliche Ionen als Produkt angegeben.

Durch Stöße niederenergetischer Sekundärelektronen mit H₂O-Molekülen kann es schließlich auch zur Bildung negativer Ionen kommen: e_sekundär'' + H₂O → H + OH^– (4)Da durch Elektronenstrahl-Ionisation erzeugte Ionen (sowohl die negativen als auch die positiven) durch Hydrathüllen stabilisiert werden und diese Stabilisierung bei höherer Dampfdichte schneller abläuft, gilt: Ion + H₂O → Ion·( H₂O) (5.1).. ... → ... ... Ion·(H₂O)_n + H₂O → Ion·(H₂O)_n+1 (5.n)

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Elektronen entweder (a) in den noch nicht unterkühlten Dampf bei vergleichsweise hohem Druck (ND-Turbineneintritt) einzustrahlen, oder (b) in den leicht unterkühlten, aber ohne Ladungsträger noch nicht kondensationsfähigen Dampf (d.h. vor der Tropfenentstehungszone), oder (c) direkt in die Tropfenentstehungszone einzustrahlen.

Bei der Erfindung werden im Fall (a) Ladungsträger erzeugt und durch Hydratisierung stabilisiert, die dann bei Überschreitung der Sättigungslinie weiteres Wasser anlagern und so eine Vielzahl kleinster Tröpfchen bilden, die im Nassdampfgebiet nahezu im thermodynamischen Gleichgewicht weiter wachsen. Thermodynamische Relaxationsverluste (Unterkühlungsverluste) können auf diese Weise signifikant reduziert werden. Im Fall (b) kommt es direkt zur Bildung einer Vielzahl kleiner Tröpfchen, die nachfolgend im Nassdampfgebiet nahezu im thermodynamischen Gleichgewicht weiter wachsen. Auch hier werden die thermodynamischen Relaxationsverluste reduziert. Gleichzeitig wird die Lage der Tropfenentstehungszone maßgeb lich beeinflusst und im Idealfall an einer strömungsmechanisch günstigen Stelle im Dampfpfad unabhängig von instationären Schaufelinteraktionsphänomenen fixiert. Im Fall (c) wird die Nukleationsrate (Tropfenentstehungsrate) in der Tropfenentstehungszone direkt erhöht, so dass auch hier mehr und damit im Endeffekt wesentlich kleinere Tröpfchen gebildet werden. Auch hier spielt die örtliche Fixierung der Tropfenentstehungszone eine wichtige Rolle.

In jedem Fall wird durch die Ionisation eine kontrollierte Keimbildung und Kondensation erreicht, bei der sich mit vielen kleinen Tropfen ein Tropfenspektrum ausbildet, das letztlich zur Verringerung der Nassdampfverluste führt.

Die Beschleunigungsenergie wird erfindungsgemäß abhängig vom Einstrahlort der Elektronen gewählt. Als Parameter für die Einstellung der Energie wird dabei das Produkt aus der erforderlichen Eindringtiefe L_beam und der am Einstrahlort herrschenden Dampfdichte (ρ_steam in kg/m³ gewählt. Dabei ist die Energie und damit die Beschleunigungsspannung U_acc bevorzugt bestimmt durch eine Relation U_acc ~ ((ρ_steam L_beam)^γ 0.5 < γ < 1.0. Weiterhin wird der Strahlstrom L_beam so gewählt, dass die Strahlleistung P_beam = U_acc I_beam proportional der gewünschten Ionisationsrate ist.

Im Rahmen der Erfindung wird der Elektronenstrahl entweder in einer Vakuumröhre oder einer Niederdruckgasentladung erzeugt, indem zwischen einen Elektronenemitter und eine Anode, die z.B. das Austrittsfenster der Röhre sein kann, eine Hochspannung gelegt wird, die entweder als getaktete oder als ungetaktete Gleichspannung vorliegen kann. Die Erzeugung hochenergetischer Elektronenstrahlen unterschiedlicher Strahlgeometrie sowie die Auslegung des Austrittsfensters für hohe Lebensdauer sind Stand der Technik z.B. für die Bestrahlung von Lebensmitteln zur Sterilisation.

Mit der Erfindung werden gegenüber den bisherigen Problemlösungen insbesondere folgende Vorteile erzielt:

– Der Wirkungsgrad der Ionenerzeugung wird gegenüber der Corona-Methoden oder anderen elektrischen Gasentladungsverfahren um mindestens einen Faktor vier erhöht, weil die Strahlelektronen durch ihre hohe mittlere Energie kaum Energie durch Verlustprozesse wie elektronische Anregung oder Vibrationsanregung von Wasser verlieren. Der höhere Wirkungsgrad schlägt sich nieder in einer mindestens um den Faktor 4 reduzierten Leistungsanforderung.
– Da die Elektronen außerhalb der Dampfturbine auf die erforderliche Energie gebracht werden, ist keine Hochspannungsdurchführung erforderlich, die unter den rauen Umgebungsbedingungen in der Dampfturbine funktionsfähig sein müsste.
– Elektrodenstrukturen, die strömungstechnisch eingepasst werden müssten und auf geringen Eintrag von Verunreinigungen in den Dampf optimiert werden müssten, können auf diese Art ebenfalls vollständig vermieden werden.

Bei der Erfindung kann die Elektronenstrahlanlage sehr leicht an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden, weil Spannung und Strom leicht unabhängig voneinander einstellbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 eine graphische Darstellung, die die Anzahl der Elektronenstoßprozesse pro 100 eV zugeführter Energie in elektrischen Gasentladungen als Funktion der elektrischen Feldstärke wiedergibt und Ergebnis einer numerischen Modellrechnung ist,
2 und 3 schematisch einen Ausschnitt aus einer Dampfturbine mit zugeordneten Mitteln zur Elektronenstrahleinkopplung,
4 den Querschnitt durch eine erste Elektronenstrahlanordnung zur Dampfionisation, bei der eine oder mehrere lineare Quellen verwendet werden,
5 den Querschnitt durch eine zweite Elektronenstrahlanordnung zur Dampfionisation, bei der eine ringförmige Quelle verwendet wird und
6 als Alternative zu 4 den Querschnitt durch eine dritte Elektronenstrahlanordnung zur Dampfionisation, bei der eine oder mehrere lineare Quellen mit erhöhter Beschleunigungsspannung verwendet werden.
7 eine Elektronenstrahlapparatur auf Basis einer Vakuumröhre und einer Glühkathode als Elektronenquelle.
8 eine Elektronenstrahlapparatur auf Basis einer Niederdruckgasentladung als Elektronenquelle.
1 gibt die theoretischen Grundlagen als Voraussetzung der Erfindung wieder. Es ist eine Modellrechnung gezeigt: Auf der Abszisse ist die reduzierte elektrische Feldstärke in Einheiten von 10²¹ V m² aufgetragen (der Quotient aus elektrischer Feldstärke E und Anzahldichte der Gasmoleküle n; für das reduzierte elektrische Feld von 10²¹ V m² wird die Einheit Townsend mit der Abkürzung Td verwendet) und auf der Ordinate die Anzahl der in elektrischen Gasentladungen in Wasserdampf durch Elektronenstöße ausgelösten Reaktionen pro 100 eV zugeführter Energie, der so genannte G-Wert (1 eV ist die Energie, die ein Elektron beim Durchfallen einer elektrischen Potentialdifferenz von 1 V im Vakuum aufnimmt). Weil jede endotherme Reaktion die Zufuhr einer bestimmten Enthalpie erfordert (Reaktionsenthalpie ΔH), kann der G-Wert als Maß für den Wirkungsgrad angesehen werden, mit dem eine bestimmte Elektronenstoßreaktion ausgelöst wird: η_i = G_i × ΔH_i/100 eV.
In der 1 sind die Graphen für die wichtigsten Elektronenstoßreaktionen in Dampf dargestellt. Im Einzelnen zeigen die Graphen 11 bis 14 die G-Faktoren für die Vibrationsanregung (11), die elektronische Anregung (12), die Ionisation (13) durch Bildung eines Elektron-Ion-Paares, und die die Bildung negativer Ionen durch dissoziative Anlagerung von Elektronen an Dampfmoleküle. Ersichtlich sind daraus die unterschiedlichen Beiträge der Nutzreaktion (13) und der Verlustreaktionen (11,12,14) zum Energieverbrauch in einem mit bestimmter reduzierter elektrischer Feldstärke betriebenen Gasentladungsplasma.
In 1 sind die einfach realisierbaren Gleichspannungs-Korona-Entladungen durch E/n = 125 Td charakterisiert. Dabei wird weniger als ein Zehntel der eingesetzten Energie für die Ionisation genutzt. Elektronenstrahlplasmen sind demgegenüber durch Eigenschaften gekennzeichnet, die denen eines elektrischen Gasentladungsplasmas bei E/n > 800 Td entsprechen. Daraus ergibt sich für Elektronenstrahl induzierte Plasmen ein wesentlich höherer Wirkungsgrad für die Ionisation als für Gleichspannungs-Korona-Entladungen.
In den 2 und 3 bedeutet 1 eine Dampfturbine, von der jeweils nur ein Teil dargestellt ist. Im Einzelnen ist jeweils ein Rotor 2 mit Rotationsachse I vorhanden, auf dem sich einzelne Laufschaufelreihen 3, 3', 3'' befinden, wobei speziell drei Laufschaufelreihen angedeutet sind. Korrespondierend dazu ist ein Statorteil 4 mit zugehörigen Leitschaufeln 5, 5', 5'' vorhanden. Es sind auch Anordnungen mit mehr oder weniger Schaufelreihen denkbar.
Über eine Zuleitung 8 erfolgt der Dampfzustrom. Der Dampfstrom wird in die Anordnung aus Statorteil 4 und Rotor 2 mit Laufschaufeln geleitet, wodurch im Dampfkanal 6 über die Umwandlung von Strömungsenergie in mechanische Energie der Rotor in Drehung versetzt wird.
Beim oder nach dem Einbringen des Dampfes in die Anordnung gemäß den 2 und 3 kondensiert der Dampf als kleine Tröpfchen. In den Figuren ist eine Sättigungslinie S (auch: Taulinie) eingezeichnet, bei deren Überschreitung der Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht teils in flüssiger teils in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt.
In den 2 und 3 ist der Turbine 1 eine Vorrichtung 10 zur Erzeugung von Elektronenstrahlen zugeordnet. Dazu wird eine Elektronenstrahlapparatur verwendet, durch die Elektro nenstrahlen vorgegebener Intensität und kinetischer Energie erzeugt werden.
Über ein für Elektronen durchlässiges Fenster 15, das aus insbesondere für die Verwendung in der Dampfturbine geeignetem widerstandsfähigem und gegebenenfalls korrosionsbeständigem Material besteht, werden Elektronenstrahlen in die Turbine 1 eingebracht. Dies kann gemäß 2 generell im Zuströmungsbereich (nicht explizit gezeigt) aber auch im gesamten Bereich der Beschauflung; in 3 aber insbesondere im Bereich der Sättigungslinie für die Kondensation erfolgen.
Mit der Anordnung gemäß 2 oder 3 können Elektronen in den überhitzten, noch nicht unterkühlten Dampf bei hohem Druck eingestrahlt werden. Vorteilhafterweise werden die Elektronen in den bereits unterkühlten, aber ohne Ladungsträger noch nicht kondensationsfähigen Dampf eingestrahlt. Es ist auch möglich, die Elektronen direkt in die Tropfenentstehungszone (sog. Wilsonzone) einzustrahlen. Dabei wird die Eindringtiefe der Elektronen durch Wahl der Elektronenenergie auf den Durchmesser der Dampfturbine, die Richtung der Einstrahlung und die Dampfdichte am Ort der Einstrahlung abgestimmt. Vorteilhafterweise beträgt dabei die Beschleunigungsspannung zur Erzeugung der Elektronenstrahlen zwischen 50 kV und 800 kV.
Statt der in 2 und 3 vorhandenen Elektronenkanone kann die Einheit zur Erzeugung hochenergetischer Elektronen eine Vakuumröhre enthalten, die mit einem Druck im mPa bis Pa-Bereich mit einem Edelgas gefüllt ist, mit einer Kathode, aus der die Primärelektronen abgezogen werden. Das Hilfsgitter bildet dabei zusammen mit der Kathode und der Gasfüllung eine stromregelbare Gasverstärkungsstrecke und extrahiert und beschleunigt die Elektronen zu der dahinter liegenden Anode hin. Dabei ist eine Spannungsversorgung zum Betrieb der Niederdruck-Gasentladung und der Beschleunigungsstrecke vorhanden.
In 4 ist der Dampfkanal einer Dampfturbine gemäß 2/3 mit 6 bezeichnet. Die Turbine 1 ist in 4 im Wesentlichen durch die Rotationsachse des Rotors 2 definiert. Zentrisch um die Achse sind sechs einzelne Erzeugungseinrichtungen 30, 30', bis 30''''' für Elektronenstrahlen angeordnet. Jede Einrichtung besteht aus einem Elektronenemitter (31, 31', ...), der an einer zugehörigen Hochspannungsversorgung (32, 32', ...) liegt .
In 5 ist um die Achse eines Dampfkanals einer Dampfturbine eine rotationssymmetrische Elektronenstrahlapparatur 40 mit einer ringförmigen Kathode 41 und der zugehörigen Hochspannungsversorgung 42 angeordnet. Bei dieser Anordnung werden zentrisch und fokussiert von der Anordnung 40 durch das Austrittsfenster 45 Elektronen in den Dampfkanal 6 eingestrahlt.
Eine Alternative zu den 4 und 5 ist in 6 angegeben. Hier sind um den Dampfkanal 6 versetzt eine oder mehrere (vorzugsweise drei) Einrichtungen 50, 50', 50'' zur Erzeugung von Elektronenstrahlen angeordnet, welche jeweils die Elektronen tangential einstrahlen. Gegenüber der Anordnung in 4 können so die Zahl der erforderlichen Elektronenstrahlquellen und die Flächen der Austrittsfenster reduziert erhöht werden. Die Vorteile reduzierter Aufwendungen für Elektronenstrahlquellen und Austrittsfenster sind offensichtlich. Weiterhin kann die Beschleunigungsspannung der Elektronen erhöht werden, ohne dass es dadurch zu höheren Verlusten durch die Wechselwirkung der Elektronenstrahlen mit Wänden kommt, weil durch die tangentiale Einstrahlung die Länge des Strahlweges durch den Dampfkanal steigt. Vorteile bringt die Erhöhung der Beschleunigungsspannung deshalb, weil dadurch die Strahlleistung gesteigert werden kann, ohne dass dafür der Strom erhöht werden muss. Dadurch aber wird die Belastung der Austrittsfenster gleich in zweierlei Hinsicht reduziert, weil einerseits die Verlustleistung proportional zum Strom ist, anderseits steigender Spannung sinkt.
Bei der Anordnung gemäß 6 wird also der Strömungsquerschnitt der Dampfturbine durch eine oder mehrere tangential am Rotor der Dampfturbine vorbeilaufende Elektronenstrahlen bzw. Elektronenstrahlbündel gleichmäßig ionisiert. Bei den Anordnungen gemäß den 4 und 5 wird dagegen der Strömungsquerschnitt der Dampfturbine durch annähernd radial auf den Rotor der Dampfturbine zulaufende Elektronenstrahlen gleichmäßig ionisiert.
In allen Fällen wird die Dichte der Kondensationskeime und damit die Tropfengrößen über den Strom der Elektronenstrahlen geregelt. Die Größenverteilung der Tröpfchen kann dabei am Austritt der Dampfturbine durch geeignete Messtechniken erfasst werden, so dass die Steuerung des Elektronenstromes in Abhängigkeit wenigstens eines die Größenverteilung charakterisierenden Wertes erfolgt. Die Steuerung des Elektronenstromes kann auch über den thermodynamischen Zustand am Eintritt der Dampfturbine erfolgen.
Es ist ebenfalls möglich, die elektrische Ladung des Nassdampfes am Austritt der Dampfturbine durch einen geeigneten Sensor zu erfassen und die Steuerung des Elektronenstromes in Abhängigkeit des entsprechenden Sensorsignals zu realisieren.
Wesentlich ist bei den drei unterschiedlich aufgebauten Anlagen, dass die eigentliche Anordnung zur Erzeugung der Elektronenstrahlen leicht an unterschiedliche konstruktive Ausführungen von Dampfturbinen und unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden kann.
Die Elektronenstrahlapparatur kann einerseits wie in 7 gezeigt auf einer Vakuumkammer 10 basieren, deren Druck im Bereich des Ultrahochvakuums liegt und die mit einer Glühkathode 21 als Elektronenquelle, einem Steuergitter 22 zur Stromregelung, und einer Heizwendel 23 zur Beheizung der Glühkathode ausgestattet ist. Die erforderlichen Betriebsspannungen werden durch das Steuergerät 20 bereitgestellt, das auch über Eingänge für Sensorsignale verfügt, die als Grundlage für die Strom- und Spannungsregelung der Elektronenstrahlen herangezogen werden.
Alternativ kann die Elektronenstrahlapparatur z.B. wie in 8 gezeigt auf einer Vakuumkammer 10 basieren, deren Druck im Bereich des Feinvakuums liegt, wobei durch eine definierte Gasfüllung, z.B. durch ein Edelgas, zwischen einer Hohlkathode 81 und einer Anode 82 ein Niederdruckplasma 83 im linken Zweig der Paschenkurve betrieben wird, das die Elektronen bereitstellt. Die Elektronen werden durch das gleichzeitig als Strahlanode fungierende Austrittsfenster aus dem dem Fenster zugewandten Bereich des Hohlkathodenplasmas extrahiert. Hier ist der Abstand so klein gewählt, dass die Bedingungen für die Bildung eines selbständigen Gasentladungsplasmas nicht mehr erfüllt sind (Produkt aus Druck und Elektrodenabstand zu klein). Aufgrund des hohen elektrischen Feldes stoßen die Elektronen dann nicht mehr mit Gasatomen oder Molekülen und es kommt zur Ausbildung eines Elektronenstrahls („run-away" Elektronen). Die Steuerung des Strahlstromes erfolgt hier über die Potentialdifferenz zwischen der Anode 82 und der Hohlkathode 81, die Steuerung der Elektronenenergie über die Kathodenspannung gegenüber dem Austrittsfenster, d.h. gegenüber Masse. Dementsprechend besteht auch hier die Möglichkeit einer Steuerung auf Basis von Sensorsignalen, die an Eingänge des Steuergerätes 25, 25', ... angelegt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine, bei dem sich ein Tropfenspektrum mit definierten Tropfengrößen und Tropfenanzahlen ausbildet, mit folgenden Maßnahmen: – vor oder während der Tropfenentstehung wird eine Ionisation des Dampfes durchgeführt, – zur Ionisation des Dampfes werden Elektronenstrahlen eingesetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahlen in einer separaten Vakuumapparatur erzeugt und durch ein für die Elektronenstrahlen transparentes Fenster in den Dampf eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das für Elektronenstrahlen transparente Fenster ein in Dampfatmosphäre korrosions- und/oder erosionsbeständiges Material wie z.B. Titan oder eine auf das transparente Fenster applizierte Schutzschicht aus einem korrosions- und/oder erosionsbeständigen Material verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen in den noch nicht unterkühlten Dampf eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen in den bereits unterkühlten, aber ohne Ladungsträger noch nicht kondensationsfähigen Dampf eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen direkt in die Kondensationszone eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Elektronenstrahlen durch Wahl der Elektronenenergie auf den Durchmesser der Dampfturbine, die Richtung der Einstrahlung und die Dampfdichte am Ort der Einstrahlung abgestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsspannung zur Erzeugung der Elektronenstrahlen bevorzugt zwischen 50 kV und 800 kV liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Dampfturbine durch einen oder mehrere tangential am Rotor der Dampfturbine vorbeilaufende Elektronenstrahlen ionisiert wird. (6)
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Dampfturbine durch radial auf den Rotor der Dampfturbine zulaufende Elektronenstrahlen ionisiert wird. (4,5)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Kondensationskeime durch den Strom der Elektronenstrahlen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenverteilung der Tröpfchen stromab der Tropfenentstehungszone durch einen Sensor erfasst wird und die Regelung der Dichte der Kondensationskeime in Abhängigkeit wenigstens eines die Größenverteilung charakterisierenden Wertes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung des Nassdampfes am Ausgang der Dampfturbine durch einen Sensor erfasst wird und die Regelung der Dichte der Kondensationskeime in Abhängigkeit des Sensorsignals erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Zustand an einem definierten Ort der Dampfturbine durch einen Sensor erfasst wird und die Regelung der Dichte der Kondensationskeime in Abhängigkeit des Sensorsignals erfolgt.
Dampfturbine mit einem Rotor und einem Stator, daran angebrachten Laufschaufeln und den Laufschaufeln zugeordneten Leitschaufeln, wobei eine Zuführung für einen Dampfstrom vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einheit (10) zur Erzeugung hochenergetischer Elektronen und zugehörige Mittel (15) zum Einbringen der Elektronen in die Turbine vorhanden sind.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einheit zur Erzeugung hochenergetischer Elektronen eine Ultrahochvakuumröhre zur Erzeugung eines gerichteten Elektronenstrahls (Elektronenkanone), darin untergebracht eine Elektronen emittierenden Kathode, eine Anode und wenigstens ein Steuergitter zur Stromregelung, ein Austrittsfenster für den Elektronenstrahl, sowie ein Steuergerät mit Spannungsversorgungen für den Betrieb sämtlicher Elektroden (Kathode, Anode, Steuergitter) und Eingängen für Sensorsignale enthält.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einheit zur Erzeugung hochenergetischer Elektronen eine Vakuumröhre, die mit einem Druck im mPa bis hPa-Bereich mit einem Edelgas gefüllt ist, eine Kathode, aus der die Primärelektronen gezogen werden, eine Anode, die zusammen mit der Kathode und der Gasfüllung eine stromregelbare Gasverstärkungsstrecke bildet, eine weitere Anode, auf die die Elektronen beschleunigt werden, ein Austrittsfenster für den Elektronenstrahl, und ein Steuergerät mit Spannungsversorgungen zum Betrieb der Niederdruck-Gasentladung und der Beschleunigungsstrecke sowie Sensoreingängen für Steuer- und Regelungszwecke enthält.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster (15) für die Elektronenstrahlen aus einem strahltransparenten Material ausreichender mechanischer, thermischer und chemischer Stabilität bestehen, das auf der dem Dampf ausgesetzten Seite mit einer dampfresistenten Schutzschicht versehen ist, dessen Dicke so gering ausgeführt ist, dass der Elektronenstrahl nicht oder nur geringfügig absorbiert wird.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung geeigneter Strahlgeometrien vorhanden sind.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung der Tropfengrößenverteilung am Ausgang angebracht sind, deren Signale zur Steuerung der Elektronenstrahlapparatur 10 über das Steuergerät 20 herangezogen werden.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung der Ladung der Tropfen am Ausgang angebracht sind, deren Signale zur Steuerung der Elektronenstrahlapparatur 10 über das Steuergerät 20 herangezogen werden.
Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung der thermodynamischen Größen an der Dampfturbine angebracht sind, deren Signale zur Steuerung der Elektronenstrahlapparatur 10 über das Steuergerät 20 herangezogen werden.