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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dampfturbinen und insbesondere
Verfahren und Vorrichtungen zur Montage bzw. zum Aufbau von Dampfturbinen.
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Wenigstens
einige bekannte Dampfturbinen enthalten einen Turbinenaufbau, der
mehrere Stufen von Leitapparaten umfasst. In wenigstens einigen bekannten
Turbinen werden einige letzte Stufen von Leitapparaten im Englischen
als Fillet-Fabrications (Kehlnaht- bzw. Ausrundungsfabrikationen)
bezeichnet, die aus einem ringförmigen
Außenring,
einem ringförmigen
Innenring und mehreren sich dazwischen erstreckenden und in Umfangsrichtung
voneinander beabstandeten Schaufelblättern, Unterteilungen und/oder
Leitschaufeln aufgebaut sind. Zur Unterstützung der Verbesserung der
Strukturfestigkeit derartiger Leitapparate sind die Leitschaufelblätter an
dem inneren und dem äußeren Ring
angeschweißt.
Um insbesondere das Erreichen einer vorbestimmten Anschlussfestigkeit
zu ermöglichen,
enthalten bekannte Fillet-Fabrikationen eine große Schweißkehlnaht an der zwischen dem
Leitschaufelblatt und dem Ring festgelegten Verbindungsstelle.
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Bei
der Herstellung wenigstens einiger bekannter Fillet-Fabrikationen
wird zunächst
eine Strömungsbahnfläche des
Innenrings und des Außenrings
angerissen, und zwar bevor die einzelnen Leitschaufelblätter in
ihrer Lage angeschweißt
werden. Da jedoch bekannte Leitschaufelblätter ge wöhnlich schwer und schwierig
zu handhaben sind, kann der Schweißvorgang einen zeitraubenden
und aufwendigen Prozess darstellen. In anderen bekannten Herstellungsverfahren
wird eine komplizierte Aufspannvorrichtung zur Unterstützung der
Ausrichtung und Halterung der Schaufelblätter während des Schweißvorgangs
verwendet. Jedoch sind bekannte Aufspannvorrichtungen teuer. Außerdem kann
es bei jedem Herstellungsverfahren zu einer Schweißverformung
aufgrund einer lokalen Aufheizung und Schwindung des Schweißmaterials
während
der Herstellung des Leitapparates kommen. Infolgedessen sind häufig aufwendige
Arbeitseinstellungen und/oder maschinelle Bearbeitungen des zusammengebauten
Leitapparates erforderlich, um sicherzustellen, dass vorbestimmte
Toleranzen und Düsendurchtrittsöffnungsbegrenzungen,
die zwischen in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Schaufelblättern definiert
sind, erfüllt
sind. Im Übrigen
können
verformte Leitschaufelblätter
oder Ringe im Allgemeinen die gewünschten Toleranzen nicht voll
erhalten, so dass das Leistungsverhalten der Stufe beeinträchtigt sein
kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt ist ein Verfahren zum Aufbau einer Dampfturbine geschaffen.
Das Verfahren umfasst eine Bereitstellung eines ringförmigen äußeren Elementes,
eine Bereitstellung eines ringförmigen
inneren Elementes, eine Verbindung mehrerer Leitschaufelblätter mit
dem inneren Element mit Hilfe mehrerer Befestigungseinrichtungen,
so dass sich die mehreren Leitschaufelblätter von dem inneren Element
aus im Wesentlichen nach außen
erstrecken, und eine Verbindung jedes der mehreren Leitschaufelblätter mit
dem äußeren Element.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Leitapparat für eine Dampfturbine geschaffen.
Der Leitapparat enthält
ein radial äußeres und
ein radial inneres Element, die gestaltet sind, um sich innerhalb
der Dampfturbine im Wesentlichen in Umfangsrichtung zu erstrecken,
sowie wenigstens ein Leitschaufelblatt, dass sich zwischen dem äußeren und
dem inneren Element im Wesentlichen in Radialrichtung erstreckt.
Das wenigstens eine Leitschaufelblatt ist an entweder das radial äußere oder
das radial innere Element mit Hilfe einer Befestigungseinrichtung
angeschlossen.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt ist eine Dampfturbine geschaffen. Die Dampfturbine
enthält wenigstens
einen Leitapparat, der ein radial äußeres und ein radial inneres
Element enthält,
die derart gestaltet sind, dass sie sich in der Dampfturbine im
Wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken, sowie mehrere Leitschaufelblätter, die
sich zwischen dem äußeren und
dem inneren Element erstrecken. Die mehreren Leitschaufelblätter sind
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet und entweder
an das äußere Element
oder an das innere Element mittels einer Befestigungseinrichtung
angeschlossen.
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KURZE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften bekannten Gegenstrom-
oder Doppelstrom-Dampfturbine;
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2 zeigt
eine vergrößerte schematisierte Ansicht
eines beispielhaften Leitapparates, der im Zusammenhang mit der
in 1 veranschaulichten Dampfturbine verwendet werden
kann;
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3 zeigt
eine vergrößerte schematisierte Ansicht
eines Abschnitts des in 2 veranschaulichten Leitapparates
und
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4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines in 3 veranschaulichten und als
Bereich 4 gekennzeichneten Abschnitts des Leitapparates.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften bekannten Gegenstrom-Dampfturbine 10.
Die Turbine 10 enthält
eine erste und eine zweite Niederdruck (ND)-Stufe 12 und 14.
Wie in der Technik bekannt, enthält
jede Turbinenstufe 12 und 14 mehrere Stufen von
(in 1 nicht veranschaulichten) Leitapparaten. Durch
die Stufen 12 und 14 erstreckt sich eine Rotorwelle 16 hindurch.
Jede ND-Stufe 12 und 14 enthält eine
Düse 18 und 20.
Ein einzelner äußerer Mantel
oder einzelnes äußeres Gehäuse 22 ist
entlang einer horizontalen Ebene und in Axialrichtung in einen oberen
und einen unteren Teilabschnitt 24 bzw. 26 unterteilt
und umspannt beide ND-Stufen 12 und 14. Ein zentraler
Abschnitt 28 des Mantels 22 enthält einen
Niederdruck-Dampfeinlass 30.
In dem äußeren Mantel
oder Gehäuse 22 sind
die ND-Stufen 12 und 14 in einer einzigen Lagerspannweite
durch Achslager 32 und 34 gelagert. Zwischen der
ersten und der zweiten Turbinenstufe 12 und 14 erstreckt
sich ein Strömungsverteiler 40.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass, obwohl 1 eine Doppelstrom-Niederdruckturbine
veranschaulicht, der Fachmann ohne weiteres erkennen wird, dass
die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, im Zusammenhang mit
Niederdruckturbinen verwendet zu werden, und dass sie auch im Zusammenhang
mit einer beliebigen Doppelstromturbine, einschließlich, jedoch
nicht ausschließlich Mitteldruck(MD)-Turbinen
oder Hochdruck(HD)-Turbinen, verwendet werden kann. Außerdem ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung im Zusammenhang
mit Doppelstrom-Turbinen beschränkt, sondern
kann auch beispielsweise bei Einzelstrom-Dampfturbinen eingesetzt
werden.
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Im
Betrieb empfängt
der Niederdruckdampfeinlass 30 einen Niederdruckdampf 50 mittlerer
Temperatur von einer Quelle, beispielsweise einer HD-Turbine oder
einer MD-Turbine, über eine
(nicht veranschaulichte) Quer- bzw. Verbindungsrohrleitung. Der
Dampf 50 wird durch den Einlass 30 hindurchgeleitet,
wobei der Strömungsverteiler 40 den Dampf
in zwei entgegengesetzt zueinander verlaufende Strömungsbahnen
bzw. -pfade 52 und 54 aufteilt. Insbesondere wird
der Dampf 50 durch die ND-Stufen 12 und 14 hindurch
geleitet, wobei aus dem Dampf Arbeit extrahiert wird, um die Rotorwelle 16 zu
drehen. Der Dampf tritt aus den ND-Stufen 12 und 14 aus
und wird beispielsweise zu einer (nicht veranschaulichten) Mitteldruckturbine
geleitet.
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2 zeigt
eine vergrößerte schematisierte Ansicht
eines als Leitrad ausgebildeten beispielhaften Leitapparates 100,
der im Zusammenhang mit der (in 1 veranschaulichten)
Dampfturbine 10 verwendet werden kann. In einer Ausführungsform bildet
der Leitapparat 100 den letztstufigen Leitapparat 100 der
Turbine 10. Der Leitapparat 100 enthält ein ringförmiges inneres
Band oder einen ringförmigen
inneren Ring 102, einen ringförmigen äußeren Ring 104 und
mehrere Leitschaufeln oder Leitschaufelblätter 106, die sich
dazwischen erstrecken. Der Außenring 104 ist
radial außen
in Bezug auf den Innenring 102 angeordnet und im Wesentlichen
konzentrisch zu diesem ausgerichtet. Die Leitschaufeln 106 sind
zwischen den Ringen 102 und 104 in Umfangsrichtung
im Abstand zueinander angeordnet, wobei sich jede zwischen dem inneren
und dem äußeren Ring 102 bzw. 104 im
Wesentlichen in Radialrichtung erstreckt.
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Eine
radial äußere Fläche 110 des
inneren Ringes 102 und eine radial innere Fläche 112 des äußeren Ringes 104 bilden
eine radial innere und eine radial äußere Grenzfläche eines
durch den Leitapparat 100 hindurch festgelegten Strömungspfads.
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3 zeigt
eine vergrößerte schematisierte Ansicht
eines Abschnitts des Leitapparates 100. 4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts des Leitapparates 100, betrachtet in etwa
in dem mit 4 gekennzeichneten Bereich in 3. In einer
beispielhaften Ausführungsform
ist der innere Ring 102 des Leitapparates ausgehend von
einem gewalzten oder geschmiedeten Ring eines Materials hergestellt.
Alternativ kann der innere Ring 102 des Leitapparates auf
eine beliebige Weise hergestellt sein, die dem Ring 102 ermöglicht,
in der hier beschriebenen Weise zu funktionieren. Der Ring 102 enthält mehrere
Ausrichtungsöffnungen 111 und mehrere
Anschluss- bzw. Verbindungsöffnungen 112.
In einer beispielhaften Ausführungsform
bilden die Öffnungen 111 Zapfenöffnungen,
während
die Öffnungen 112 Bolzenöffnungen
bilden. Die Öffnungen 111 und 112 erstrecken
sich jeweils im Wesentlichen in Radialrichtung durch den inneren
Ring 102 hindurch zwischen der Strömungsbahnfläche 110 und einer
radial inneren Fläche 114 des
inneren Ringes 102.
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Die Öffnungen 111 und 112 sind
jeweils in Umfangsrichtung um den inneren Ring 102 herum
im Abstand zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Öffnungen 111 in
der beispielhaften Ausführungsform
in einem Abstand D stromabwärts
von den Öffnungen 112 beabstandet
angeordnet. Alternativ können
die Öffnungen 111 an
einer beliebigen Stelle in Bezug auf die Öffnungen 112 ausgebildet
sein, die eine Montage des Leitapparates 100 in der hier
beschriebenen Weise unterstützt.
Außerdem
haben die Öffnungen 111 in
der beispielhaften Ausführungsform
einen Durchmesser da, der kleiner ist als
ein Durchmesser do jeder Öffnung 112.
Alternativ kann der Öffnungsdurchmesser
da ungefähr
die gleiche Größe wie der
Anschlussöffnungsdurchmesser
do aufweisen oder größer als dieser sein. Insbesondere weist
jeder Öffnungsdurchmesser
da in der beispielhaften Ausführungsform
ungefähr
die gleiche Größe wie ein
Durchmesser dp jedes darin eingeführten Ausrichtungszapfens 110 auf.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
werden die Ausrichtöffnungen 111 unter
Verwendung eines hochgenauen maschinellen Bearbeitungsprozesses
gebohrt. Alternativ können
die Öffnungen 111 durch
einen beliebigen Prozess erzeugt werden, der den Öffnungen 111 ermöglicht,
in der hier beschriebenen Weise zu funktionieren. Insbesondere erleichtert
die Lage der Öffnungen 111 die
Festlegung des Umfangsabstands zwischen in Umfangsrichtung zueinander
benachbarten Leitschaufelblättern 106 entlang
der inneren Strömungsbahn.
Außerdem
erleichtert die Lage der Öffnungen 111 auch
die Ausrichtung jedes Leitschaufelblattes 106 in Axialrichtung
in Bezug auf den inneren Ring 102 und insbesondere in Bezug
auf die Strömungsbahnfläche 110.
Beispielsweise befinden sich die Öffnungen 111 in einer
modifizierten Ausführungsform
in Strömungsrichtung
vor den Öffnungen 112.
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Die Öffnungen 112 sind
um den inneren Ring 102 in Umfangsrichtung voneinander
beabstandet angeordnet, und jede enthält einen ausgesparten oder
angesenkten Abschnitt 140, der sich von der radial inneren
Fläche 114 aus
nach innen in Richtung auf die Strömungsbahnfläche 110 erstreckt.
Zwischen dem Senkabschnitt 140 und der Strömungsbahnfläche 110 weisen
die Öffnungen 112 einen Durchmesser
do auf, der kleiner ist als ein Durchmesser
dcs des Senkabschnitts 140. In
der beispielhaften Ausführungsform
ist der Durchmesser dcs des Senkabschnitts
größer als
ein Durchmesser dbh jedes darin aufgenommenen
Verbindungsbolzens 150, und der Öffnungsdurchmesser do ist größer als
ein zugehöriger
Durchmesser dbb jedes Verbindungsbolzenschaftes 152.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
werden die Verbindungsöffnungen 112 in
einem hochgenauen maschinellen Bearbeitungsvorgang gebohrt. Alternativ
können
die Öffnungen 112 unter
Verwendung eines beliebigen Prozesses ausgebildet werden, der den Öffnungen 112 ermöglicht,
in der hier beschriebenen Weise zu funktionieren. Insbesondere erleichtert
die Lage der Öffnungen 112 die
Festlegung eines Durchtrittsbereiches, der zwischen in Umfangsrichtung
zueinander benachbarten Leitschaufeln 106 definiert ist.
In der beispielhaften Ausführungsform
sind die Öffnungen 112 etwas überdimensioniert,
um die Vornahme geringer Ausrichtungsmodifikationen zu unterstützen, während einzelne
Durchtrittsbereiche festgelegt werden.
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Bei
der Herstellung des Leitapparates 100 werden am Anfang
die Öffnungen 111 und 112 im Wesentlichen
radial in dem inneren Ring 102 ausgebildet. Eine erste
Leitschaufel 106 wird anschließend in Bezug auf die Strömungsbahnfläche 110 des
inneren Ringes positioniert, und ein Ausrichtzapfen 110 wird
durch Einschieben in einer zugehörigen
Ausrichtöffnung 111 aufgenommen.
Insbesondere wird der Ausrichtzapfen 130 von der inneren
Fläche 114 aus
im Wesentlichen in Radialrichtung durch den Innenring 102 hindurch
und in das Schaufelblatt 106 hinein eingeführt, das
mit der Strömungsbahnfläche 110 in
Anlage positioniert ist. Jeder Zapfen 130 wird in einer
Reibpassung in einer jeweiligen Öffnung 111 aufgenommen.
Die Zapfen 130 unterstützen
die Positionierung der Leitschaufelblätter 106 sowohl in Umfangsrichtung
in Bezug aufeinander als auch in Axialrichtung in Bezug auf die
Strömungsbahnfläche 110 des
inneren Ringes. Alternativ können
mehrere Zapfen 130 verwendet werden, um eine Ausrichtung jedes
Leitschaufelblattes 106 in Bezug auf jedes andere Schaufelblatt
zu unterstützen.
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Die
Leitschaufelblätter 106 werden
anschließend
in Bezug auf den Leitapparat 100 ausgerichtet, und die
Anschlussöffnungen 112 werden
anschließend
in dem inneren Ring 102 sowie in den Leitschaufeln 106 ausgebildet.
In der beispielhaften Ausführungsform
wird der Abschnitt 140 der Öffnungen 112, der
in den Leitschaufeln 112 ausgebildet ist, mit einem Gewinde
versehen. Anschließend
wird in jede Öffnung 112 jeweils
ein Verbindungsbolzen 150 eingeführt, um eine Sicherung jedes
Leitschaufelblattes 106 an dem inneren Ring 102 zu
unterstützen.
Insbesondere kann, selbst wenn die Schraubenbolzen 150 durch
Verschraubung mit jedem Leitschaufelblatt 106 gekoppelt
sind, eine Ausrichtung der Leitschaufelblätter 106 immer noch
geringfügig
gedreht werden, um einzelne Leitschaufeldurchtrittsbereiche einzustellen.
In einer modifizierten Ausführungsform
werden mehrere Schraubenbolzen 150 dazu verwendet, eine
Sicherung jedes Leitschaufelblattes 106 ein dem inneren
Ring 102 zu unterstützen.
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Nachdem
jeder zugehörige
Durchtrittsbereich festgelegt worden ist, wird jedes Leitschaufelblatt 106 durch
Heftschweißung
an dem äußeren Ring 104 angeheftet,
um die Aufrechterhaltung einer Ausrichtung jedes Leitschaufelblattes 106 zu
unterstützen,
wenn andere Leitschaufelblätter 106 innerhalb
des Leitapparates 100 angeschlossen werden. Nach dem jeder
Durchtrittsbereich festgelegt worden ist, werden die Verbindungsbolzen 150 in
den Öffnungen 112 sicher
festgezogen, so dass ein Kopfabschnitt 170 jedes Schraubenbolzens 150 in
dem Senkabschnitt 140 jeder zugehörigen Öffnung aufgenommen wird. Die
Bolzen 150 erzeugen dann als solche keine zusätzlichen
Ringe, Überstände oder
Vorsprünge,
die eine durch den Leitapparat 100 führende Fluidströmung in
negativer Weise beeinflussen könnten.
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Nachdem
die Leitschaufelblätter 106 in
Umfangsrichtung um den inneren Ring 102 herum zueinander
im Abstand angeordnet worden sind und der Außenring 104 durch
Heftschweisung an jedem in dem Leitapparat 100 enthaltenen
Leitschaufelblatt 106 angeheftet worden ist, werden die
Leitschaufelblätter 106 anschließend sicher
oder fest an dem Außenring 104 angeschweißt. In einer
Ausführungsform werden
mehrere zusätzliche
Ausrichtöffnungen (nicht
veranschaulicht) ausgebildet, um eine Sicherung jedes Leitschaufelblattes 106 in
seiner Endausrichtung zu unterstützen.
Die Leitschaufelblätter 106 werden
insbesondere nicht sequentiell, der Reihe nach in Umfangsrichtung
um den Leitapparat 100 herum angeschweißt, sondern vielmehr gemäß Schemen
oder Mustern angeschweißt,
die eine gleichmäßige Schweißung und
eine Reduktion einer Schweißverbiegung
und -verformung unterstützen.
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Demgemäß wird ein
Leitapparat auf eine Weise erzeugt, die im Vergleich zu bekannten
Leitapparaten kosteneffektiver und weniger zeitaufwendig ist. Weil
der Leitapparat 100 einen angeschraubten inneren Ring 102 enthält, werden
bei der Herstellung an dem Leitapparat 100 weniger Schweißarbeiten durchgeführt, so
dass die zur Herstellung des Leitapparates 100 erforderliche
Zykluszeit im Vergleich zu be kannten Leitapparaten verringert ist.
Weil die Anschlussöffnungen 112 des
inneren Ringes geringfügig überdimensioniert
sind, ermöglichen
die Öffnungen 112 außerdem genauere
Begrenzungen bzw. Festlegungen der Durchtrittsbereiche, die in einer kostengünstigeren
Weise vorgenommen werden können,
als dies bei bekannten Leitapparaten möglich ist. Im Ergebnis wird
eine Verbesserung des Leistungsverhaltens und Wirkungsgrads einer
Turbine ermöglicht.
Weil der Leitapparat 100 im Vergleich zu bekannten Leitapparaten
viel weniger Schweißarbeiten
erfordert, ist die Schweißverformung
innerhalb es Leitapparates 100 reduziert, so dass eine
Verbesserung der Turbinenleistung ermöglicht ist.
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Vorstehend
sind beispielhafte Ausführungsformen
von Leitapparaten oder Leiträdern
und Dampfturbinen in Einzelheiten beschrieben. Obwohl die Leitapparate
hier in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Dampfturbine
beschrieben und veranschaulicht sind, versteht es sich, dass die
vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer beliebigen Dampfturbinenkonfiguration
verwendet werden kann. Insbesondere sind die Leitapparate nicht auf
die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt; vielmehr
können
einzelne Aspekte jedes Leitapparates unabhängig und gesondert von sonstigen
Turbinen oder Leitapparaten, wie sie hier beschrieben sind, verwendet
werden.
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Während die
Erfindung hier anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen
beschrieben ist, wird ein gewöhnlicher
Fachmann erkennen, dass die Erfindung in dem Rahmen und Schutzumfang
der Ansprüche
mit Modifikationen ausgeführt werden
kann.
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Es
ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbau von Dampfturbinen 10 geschaffen.
Das Verfahren zum Aufbau einer Dampfturbine enthält eine Bereitstellung eines
ringförmigen äußeren Elementes 104,
eine Bereitstellung eines ringförmigen inneren
Elementes 102, einen Anschluss mehrerer Leitschaufeln 106 an
das innere Element mit Hilfe mehrerer im Wesentlichen radialer Befestigungsanordnungen
in einer derartigen Weise, dass sich die mehreren Leitschaufeln
von dem inneren Element aus im Wesentlichen radial nach außen erstrecken, und
einen Anschluss jeder der mehreren Leitschaufeln an das äußere Element.
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- 10
- Dampfturbine
- 12
- Turbinenstufe
- 14
- Turbinenstufe
- 16
- Rotorwelle
- 18
- Düse
- 20
- Düse
- 22
- Außenmantel
oder -gehäuse
- 24
- unterer
Teilabschnitt
- 26
- Teilabschnitt
- 28
- zentraler
Abschnitt
- 30
- Niederdruckdampfeinlass
- 32
- Achslager
- 34
- Achslager
- 40
- Strömungsverteiler
- 50
- Dampf
- 52
- Strömungspfad,
Strömungsbahn
- 54
- Strömungspfad,
Strömungsbahn
- 100
- Leitrad,
Leitapparat
- 102
- innerer
Ring
- 104
- äußerer Ring
- 106
- Leitschaufel,
Leitschaufelblatt
- 110
- Strömungsbahnoberfläche
- 111
- Öffnungen
- 112
- Öffnungen
- 114
- innere
Fläche
- 130
- Zapfen
- 140
- Senkabschnitt
- 150
- Bolzen
- 152
- Bolzenschaft
- 170
- Kopfabschnitt