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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Systeme und Vorrichtungen zum Verbessern des Wirkungsgrades und des Betriebs von Turbomaschinen, welche wie hierin verwendet und sofern nicht anderweitig speziell festgestellt, alle Arten von Turbinen oder Rotationsmaschinen einschließlich Dampfturbinen, Verbrennungsturbinen, Flugzeugtriebwerke, Stromerzeugungsmaschinen und andere umfassen sollen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Mantelstruktur, die mehrere Turbomaschinenleitapparate, eine erste Mantelstruktur und eine von der ersten Mantelstruktur radial außen angeordnete zweite Mantelstruktur aufweist.
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Turbomaschinen, wie z.B. Dampfturbinen oder Gasturbinen, enthalten typischerweise mehrere Turbinenstufen, wobei jede Stufe ein Paar hintereinander angeordneter Statorringe und Rotoren enthält. Die Statorringe (Leitapparate) enthalten Leitschaufel- oder Statorschaufelblätter und die Rotoren enthalten Laufschaufeln oder rotierende Schaufelblätter. Um den Rotor rotieren zu lassen, führen die Leitschaufeln Hochdruck und Hochtemperaturfluid auf die Laufschaufeln in einer Richtung, die bewirkt, dass die Laufschaufeln mit einer zu dem Fluiddruck proportionalen Drehzahl rotieren.
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Zum Lagern der Leitapparate und für eine maximale Fluidausnutzung enthält die typische Turbomaschine eine oder mehrere Außenmäntel oder Mäntel. Der Außenmantel isoliert das Arbeitsfluid von den Umgebungsbedingungen außerhalb der Turbomaschine und lagert auch die Leitapparate und sorgt für deren Ausrichtung. Da die Mantelstrukturen ständig hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind, bestehen diese Strukturen typischerweise aus Legierungsmetallen hoher Qualität und Güte, die hohen Drücken und Temperaturen widerstehen können; je höher der Arbeitsdruck und die Temperatur des Fluids sind, desto dicker ist die Mantelstruktur und besser die Metallqualität. Somit enthalten Turbomaschinen für Anwendungen bei sehr hohem Druck und Temperaturen drei oder mehr konzentrische Mantelstrukturen. Jede Mantelstruktur stellt eine Isolationsschicht gegenüber der Temperatur und dem Druck innerhalb dieses Mantels bereit, um dadurch die Druck- und Temperaturveränderung aufzuteilen. Da die innerste Mantelstruktur den höchsten Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist, ist diese Mantelstruktur die dickste und aus sehr teuerem hoch legiertem Stahl hergestellt; die äußeren Mäntel sind jedoch Zwischendrücken und Temperaturen ausgesetzt und daher sind diese Strukturen relativ dünner und aus leichteren Metallen hergestellt.
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Um Kosten zu verringern, wurden Versuche gemacht, eine oder mehrere Mantelstrukturen wegzulassen. Ein derartiger Versuch lässt den Innenmantel weg und überlässt nur den Außenmantel sowohl die Lagerung des Leitapparates als auch den Einschluss des Druckes und der Temperatur in der Turbomaschine. Diese Struktur stellt jedoch nur eine eingeschränkte Nutzbarkeit in Hochtemperatur und Hochdruckanwendungen zur Verfügung, da der Außenmantel selbst nicht dem hohen Fluiddruck und der Temperatur widerstehen kann. Ferner ist, da nur eine Mantelstruktur verwendet wird, der Mantel im Vergleich zu den in drei Mantelstrukturen verwendeten Außenmänteln dicker. Der Mantel wird aus sehr teuerem Hochlegierungsstahl gegossen, was wiederum zu sehr teuren Konstruktionen führt.
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Demzufolge bleibt ein Bedarf nach innovativen Lösungswegen für effizientere und kosteneffektivere Mantelstrukturen und Leitapparate für Turbomaschinen bestehen.
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US 2 905 434 A beschreibt eine Turbinenmantelstruktur für eine Turbomaschine mit mehreren Leitapparten, einer ersten Mantelstruktur und einer äußeren zweiten Mantelstruktur, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 aufweisen.
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US 2007 / 0 071 594 A1 beschreibt eine Dampfturbine, die mehrere Leitapparate mit Leitapparatringen und Leitschaufeln und eine Mantelstruktur aufweist, wobei die Mantelstruktur einen Kontakt zu den Leitapparatringen entlang eines Abschnitts der Außenoberfläche der Leitapparatringe aufweist.
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GB 1 010 300 A beschreibt eine Turbine mit einer Turbinenmantelstruktur, bei der mehrere Leitapparatringe mittels in Umfangsrichtung in Abstand angeordneter radialer Schrauben aneinander befestigt sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente und kosteneffektive Turbinenmantelstruktur für ein Turbomaschine mit Mantelstrukturen und Leitapparaten zu schaffen, die insbesondere im Wesentlichen abgedichtet sein kann, um eine Dampf- oder Fluidleckage aus dem Inneren der Turbinenmantelstruktur zu verhindern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine Turbinenmantelstruktur für eine Turbomaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 geschaffen. Die Turbinenmantelstruktur enthält: mehrere Leitapparate, wobei jeder Leitapparat eine ringförmig ausgebildete Lagerungsstruktur aufweist, die einen Leitapparatring bildet und eine Reihe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Statorschaufeln in einer solchen Weise positioniert und befestigt, dass die Statorschaufeln ein durch einen Hauptströmungspfad strömendes Arbeitsfluid auf eine Reihe in Umfangsrichtung in Abstand angeordneter Rotorschaufeln in einer mit einem effizienten Turbomaschinenbetrieb konsistenten Weise leiten, und wobei die mehreren Leitapparate so konfiguriert und axial gestapelt sind, dass jeder Leitapparat an dem Leitapparat, der direkt stromaufwärts davon angeordnet ist, wenn er vorhanden ist, und an dem Leitapparat, der direkt stromabwärts davon, wenn er vorhanden ist, anliegt, sodass eine erste Mantelstruktur ausgebildet ist; eine zweite Mantelstruktur, die außerhalb der ersten Mantelstruktur angeordnet ist, wobei die zweite Mantelstruktur eine zylindrisch ausgebildete starre Struktur aufweist, die sich in unmittelbarer Nähe zu der ersten Mantelstruktur befindet und diese umgibt; und eine zwischen einer Außenseite der ersten Mantelstruktur und einer Innenseite der zweiten Mantelstruktur definierte Zwischenkammer; wobei: ein stromabwärts befindliches Ende und ein stromaufwärts befindliches Ende der ersten Mantelstruktur die axiale Länge der ersten Mantelstruktur definieren; eine oder mehrere stromabwärts befindliche radiale Öffnungen an der angenäherten axialen Position des stromabwärts befindlichen Endes der ersten Mantelstruktur definiert sind, wobei jede stromabwärts befindliche radiale Öffnung fluidführend die Zwischenkammer mit dem Hauptströmungspfad der Turbomaschine verbindet; zwischen der axialen Position der stromabwärts befindlichen axialen Öffnungen und der axialen Position des stromaufwärts befindlichen Endes der ersten Mantelstruktur die erste Mantelstruktur so konfiguriert ist, dass die Zwischenkammer im Wesentlichen gegenüber dem Hauptströmungspfad abgedichtet ist; und die erste Mantelstruktur und die zweite Mantelstruktur derart konfiguriert sind, dass sie die Zwischenkammer an dem stromaufwärts befindlichen Ende der ersten Mantelstruktur im Wesentlichen abdichten. Gemäß der Erfindung weist die Abdichtung einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden in dem Leitapparatring ausgebildeten radialen Flansch auf, der für einen Eingriff mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden radialen Nut konfiguriert ist, die in der zweiten Mantelstruktur ausgebildet ist.
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In einigen Ausführungsformen sind die erste Mantelstruktur und die stromabwärts befindlichen radialen Öffnungen so konfiguriert, dass der Druckpegel in der Zwischenkammer dem Druckpegel des Hauptströmungspfades an der axialen Position der stromabwärts befindlichen radialen Öffnungen entspricht. In einigen Ausführungsformen weist die erste Mantelstruktur einen Mantelstruktur-Drucknennwert auf, wobei der Mantelstruktur-Drucknennwert einen angenäherten Druckpegel über der Mantelstruktur entspricht, bei welchem die Mantelstruktur gemäß Auslegung arbeiten soll; und die erste Mantelstruktur ist dafür konfiguriert, einen Mantelstruktur-Drucknennwert zu enthalten, der dem angenäherten Druckabfall in dem Hauptströmungspfad von der axialen Lage des stromaufwärts befindlichen Endes der ersten Mantelstruktur bis zu der axialen Lage der stromabwärts befindlichen radialen Öffnungen der ersten Mantelstruktur entspricht.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Turbomaschine eine Dampfturbine. In einigen Ausführungsformen ist eine Dampfturbine für einen Betrieb bei Drücken größer als 124 bar (1800 psi) und Temperaturen höher als 482 °C (900 °F) ausgelegt. In einigen Ausführungsformen ist die Dampfturbine für einen Betrieb bei Drücken größer als 310 bar (4499 psi) und Temperaturen höher als 621 °C (1149 °F) ausgelegt. In einigen Ausführungsformen beinhalten die mehreren axial gestapelten Leitapparatringe wenigstens 3 Leitapparate. In einigen Ausführungsformen beinhalten die mehreren axial gestapelten Leitapparatringe wenigstens 4 Leitapparate. In einigen Ausführungsformen beinhalten die mehreren axial gestapelten Leitapparatringe wenigstens 6 Leitapparate. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Mantelstruktur in einem Stück ausgebildet.
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In einigen Ausführungsformen steht die zweite Mantelstruktur mit jedem der Leitapparatringe der ersten Mantelstruktur wenigstens über einen Teil der Außenseite der Leitapparatringe in Kontakt. In einigen Ausführungsformen weist die Zwischenkammer einen relativ radial schmalen Hohlraum auf, der in der radialen Breite entlang seines axialen Verlaufs variiert. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Zwischenkammer im Wesentlichen über die volle axiale Länge der ersten Mantelstruktur. In einigen Ausführungsformen ist die Zwischenkammer so konfiguriert, dass der Raum, der in der Zwischenkammer außerhalb des an dem stromabwärts befindlichen Ende der ersten Mantelstruktur angeordneten Leitapparates definiert ist, mit dem Raum, der außerhalb des an dem stromaufwärts befindlichen Ende der ersten Mantelstruktur angeordneten Leitapparates definiert ist, in Fluidverbindung steht. Einige Ausführungsformen enthalten ferner eine dritte Mantelstruktur. In einigen Ausführungsformen weist die dritte Mantelstruktur eine zylindrisch geformte starre Struktur auf, die sich in unmittelbarer Nähe zu der zweiten Mantelstruktur befindet und diese umgibt.
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Einige Ausführungsformen enthalten ferner einen Rücklaufkanal. In einigen Ausführungsformen verbindet der Rücklaufkanal fluidführend die Zwischenkammer mit dem Hauptströmungspfad an einem Rücklaufauslass, und wobei sich die axiale Position des Rücklaufauslasses stromabwärts von der axialen Position der einen oder der mehreren stromabwärts befindlichen radialen Öffnungen befindet. In einigen Ausführungsformen sind die stromabwärts befindlichen radialen Öffnungen, die Zwischenkammer, der Auslass, der Rücklauf und der Rücklaufauslass so konfiguriert, dass im Betrieb die Druckdifferenz des Hauptarbeitsstroms zwischen der axialen Position der radialen Öffnungen und der axialen Position des Rücklaufauslasses eine Zirkulation des Arbeitsfluides von den radialen Öffnungen zu der Zwischenkammer, zu dem Auslass des Rücklaufkanals und zu dem Rücklaufauslass in einer gewünschten Weise bewirkt. In einigen Ausführungsformen sind die mehreren Leitapparatringe aneinander mittels wenigstens einer von mehreren in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Stapelschrauben und mehreren radialen Dübeln befestigt.
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In einigen Ausführungsformen befestigen mehrere vertikale Auflager wenigstens mehrere von den Leitapparatringen der ersten Mantelstruktur starr an der zweiten Mantelstruktur. Einige Ausführungsformen enthalten ferner eine stromabwärts befindliche in der zweiten Mantelstruktur ausgebildete radiale Verstärkungsrippe, die dafür konfiguriert ist, axial wenigstens einen von den Leitapparaten der ersten Mantelstruktur zu halten. In einigen Ausführungsformen weist die stromabwärts befindliche radiale Verstärkungsrippe eine in einer Innenwand der zweiten Mantelstruktur ausgebildete radiale Stufe auf; die stromabwärts befindliche radiale Verstärkungsrippe ist dafür konfiguriert, sich radial mit dem Leitapparat der ersten Mantelstruktur zu überlappen, der sich direkt stromaufwärts vor der stromabwärts befindlichen radialen Verstärkungsrippe befindet; und die radiale Überlappung ist so konfiguriert, dass, sobald der Leitapparat an der stromabwärts befindlichen radialen Verstärkungsrippe anliegt, die stromabwärts befindliche radiale Stufe im Wesentlichen eine Verschiebung des Leitapparates in axialer Stromabwärtsrichtung während des Betriebs verhindert.
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Erfindungsgemäß sind die erste Mantelstruktur und die zweite Mantelstruktur dafür konfiguriert, im Wesentlichen die Zwischenkammer an dem stromaufwärts befindlichen Ende der ersten Mantelstruktur abzudichten. Die Abdichtung weist den in dem Leitapparatring ausgebildeten sich in Umfangsrichtung erstreckenden radialen Flansch auf, der für einen Eingriff mit der sich in Umfangsrichtung erstreckenden radialen Nut konfiguriert ist, die in der zweiten Mantelstruktur ausgebildet ist. In einigen Ausführungsformen weist der radiale Flansch ein flexibles Material dergestalt auf, dass der radiale Flansch im Betrieb zur Aufnahme unterschiedlicher axialer Wärmeausdehnungsraten konfiguriert ist, die zwischen der ersten Mantelstruktur und der zweiten Mantelstruktur bestehen können.
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Diese und weitere Merkmale dieser Anmeldung werden nach Durchsicht der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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Diese und weitere Merkmale dieser Anmeldung werden vollständiger durch ein sorgfältiges Studium der nachstehenden detaillierteren Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich und erkennbar, in welchen:
- 1 eine isometrische Ansicht eines herkömmlichen Leitapparates ist;
- 2 eine Teilaufriß-Schnittansicht einer exemplarischen Turbinenbaugruppe gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
- 3 eine Teilaufriß-Schnittansicht der exemplarischen Turbine von 2 ist, die eine Ringraumbelüftung zeigt;
- 4 eine Teilaufriß-Schnittansicht der exemplarischen Turbine von 2 ist, die eine Dampfentnahme gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt; und
- 5 ein Flussdiagramm ist, das ein exemplarisches Verfahren zum Auswählen einer radialen Öffnung für die Dampfentnahme zeigt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben eine aus einem Leitapparatmantel und einem Außenmantel bestehende Turbinenmantelstruktur. Der Leitapparatmantel, welcher mehrere axial aneinander angrenzende Leitapparate beinhaltet, kann im Wesentlichen abgedichtet sein, um eine Dampf- oder Fluidleckage aus dem Inneren der Leitapparatmantelstruktur zu verhindern, und dadurch die Notwendigkeit des Innenmantels beseitigen. Zu diesem Zweck kann der Leitapparatmantel neue Dichtungsvorrichtungen enthalten, welche eine ausreichende Isolation des Arbeitsfluids von dem Außenmantel sicherstellen. Die Abdichtung verringert die Außenmanteldicke und ermöglicht die Verwendung preiswerterer Metalle für die Herstellung der Außenmäntel. Das Fehlen eines Innenmantels impliziert, dass der Außenmantel näher an den Leitapparaten angeordnet werden kann, was den Radius des Außenmantels und dadurch die für die Herstellung des Außenmantels verwendete Materialmenge verringert. Auf diese Weise können preiswerte und effiziente Turbomaschinen hergestellt werden.
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In einigen Ausführungsformen muss ein zwischen dem Leitapparatmantel und dem Außenmantel ausgebildeter Ringraum an dem stromabwärts befindlichen Ende nicht abgedichtet sein; in derartigen Ausführungsformen kann Fluid aus den stromabwärts befindlichen Stufen diesen Ringraum kühlen. Das Kühlen des Ringraums verringert ferner die Anforderungen an die Außenmanteldicke, da der Außenmantel niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist. Alternativ kann bei im regenerativen Rankine-Zyklus arbeitenden Turbinen der Ringraum abgedichtet sein, und das Fluid, wie z.B. Dampf oder Gas, aus jeder beliebigen Turbinenstufe durch den abgedichteten Ringraum entnommen werden. Diese und weitere Ausführungsformen werden im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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Um die Erfindung der vorliegenden Anmeldung deutlich zu beschreiben, kann es erforderlich sein, eine Terminologie zu wählen, die sich auf bestimmte Maschinenkomponenten oder Teile einer Turbomaschine bezieht und beschreibt. Wenn immer möglich, wird eine übliche Industrieterminologie verwendet und in einer mit ihrer akzeptierten Bedeutung konsistenten Weise angewendet. Jedoch soll jeder derartigen Terminologie eine breite Bedeutung gegeben sein und diese nicht im engen Sinne betrachtet werden, sodass die hierin gewünschte Bedeutung und der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche nicht übertrieben eingeschränkt werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass oft bestimmte Komponenten mit verschiedenen unterschiedlichen Namen bezeichnet werden können. Zusätzlich kann, was hierin als ein einzelnes Teil beschrieben wird, in einem anderen Zusammenhang mehrere Komponententeile enthalten und so bezeichnet sein, oder was hierin als mehrere Komponententeile enthaltend beschrieben wird, kann in einigen Fällen in nur ein Teil zusammengefasst sein und als solches bezeichnet sein. Somit sollte für das Verständnis des Schutzumfangs der hierin beschriebenen Erfindung nicht nur der hierin bereitgestellten Terminologie und Beschreibung, sondern auch der Struktur, der Konfiguration, Funktion und/oder der Verwendung der hierin beschriebenen Komponenten Beachtung gewidmet werden.
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Zusätzlich können hierin mehrere beschreibende Begriffe verwendet werden. Die Bedeutung für diese Begriffe soll folgende Definitionen umfassen. Der Begriff „Rotorschaufel“ ohne weitere Spezifizierung ist ein Bezug auf rotierende Laufschaufeln entweder des Verdichters oder der Turbine, welche sowohl Verdichterrotorschaufeln als auch Turbinenrotorschaufeln enthalten. Der Begriff „Statorschaufel“ ohne weitere Spezifizierung ist eine Bezeichnung der stationären Leitschaufeln entweder des Verdichters oder der Turbine, welche sowohl Verdichterstatorschaufeln als Turbinenstatorschaufeln enthalten. Der Begriff „Schaufeln“ wird hierin zur Bezeichnung jedes Schaufeltyps verwendet. Somit umfasst ohne weitere Spezifizierung der Begriff „Schaufeln“ alle Arten von Turbinenschaufeln einschließlich Verdichterrotorschaufeln, Verdichterstatorschaufeln, Turbinenrotorschaufeln und Turbinenstatorschaufeln.
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Ferner sind, so wie hierin verwendet, „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ Begriffe, die eine Richtung in Bezug auf den Strom des Arbeitsfluids durch die Turbine anzeigen. Somit meint der Begriff „stromabwärts“ die Richtung der Strömung und der Begriff „stromaufwärts“ meint die zur Strömung durch die Turbine entgegengesetzte Richtung. Bezogen auf diese Begriffe beziehen sich die Begriffe „hinten“ und/ oder „Hinterkante“ auf die Stromabwärtsrichtung, das Stromabwärtsende und/oder in der Richtung des Stromabwärtsendes der beschriebenen Komponente befindlich. Zusätzlich beziehen sich die Begriffe „vorne“ und/oder „Vorderkante“ auf die Stromaufwärtsrichtung, das Stromaufwärtsende und/oder in der Richtung des Stromaufwärtsendes der beschriebenen Komponente befindlich. Der Begriff „radial“ bezieht sich auf eine Bewegung einer Position senkrecht zu einer Achse. Er wird oft verwendet, um Teile zu beschreiben, die sich an unterschiedlichen radialen Positionen in Bezug auf eine Achse befinden. In diesem Falle kann, wenn sich eine erste Komponente näher an der Achse als eine zweite Komponente befindet, hierin festgelegt sein, dass die Komponente „innerhalb“ oder „radial einwärts“ von der zweiten Komponente liegt. Wenn sich andererseits die erste Komponente weiter von der Achse weg als eine zweite Komponente befindet, kann hierin festgelegt sein, dass die Komponente „außerhalb“ oder „radial auswärts“ von der zweiten Komponente liegt. Der Begriff „axial“ bezieht sich auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse. Ferner bezieht sich der Begriff „in Umfangsrichtung“ auf eine Bewegung oder Position um eine Achse.
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Bei Bezugnahme auf die Figuren wird der Fachmann erkennen, dass sich die hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen alle mit Dampfturbinen befassen. Es ist jedoch auch erkennbar, dass die exemplarischen Ausführungsformen nur ausgewählt sind, um eine in der vorliegenden Offenlegung dargestellte Anwendung der Prinzipien zu veranschaulichen. Der Fachmann ist in der Lage, diese Prinzipien über den Bereich der verschiedenen Formen von Turbomaschinen hinweg, wie vorstehend beschrieben, anzuwenden. Wie nachstehend gezeigt, wird die in der vorliegenden Offenlegung dargelegte Erfindung nur in den Ansprüchen dargelegt und keine der nachstehenden Diskussionen sollte als den Schutzumfang einschränkend betrachtet werden.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Turbomaschinenleitapparates 100, der aus einem Paar halbkreisförmiger Leitapparatsegmente 102-A und 102-B (hierin nachstehend als Leitapparatsegmente 102 bezeichnet), besteht, die an horizontalen Teilungs- oder Verbindungsflächen (Linie AB) verbunden sind. Jedes Leitapparatsegment 102 trägt eine halbkreisförmige Reihe von radial in Abstand angeordneten Schaufelblättern 104 zwischen einem Leitapparatring 106 und einem Leitapparatsteg 108. Die Schaufelblätter 104 erhöhen die Fluidgeschwindigkeit und verändern die Strömungsrichtung, sodass das Fluid auf Schaufeln auftritt und diese zur Rotation bringt. Die Leitapparatsegmente 102A und 102B sind mittels geeigneter Befestigungselemente, wie z.B. horizontaler Schrauben 110 verbunden. Typischerweise werden zwei horizontale Schrauben 110 verwendet - eine für jede Leitapparatsegment-Verbindungsfläche. Druckstifte 112-A, 112-B und 112-C (hierin nachstehend als Druckstifte 112 bezeichnet) entlang dem Leitapparatumfang bilden einen Sitz mit enger Toleranz aus, um ein Klappern des Leitapparates 100 zu verhindern. Typischerweise werden drei Druckstifte 112 verwendet, einer an jeder Leitapparatsegment-Verbindungsfläche und einer auf der Leitapparatunterseite. Weitere dem Fachmann bekannte Befestigungsvorrichtungen können verwendet werden, um der Notwendigkeit spezieller Implementationen der Offenlegung zu genügen. Es dürfte sich verstehen, dass die Anzahl der Schrauben und Stifte und die Art der Schrauben und verwendeten Stifte zum Verbinden der Leitapparatsegmente 102 abhängig von dem Typ der Turbomaschine variieren können.
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Während des Zusammenbaus werden Leitapparate, wie z.B. der Leitapparat 100 in (nicht dargestellten) Mänteln oder Gehäusen befestigt. Zentrierungsstifte 114 und Lagerungsstangen 116 ermögliche diese Befestigung. Zentrierungsstifte 114, die sich typischerweise an der Leitapparatunterseite befinden, richten den Leitapparat 100 in den Mantel quer aus, und die Lagerungsstangen 116, welche typischerweise auf der Außenseite des Leitapparates 100 vorhanden sind, halten den Leitapparat 100 in dem Mantel/Gehäuse. Diese Lagerungsstangen 116 stehen mit ähnlichen auf der Innenseite des Mantels vorhandenen Verlängerungen in Eingriff, wobei sie den Leitapparat 100 in seiner Lage arretieren und eine vertikale Lagerung und Ausrichtung erzeugen. Ferner ist eine Anhebevorkehrung 118 auf dem Leitapparat 100 vorgesehen, um den Leitapparat 100 in den und aus dem Außenmantel zu heben.
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2 ist eine Teilaufriß-Schnittansicht einer Turbinenbaugruppe, die schematisch eine exemplarische Turbinenmantelstruktur 200 darstellt. 2 - 4 stellen eine Turbinenbaugruppe einer mehrstufigen Hochdruckdampfturbine dar, wobei der Pfeil die Dampfströmungsrichtung (stromabwärts) darstellt. Man erkennt jedoch, dass die Turbinenmantelstruktur 200 in verschiedenen Anwendungen, wie z.B. Gasturbinen, Nuklearturbinen, Turbinen für fossilen Brennstoff, Hochdruckturbinen, Zwischendruckturbinenstufen oder Niederdruckturbinenstufen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung eingesetzt werden kann. Eine Hochdruckdampfturbinenstufe ist hierin lediglich als ein Beispiel zur Beschreibung der verschiedenen Teile der Turbinenmantelstruktur 200 und nicht zur Festlegung des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Dampfturbinenstruktur 200 enthält einen Leitapparatmantel 202 und einen Außenmantel 204, der außerhalb des Leitapparatmantels 202 angeordnet ist und eine (austauschbar als Ringraum 206 bezeichnete) Zwischenkammer 206, die zwischen der Außenseite des Leitapparatmantels 202 und der Innenseite des Außenmantels 204 ausgebildet ist. Der Außenmantel 204 und der Ringraum 206 können sich angenähert über die volle axiale Länge des Leitapparatmantels 202 erstrecken.
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Der Außenmantel 204 kann eine starre Struktur in enger Nähe zu dem und den Leitapparatmantel 202 umgebend sein. Ferner kann der Außenmantel 204 einen Kontakt zu dem Leitapparatmantel 202 entlang wenigstens einem Teil der Außenseite des Leitapparatmantels 202 herstellen. Der Außenmantel 204 schließt den Hochdruck- und Hochtemperaturdampf in der Turbine ein. Daher können der Durchmesser und die Dicke des Außenmantels abhängig von der Anwendung variieren; beispielsweise ist unter Niederdruckbedingungen die Dicke des Außenmantels relativ geringer als die Dicke, die für Situationen bei höherem Druck erforderlich sind. Ferner kann der Außenmantel 204 in einem Stück aus einem Metall ausgebildet sein. Das verwendete Material variiert in Abhängigkeit von der Turbinenanwendung, den Druck- und Temperaturbedingungen in der Turbine usw. Typische Materialien umfassen Kohlenstoffstahl, Chrom-Molybdän-Legierungsstahl, Chrom-Molybdän-Vanadium-Legierungsstahl und Stahl mit hohem Chromanteil.
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Der Ringraum 206 enthält einen relativ schmalen hohlen Raum, der in der radialen Breite entlang der axialen Länge des Leitapparatmantels 202 variieren kann. Zusätzlich kann der Ringraum 206 außerhalb des stromabwärts befindlichen Leitapparatmantelendes mit dem Ringraum 206 außerhalb des stromaufwärts befindlichen Leitapparatmantelendes in Fluidverbindung stehen.
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Der Leitapparatmantel 202 kann eine Anzahl von mehreren axial aneinandergrenzenden Leitapparaten, wie z.B. die Leitapparate 208-A, 208-B, 208-C und 208-D (hierin nachstehend zusammen als Leitapparate 208 bezeichnet) enthalten. Zur Vereinfachung stellt 2 vier axial gestapelte Leitapparate 208 dar, wobei sich jedoch verstehen dürfte, dass die Anzahl der Leitapparate 208 variieren kann. Einige Implementationen können eine drei Leitapparate 208 enthaltende Struktur bereitstellen; alternativ kann der Leitapparatmantel 200 mehr als vier Leitapparate 208 enthalten, und die Anzahl kann auf sechs oder mehr Leitapparate 208 in entsprechenden Installationen ansteigen. Auf der Basis der hierin dargestellten Offenlegung kann der Fachmann die Anzahl der Leitapparate an die Bedürfnisse der speziellen Implementationen anpassen. Abhängig von der Anwendung können die erforderlichen Stufen oder der Turbinentyp und die Anzahl axial gestapelter Leitapparate 208 in dem Leitapparatmantel 202 variieren. Ferner können einer oder mehrere Leitapparatmäntel 208 axial innerhalb des Außenmantels 204 in Abhängigkeit von der Anzahl der erforderlichen Stufen angeordnet sein.
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Jeder Leitapparat 208 kann einen Leitapparatring 210, einen Leitapparatsteg 212 und mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Leit- oder Statorschaufeln 214 enthalten, die zwischen dem Leitapparatring 210 und dem Leitapparatsteg 212 gelagert sind. Die aneinandergrenzenden Leitapparate 208 dichten im Wesentlichen den Hauptströmungspfad ab, indem sie eine Mantelstruktur ausbilden, die die Funktion eines herkömmlichen Innenmantels ausführen kann.
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Hier sind die Leitapparate 208 mechanisch verbunden. Andere Konstruktionen können das funktionelle Äquivalent dieser Anordnung durch geeignete Verbindungsmechanismen erreichen. In einer Ausführungsform können die Leitapparate 208 in Paaren beispielsweise so verbunden sein, dass der erste stromaufwärts befindliche Leitapparat 208-A mechanisch mit dem benachbarten stromabwärts befindlichen Leitapparat 208-B verbunden sein kann. Dieser Leitapparat 208-B kann wiederum mechanisch mit dem nächsten stromabwärts befindlichen Leitapparat 208-C verbunden sein, wobei sich dieser Vorgang wiederholt, bis alle Leitapparate 208 verbunden sind. In einer alternativen Ausführungsform können axiale Löcher durch die Leitapparate 208 hindurchgebohrt sein und eine oder mehrere Stangen können alle Leitapparate 208 miteinander verschrauben. Für die Verbindung von Leitapparatringpaaren 210 kann jedes mechanische Formteil verwendet werden. Diese Formteile sind im Fachgebiet allgemein bekannt, und es versteht sich, dass das verwendete Formteil nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung bestimmt.
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Ein exemplarisches Verbindungsverfahren ist in 2 dargestellt. Hier werden Falzverbindungen 216 und Stapelschrauben 218 kombiniert, um die Leitapparatringe 210 zu verbinden. Aneinandergrenzende Leitapparatränder sind so strukturiert, dass sie die Falzverbindung 216 bilden, wobei ein Leitapparat 208 eine Nut enthält und der andere einen Vorsprung, welche zusammenpassen. Beispielsweise kann der Leitapparat 208-A eine Nut enthalten, während der Leitapparat 208-B einen Vorsprung enthält. Ein Loch kann durch diese Falzverbindung 216 gebohrt sein, und die Stapelschraube 218 kann sich durch das Loch unter Abdichtung der Falzverbindung 216 erstrecken. Alternativ kann ein Loch durch den gesamten Stapel der Leitapparate 208 gebohrt sein, und nur eine einzige Stapelschraube, wie z.B. die Stapelschraube 218, kann alle Leitapparate 208 befestigen. Jedes Leitapparatpaar enthält ferner radiale Dübel 220; abhängig von der Anwendung kann die Anzahl der radialen Dübel 220 variieren. In einer Ausführungsform kann jedes Leitapparatpaar sechs radiale Dübel 220, drei auf der oberen Hälfte des Leitapparates 208 und drei auf der unteren Hälfte enthalten. Die radialen Dübel 220 sorgen für eine Ausrichtung in Umfangsrichtung des Leitapparates und übertragen das Reaktionsdrehmoment aus den Leitapparaten 208 auf den Außenmantel 204. Weitere Ausführungsformen können mehr oder weniger radiale Dübel 220 wie im Fachgebiet bekannt enthalten. Diese radialen Dübel 220 sind typischerweise Stifte oder Metallblöcke, die in Löchern in den angrenzenden Abschnitten von zwei Leitapparaten 208 teilweise in dem einem Leitapparat 208 und teilweise in dem andern sitzen, um diese in Bezug zueinander auszurichten.
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Die mechanisch verbundenen Leitapparate 208 können im Wesentlichen abgedichtet sein, um eine Dampfleckage aus dem Hauptströmungspfad in den Ringraum 206 zu beseitigen oder zu reduzieren. Verschiedene Dichtungsmechanismen können verwendet werden, um dieses Ergebnis zu erzielen; Beispiele können einen Sperrsitz 222, einen oder mehrere Dichtungskeil(e) 224, eine oder mehrere horizontale Schraube(n) 226, eine oder mehrere axiale Lagerung(en) 228 oder eine axiale Dichtung 230 beinhalten. Das stromaufwärts befindliche Ende der Turbinenmantelstruktur 200 kann axial angrenzend an die Hinterkante der (nicht dargestellten) ersten Stufe der Turbine angeordnet sein, welche bei dem höchsten Druck und der höchsten Temperatur in der Dampfturbine arbeitet. Der Sperrsitz 222 kann in Umfangsrichtung um den Ringraum 206 und den Außenmantel 204 an diesem stromaufwärts befindlichen Ende sitzen und den Hochdruck und Hochtemperaturdampf stromaufwärts von dem Sperrsitz 222 isolieren, sodass Umgebungsbedingungen stromabwärts von dem Sperrsitz 222 wie gewünscht gesteuert werden können. Die Steuerung dieser Bedingungen stellt sicher, dass der Außenmantel 204 nicht den relativ hohen Drücken und Temperaturen der ersten Stufe ausgesetzt wird. Der Sperrsitz 222 kann unter Verwendung eines flexiblen, wärme- und drucktoleranten Materials ausgebildet sein, um die unterschiedlich axialen Ausdehnungen zwischen der ersten Stufe stromaufwärts vor dem Sperrsitz 222 und dem Außenmantel 204 aufzunehmen. Unter den für die Herstellung des Sperrsitzes 222 verwendeten flexiblen Materialien befinden sich Kohlenstoffstahl, Chrom-Molybdän-Legierungsstahl, Chrom-Molybdän-Vanadium-Legierungsstahl, Legierungsstahl mit hohem Chromanteil und Nickellegierungen.
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Der Dichtkeil 224 kann sich entlang der horizontalen Verbindungsstelle jedes Leitapparates erstrecken, um dadurch Leckagepfade entlang gegenüberliegenden Flächen der Leitapparatsegmente eliminieren oder minimieren. In einer Ausführungsform können die Leitapparate 208 eng aneinanderliegend gestapelt sein, sodass die Dichtkeile 224 von jedem Leitapparat 208 so nahe aneinander wie möglich positioniert sein können. Diese Anordnung stellt eine effektive Dichtung zwischen den horizontalen Verbindungsstellen bereit. Alternativ kann der Dichtkeil 224 eine spaltlose Dichtung entlang der horizontalen Verbindungsstelle der Leitapparate 208 ausbilden. Zu diesem Zweck können (nicht dargestellte) Halterungskeile die Spalte zwischen den Leitapparaten 208 überdecken, und der Dichtkeil 224 kann sich entlang der horizontalen Verbindungsstellen erstrecken. Dichtkeile sind ausreichend im Fachgebiet bekannt und werden deshalb hier nicht im Detail beschrieben.
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Die horizontalen Schrauben 226, welche entlang der horizontalen Verbindungsstelle der Leitapparate vorgesehen sein können, können ebenfalls die Leckage minimieren. Herkömmlicherweise wird eine horizontale Schraube pro Leitapparat 208 verwendet. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedoch mehrere horizontale Schrauben 226 pro Leitapparat 208 verwenden. In einer Ausführungsform können die horizontalen Verbindungsstellen unter Verwendung vieler horizontaler Schrauben 226 abgedichtet werden, da sie axial entlang der horizontalen Verbindungsstelle des Leitapparates sitzen können. Alternativ kann eine spezifizierte Anzahl horizontaler Schrauben 226 pro Leitapparat 208 verwendet werden. Die Dichtkeile 224 und horizontalen Schrauben 226 beseitigen oder reduzieren zusammen wesentlich die Leckage in dem Ringraum 206 durch die horizontale Verbindungsstelle.
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Zusätzlich zu den horizontalen Dichtungen (wie z.B. den Dichtkeilen 224 und den horizontalen Schrauben 226) können die axiale Lagerung 228 oder die axiale Dichtung 230 dazu verwendet werden, den Ringraum 206 abzudichten. Axiale Halterungen werden herkömmlicherweise in Dampfturbinen eingesetzt und können auch in anderen Turbinenanwendungen eingesetzt werden. Diese Halterungen stellen Befestigungen bereit, um die Leitapparate 208 axial zu lagern. Die axiale Lagerung 228 erzeugt einen lokalen Sitz um den letzten stromabwärts befindlichen Leitapparat, den Leitapparat 208-D, und erstreckt sich nicht in Umfangsrichtung um den Leitapparat 208-D; demzufolge kann diese Halterung in bestimmten einflutigen Maschinen nützlich sein, in welchen der Dampf in den Ringraum 206 strömen darf. Alternativ kann die axiale Dichtung 230 dazu verwendet werden, den Ringraum 206 zwischen dem stromabwärts befindlichen Ende des Leitapparatmantels und dem Außenmantel 204 abzudichten. Die axiale Dichtung 230 ist eine Umfangsdichtung, die im Wesentlichen den Ringraum 206 abdichtet. Es dürfte sich verstehen, dass verschiedene andere bekannte Dichtungen verwendet werden können, um den Ringraum 206 ohne Abweichung von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzudichten.
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Der abgedichtete Leitapparatmantel 202 beschränkt den Hochdruck- und Hochtemperaturarbeitsdampf auf dem Dampfströmungspfad und erübrigt damit die Notwendigkeit eines Innenmantels. Ferner bietet die axiale Dichtung 230 den Vorteil einer Abdichtung des Ringraums 206, und somit einer Steuerung der Temperatur und des Druckes in dem Ringraum 206. Diese Maßnahme ermöglicht die Herstellung dünnerer und preiswerterer Außenmäntel, was wiederum die Kosten der Turbine erheblich reduzieren kann.
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Der Leitapparatmantel 202 kann ferner herkömmliche Schrauben und Lagerungen enthalten, um die Leitapparate 208 in den Nuten in dem Außenmantel 204 in Position zu halten. Beispielsweise können in einer Ausführungsform vertikale Lagerungen 232 (Halterungsstäbe 116 von 1) entlang des Umfangs der Leitapparatringe 210 vorgesehen sein. Jeder Leitapparatring 210 kann zwei vertikale Lagerungen 232 (nur eine vertikale Halterung 232 ist dargestellt) enthalten, um den Leitapparatmantel 202 in dem Außenmantel 204 zu haltern. In einer weiteren Ausführungsform können alternative Leitapparatringe 210 vertikale Lagerungen 232 enthalten. Druckstifte 234 können ebenfalls zum Fixieren des Leitapparatmantels 202 verwendet werden und um ein Klappern der Leitapparate 208 auszuschließen. In einer Ausführungsform werden drei Druckstifte 234 pro Leitapparat 208 eingesetzt; diese Druckstifte 234 werden in der unteren Hälfte des Leitapparates verwendet. Zusätzlich können einer oder mehrere Zentrierungsstifte 236 in Umfangsrichtung an dem unteren Ende der Leitapparate 208 angeordnet sein. Wie in der Figur dargestellt, können zwei Zentrierungsstifte 236 - einer an dem unteren Ende des Leitapparates 208-D und der andere an dem unteren Ende des Leitapparates 208-B verwendet werden. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass die Zentrierungsstifte 236 stattdessen an dem oberen Ende der Leitapparate angeordnet sein können, oder dass die Zentrierungsstifte 236 auf den Leitapparaten 208-A und 208-C oder irgendeiner anderen Kombination der Leitapparate 208 ohne Abweichung von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung angeordnet sein können. Diese Zentrierungsstifte 236 sind relativ größer als herkömmliche Zentrierungsstifte 114 und stellen eine Querausrichtung bereit. Es dürfte sich verstehen, dass andere herkömmliche Schrauben, Sitze, Halterungen oder Muttern verwendet werden können, um den Leitapparatmantel 202 und den Außenmantel 204 zu fixieren, haltern, auszurichten oder abzudichten. Diese Werkzeuge sind im Fachgebiet allgemein bekannt und erfordern hier keine weitere Erläuterung.
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In bestimmten Situationen mit extrem hohem Druck kann die Turbinenmantelstruktur 200 einen zweiten (nicht dargestellten) Außenmantel außerhalb des Außenmantels 204 enthalten, um die Druck- und Temperaturänderung aufzuteilen. Der zweite Außenmantel kann eine zylindrische starre Struktur in unmittelbarer Nähe zu dem und den Außenmantel 204 umgebend haben. Es ist zu erkennen, dass die Dicke und Zusammensetzung des zweiten Außenmantels abhängig von dem Druck und der Temperatur der gewünschten Anwendung variieren kann.
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Die Turbinenmantelstruktur 200 kann in Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen von etwa 124 bar (1800 psi) bis etwa 310 bar (4500 psi) und 485 °C (900 °F) bis etwa 625°C (1150 °F) und bevorzugt in Anwendungen von etwa 165,5 bar (2400 psi) bis etwa 241,4 bar (3500 psi) und 538 °C (1000 °F) bis etwa 593 °C (1100 °F) eingesetzt werden. In Anwendungen mit sehr hohem Druck und Temperatur werden typischerweise dreiwandige Strukturen implementiert, welche konzentrische Ringe eines Außenmantels, eines Innenmantels und einen Leitapparatkasten enthalten. Durch Implementieren wenigstens einer der Lehren der vorliegenden Erfindung kann der Innenmantel weggelassen und der Außenmantel 204 in Umfangsrichtung näher an dem Leitapparatmantel 202 im Vergleich zu den herkömmlichen dreiwandigen Strukturen angeordnet werden. Diese Anordnung erzeugt einen preiswerten Turbinenaufbau, da der Innenmantel weggelassen und der Außenmantel 204 im Durchmesser verringert wird (was den Materialbedarf verringert). Ferner können, wenn der Außenmantel 204 kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, weniger teure Materialien für die Herstellung dieser Komponente eingesetzt werden.
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In Anwendungen mit niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur werden typischerweise einwandige Strukturen implementiert, welche nur einen Außenmantel enthalten. In diesen Anwendungen wird ein herkömmlicher Außenmantel dem Druck und der Temperatur seiner Stufe ausgesetzt. Daher wird die Außenmanteldicke durch die Stufenverhältnisse bestimmt, was impliziert, dass der Außenmantel in den stromaufwärts befindlichen Stufen dicker als in den stromabwärts befindlichen Stufen ist. Der abgedichtete Leitapparatmantel 202 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellt jedoch sicher, dass entweder der Außenmantel 204 im Wesentlichen von allen Stufenverhältnissen (wenn die axiale Dichtung 230 verwendet wird) abgeschirmt ist, oder nur den relativ niedrigen Verhältnissen der letzten Stufe (wenn die axiale Lagerung 228 verwendet wird) ausgesetzt ist. Diese Eigenschaft des Leitapparatmantels 202 ermöglicht die Reduzierung in der Außenwanddicke und die Nutzung von preiswerterem Material zur Herstellung des Außenmantels 204 und dadurch eine Verringerung der Turbinenkosten.
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3 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Teilaufriß-Schnittansicht der Turbinenmantelstruktur 200 dar, die eine Ringraumdruckbeaufschlagung und Ventilation veranschaulicht. Die Druckbeaufschlagung betrifft die Anpassung des Druckes in dem Ringraum, um den Druckabfall über den Membranen zu verringern, während die Ventilation die Wahl der „optimalen“ Ringraumtemperatur abhängig von dem verwendeten Membranmaterial betrifft. In dieser Ausführungsform wird die axiale Lagerung 228 anstelle der axialen Dichtung 230 verwendet. Demzufolge ist der Ringraum 206 nicht abgedichtet, sondern stattdessen dem Druck der letzten Stufe ausgesetzt. Dampf mit niedrigerer Temperatur und niedrigerem Druck aus dem Hauptströmungspfad kann in den Ringraum 206 aus der letzten stromabwärts befindlichen Stufe (Leitapparat 208-D) eindringen, und dieser Dampf kühlt den Ringraum 206 von dem stromabwärts befindlichen Ende zu dem stromaufwärts befindlichen Ende angrenzend an den Sperrsitz 222. Aus dem stromaufwärts befindlichen Ende kann der Dampf den Außenmantel 204 durch äußere Rohre 302 verlassen und diese Rohre können den Dampf an jeder beliebigen Stufe des Leitapparatmantels 202 wieder einführen. Alternativ können die externen Rohre 302 den Dampf, anstelle einer Wiedereinführung des Dampfes, von dem stromaufwärts befindlichen Ende einem Kondensator, einem Speisewassererwärmer oder irgendeiner ähnlichen im Fachgebiet bekannten externen Vorrichtung zuführen.
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In weiteren Ausführungsformen kann Dampf aus einer beliebigen Zwischenstufe stattdessen genutzt werden, um den Ringraum 206 zu kühlen. Jede Turbinenstufe arbeitet bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und Drücken und im Wesentlichen fallen sowohl der Dampfdruck als auch die Temperatur, während der Dampf stromabwärts wandert. Abhängig von dem gewünschten Druckabfall kann eine geeignete Stufe ausgewählt werden, um den Ringraum 206 zu kühlen oder unter Druck zu setzen. Zu diesem Zweck kann die axiale Dichtung 230 anstelle der axialen Lagerung 228 verwendet werden, und der gesamte Ringraum 206 kann abgedichtet werden. Dann kann eine radiale Öffnung 304 in die geeignete Stufe gebohrt und Dampf aus dieser Stufe kann genutzt werden, um den Ringraum 206 zu kühlen oder unter Druck zu setzen. Wiederum werden externe Rohre 302 verwendet, um den Dampf aus dem Ringraum 206 zurück in den Leitapparatmantel 202 zirkulieren zu lassen. Das externe Rohr 302 kann ein Ventil 306 enthalten, das den Dampf bei einem erforderlichen Druck wieder in den Leitapparatmantel 202 einführt. Abhängig von dem Druck und der Temperatur des rückgeführten Dampfes werden radiale Öffnungen 304 für die Wiedereinführung des Dampfes bei der geeigneten Stufe gebohrt. Beispielsweise kann, jedoch nicht im Sinne einer Einschränkung, wenn der Arbeitsdampf aus der Stufe 3 den Ringraum 206 kühlt, dann nach der Zirkulation der Dampf wieder in den Hauptströmungspfad entweder durch die Stufen 4 oder 5 abhängig von der Temperatur und dem Druck des wiedereingeführten Dampfes eintreten.
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Da der Dampf aus einer relativ kühlen Stufe entnommen wird, kühlt die Ventilation den Außenmantel 204 auf die Temperatur dieser Stufe. Dieser Kühlvorgang ermöglicht eine Verringerung der Wanddicke, Verschraubung und Mantelanforderungen des Außenmantels 204 und verringert die Kosten des Außenmantels.
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4 stellt eine weitere Ausführungsform der Turbinenmantelstruktur 200 dar. Die Figur ist eine Teilaufriß-Schnittansicht, die schematisch eine Entnahmeanordnung zum Entnehmen von Dampf aus dem Leitapparatmantel 202 darstellt. In bestimmten Ausführungsformen, wie z.B. Entnahmeturbinen und regenerativen Rankine-Turbinen wird Dampf aus einer oder mehreren Stufen bei einem oder mehreren Drücken für verschiedene Anwendungen, wie z.B. Heizung, Anlagenprozess oder Speisewasser-Erwärmeranforderungen entnommen.
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Diese Offenlegung beschreibt zwei Dampfentnahme-Ausführungsformen. In einer Ausführungsform kann der Dampf aus jeder mit 2, 3 oder 4 bezeichneten Stufe entnommen werden; und in der zweiten Ausführungsform kann der Dampf aus der mit 5 bezeichneten Stufe entnommen werden. In der ersten Ausführungsform dichtet die axiale Dichtung 230 den Ringraum 206 ab. Abhängig von der erforderlichen Temperatur und dem Druck können radiale Öffnungen 304 in der Richtung der Pfeile gebohrt werden, was einen Eintritt des Dampfes in den Ringraum 206 von dieser Stufe aus ermöglicht. Eine Entnahmeverbindung 402 zieht den Dampf aus dem Ringraum 206 ab und liefert den Dampf an nicht dargestellte Speisewassererwärmer. Die Entnahmeverbindung 402 kann typische Entnahmeöffnungen, Rohre oder Leitungen enthalten, welche sich von dem Ringraum 206 zu der Außenoberfläche des Außenmantels 204 erstrecken und von der Außenoberfläche des Außenmantels 204 zu einer Entnahmebaugruppe. Eine typische Entnahmebaugruppe kann hinter der Entnahmeverbindung 402 eingesetzt werden.
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Für die zweite Ausführungsform wird die axiale Unterstützung 228 verwendet. Hier tritt Dampf aus der letzten stromabwärts befindlichen Stufe in den Ringraum 206 ein. Die Entnahmeverbindung 402 entnimmt diesen Dampf aus dem Ringraum 206 durch den Außenmantel 204. Unter Verwendung der in dieser Offenlegung beschriebenen Turbinenmantelstruktur 200 kann der Dampf aus jeder Stufe entnommen werden, indem einfach die Ringraumdichtung von der axialen Dichtung 230 auf die axiale Lagerung 228 verändert wird.
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Auswählen einer geeigneten radialen Öffnung für die Dampfentnahme darstellt. Das Verfahren kann die Ermittlung des erforderlichen Dampfdruckes und der Temperatur für die Entnahme bei dem Schritt 502 beinhalten. Hier können auf der Basis der Anwendung der benötigte Entnahmedruck und die Temperatur variieren. Beispielsweise kann für Speisewasser-Erwärmungsanwendungen Dampf mit höherer Temperatur und Druck verwendet werden, während für Kühlanwendungen es erwünschter sein kann, Dampf mit niedrigerer Temperatur und Druck zu verwenden.
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Bei dem Schritt 504 kann der letzte stromabwärts befindliche Leitapparat 208-D gewählt werden. Der nächste Schritt, Schritt 506, kann den Stufendruck mit dem Entnahmedruck vergleichen, um die geeignetste Leitapparatstufe zu bestimmen. Es dürfte sich verstehen, dass zum Entnehmen von Dampf aus der Turbinenmantelstruktur 200 der Dampfdruck der Stufe höher als der Entnahmedruck sein sollte. Ferner dürfte es sich verstehen, dass die Turbinenmantelstruktur 200 auch einen Dampfzutritt ermöglicht, wenn der Druck des Dampfes niedrigerer als der Eintrittsdruck ist. Der Vergleich beginnt von der letzten stromabwärts befindlichen Stufe 208-D aus. Wenn der Druck an diesem Leitapparat 208-D niedriger als der erforderliche Entnahmedruck ist, kann das Verfahren 500 zu dem nächsten stromaufwärts befindlichen Leitapparat (Leitapparat 208-C) wechseln und den Druck dieser Stufe mit dem Entnahmedruck vergleichen. Dieser Prozess setzt sich fort, bis das Verfahren 500 nach einem Vergleich feststellt, dass der Druck einer bestimmten Stufe höher als der erforderliche Entnahmedruck ist.
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Der Schritt 508 kann die Entnahmetemperaturen mit den Temperaturen bei jeder Stufe vergleichen, um die am besten geeignete Stufe zu bestimmen. Für eine Speisewasser-Erwärmungsanwendung wird die Stufe so gewählt, dass die Stufentemperatur höher als die Entnahmetemperatur ist; für Kühlanwendungen die Stufe dagegen so gewählt wird, dass die Stufentemperatur niedriger als die Entnahmetemperatur ist. In einer Ausführungsform (in einer Speisewasser-Erwärmungsanwendung) beginnt das Verfahren 500 mit dem Vergleich von dem bei der Stufe 504 gewählten Leitapparat 208 aus. Wenn die Temperatur dieser Leitapparatstufe größer als die erforderliche Entnahmetemperatur ist, geht das Verfahren 500 zu dem Schritt 510 über. Alternativ kehrt das Verfahren 500 zu dem Schritt 506 zurück und ermittelt den Druck und die Temperatur des nächsten stromaufwärts befindlichen Leitapparates 208. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis das Verfahren die am besten geeignete Stufe ermittelt.
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Bei dem Schritt 510 kann eine Ermittlung erfolgen, ob der am besten geeignete Leitapparat 208 der letzte stromabwärts befindliche Leitapparat 208-D ist. Wenn die am besten geeignete Stufe der letzte stromabwärts befindliche Leitapparat 208-D ist, kann der Prozess zu dem Schritt 512 übergehen und die axiale Lagerung 228 kann verwendet werden, welche es ermöglicht, dass Dampf aus der letzten Stufe in den Ringraum 206 eintritt. Die Entnahmeverbindung 402 liefert den Dampf der letzten Stufe an eine externe Vorrichtung, wie z.B. an einen (nicht dargestellten) Speisewassererwärmer. Wenn andererseits eine beliebige andere Stufe als die geeignetste Stufe gewählt wird, kann das Verfahren 500 zu dem Schritt 514 übergehen, und die axiale Dichtung 230 kann verwendet werden. Bei diesem Schritt wird der Ringraum 206 im Wesentlichen abgedichtet und eine radiale Öffnung, wie z.B. die radiale Öffnung 304 kann in die am besten geeignete Leitapparatstufe gebohrt werden. Der Dampf aus dieser Stufe kann in den Ringraum 206 austreten und die Dampfturbine durch die Entnahmeverbindung 402 verlassen.
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Wie ein Fachmann erkennt, können ferner die vorstehend beschriebenen vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen in Bezug auf die verschiedenen exemplarischen Ausführungsformen selektiv angewendet werden, um andere mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszubilden. Zur Abkürzung und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Fachmanns werden nicht alle möglichen Wiederholungen im Detail dargestellt oder diskutiert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die durch die nachstehenden verschiedenen Ansprüche oder anderweitig umfasst werden, Teil der vorliegenden Anmeldung sein sollen. Zusätzlich wird, wie durch die vorstehende Beschreibung angezeigt, die Darstellung verschiedener exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung dem Fachmann ermöglichen, Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen zu erkennen. Derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb des Stands der Technik sollen ebenfalls durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt sein. Ferner dürfte ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betrifft, und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Anmeldung gemäß Definition durch die nachstehenden Ansprüche oder deren Äquivalente ausgeführt werden können.
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Es wird eine Mantelstruktur für eine Turbomaschine bereitgestellt, die mehrere Leitapparate 208 enthält, wobei jeder Leitapparat 208 aufweist: eine ringförmig ausgebildete Lagerungsstruktur, die eine Reihe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Statorschaufeln 214 positioniert und befestigt, und wobei die mehreren Leitapparate 208 so konfiguriert und axial gestapelt sind, dass jeder Leitapparat 208 an dem Leitapparat 208, der direkt stromaufwärts davon angeordnet ist, und an dem Leitapparat, der direkt stromabwärts davon, dergestalt anliegt, sodass eine erste Mantelstruktur ausgebildet wird; eine zweite Mantelstruktur 204, die außerhalb der ersten Mantelstruktur 202 angeordnet ist; und eine zwischen einer Außenseite der ersten Mantelstruktur 202 und einer Innenseite der zweiten Mantelstruktur 204 definierte Zwischenkammer 206; wobei eine oder mehrere stromabwärts befindliche radiale Öffnungen 304 an der angenäherten axialen Position des stromabwärts befindlichen Endes der ersten Mantelstruktur 202 definiert sind, und wobei jede stromabwärts befindliche radiale Öffnung 304 fluidführend die Zwischenkammer 206 mit dem Hauptströmungspfad der Turbomaschine verbindet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leitapparat
- 102
- Leitapparatsegment
- 104
- Schaufelblätter
- 106
- Leitapparatring
- 108
- Leitapparatsteg
- 110
- horizontale Schrauben
- 112
- Druckstifte
- 114
- Zentrierungsstifte
- 116
- Haltestangen
- 118
- Anhebevorrichtung
- 200
- Turbinenmantelstruktur
- 202
- Leitapparatmantel, erste Mantelstruktur
- 204
- Außenmantel, zweite Mantelstruktur
- 206
- Ringraum, Zwischenkammer
- 208
- Leitapparat
- 210
- Leitapparatring
- 212
- Leitapparatsteg
- 214
- Statorschaufeln
- 216
- Falzverbindung
- 218
- Stapelschraube
- 220
- radiale Dübel
- 222
- Sperrsitz
- 224
- Dichtungskeil
- 226
- horizontale Schrauben
- 228
- axiale Halterung, radiale Verstärkungsrippe
- 230
- axiale Dichtung
- 232
- vertikale Lagerung bzw. Halterung
- 234
- Druckstifte
- 236
- Zentrierungsstifte
- 302
- externe Rohre
- 304
- radiale Öffnungen
- 306
- Ventil
- 402
- Entnahmeverbindung
