-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelanordnung für eine Dampfturbine.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Dampfturbinen werden mit Wasserdampf als Arbeitsmedium betrieben. Der Wasserdampf treibt rotierende Turbinenschaufeln, sog. Laufschaufeln an. Nach dem Durchströmen der rotierenden Turbinenschaufeln wird der Wasserdampf mittels Leitschaufeln in eine gewünschte Richtung gelenkt, um anschließend erneut einer Turbinenschaufelstufe zugeführt zu werden.
-
Aufgrund des Wasserdampfs als Arbeitsmedium wirken große Kräfte auf die Turbinenschaufeln. Zwischen den einzelnen, in Umfangsrichtung benachbarten Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe werden Verstrebungen zur Versteifung der Turbinenschaufeln eingesetzt. Die Verstrebungen sind beispielsweise Deckbänder, Koppeldrähte, Koppelbolzen oder Dämpfungselemente (sog. Snubber). Die bekannten Verstrebungen weisen entweder gute Dämpfungseigenschaften jedoch keine optimale aerodynamischen Eigenschaften auf oder weisen entweder aerodynamischen Eigenschaften jedoch keine guten Dämpfungseigenschaften auf.
-
Darstellung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine robuste Turbinenstufe für eine Dampfturbine bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufelanordnung für eine Dampfturbine gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufelanordnung für eine Dampfturbine beschrieben. Die Turbinenschaufelanordnung weist eine erste Turbinenschaufel auf, wobei die erste Turbinenschaufel einen ersten Strömungsabschnitt aufweist, welcher von einem Arbeitsmedium der Dampfturbine umströmbar ist. Ferner weist die Turbinenschaufelanordnung eine zweite Turbinenschaufel auf, wobei die zweite Turbinenschaufel einen zweiten Strömungsabschnitt aufweist, welcher von dem Arbeitsmedium der Dampfturbine umströmbar ist. Die erste Turbinenschaufel und die zweite Turbinenschaufel sind in Umfangsrichtung der Dampfturbine nebeneinander angeordnet.
-
Ferner weist die Turbinenschaufelanordnung ein Koppelelement auf, welches den ersten Strömungsabschnitt und den zweiten Strömungsabschnitt miteinander koppelt. Das Koppelelement weist eine aerodynamische Profilform auf, wobei das Koppelelement zwischen dem ersten Strömungsabschnitt und dem zweiten Strömungsabschnitt derart angeordnet ist, dass das Koppelelement bei Anströmung des Arbeitsmediums eine Auftriebskraft erzeugt.
-
Die Dampfturbine kann in axialer oder radialer Bauart ausgebildet sein. Als Arbeitsmedium wird in Dampfturbinen vorzugsweise Wasserdampf eingesetzt. Die Dampfturbine weist ein Turbinengehäuse sowie eine drehbar gelagerte Turbinenwelle auf. Die Turbinenwelle dreht sich um eine Drehachse, welche eine axiale Richtung der Dampfturbine definiert. Eine Radialrichtung verläuft durch die Drehachse und ist rechtwinklig zur axialen Richtung ausgebildet. Eine Umfangsrichtung der Dampfturbine wird umlaufend um die Drehachse definiert. Die Radialrichtung ist senkrecht zur axialen Richtung und zur Umfangsrichtung.
-
In einer Dampfturbine werden entlang einer axialen Richtung abwechselnd Leitschaufeln und Laufschaufeln angeordnet. Eine Turbinenstufe besteht z.B. aus Leitschaufeln und davon axial beabstandeten Laufschaufeln. Eine Turbinenschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt eine Leitschaufelanordnung einer Turbinenstufe oder eine Laufschaufelanordnung einer Turbinenstufe.
-
Laufschaufeln einer Turbinenstufe sind an der Turbinenwelle befestigt und werden durch das Arbeitsmedium angetrieben, so dass kinetische Energie des Arbeitsmediums in mechanische Energie umgewandelt wird. Leitschaufeln einer Turbinenstufe sind an ein Turbinengehäuse befestigt. Die Leitschaufeln lenken das Arbeitsmedium in eine gewünschte Strömungsrichtung um.
-
Die Turbinenschaufeln (z.B. die Leitschaufeln und/oder die Laufschaufeln) weisen jeweils einen entsprechenden Strömungsabschnitt auf. Der Strömungsabschnitt befindet sich innerhalb des Arbeitsraumes der Dampfturbine und wird von dem Arbeitsmedium bei Betrieb der Dampfturbine umströmt. Die Turbinenschaufeln weisen in ihrem Strömungsabschnitt ein aerodynamisches Profil auf. Mittels des aerodynamischen Profils wird eine weitere Auftriebskraft erzeugt, um effektiver die kinetische Energie des Arbeitsmediums in mechanische Energie umzuwandeln. Der Strömungsabschnitt einer Turbinenschaufel ist dabei derart angeordnet, dass die erzeugte weitere Auftriebskraft im Wesentlichen in Umfangsrichtung wirkt, um die Laufschaufel und somit die Turbinenwelle anzutreiben.
-
Aufgrund der auf die Turbinenschaufeln wirkenden Kräfte treten große Schwingungen und Verformungen an den Turbinenschaufel auf. Zur Versteifung der Turbinenschaufel wird das Koppelelement zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarter Turbinenschaufel befestigt, um die angrenzenden Turbinenschaufel gegeneinander zu versteifen.
-
Das Koppelelement gemäß der vorliegenden Erfindung weist dabei ein aerodynamisches Profil bzw. eine aerodynamische Profilform auf. Die aerodynamische Profilform ist beispielsweise wie ein Flügelprofil eines Flugzeugs aufgebaut und weist eine Runde Profilnase und eine scharfkantige Profilhinterkante auf. Zwischen der Profilnase und der Profilhinterkante weist das aerodynamische Profil einen gewölbten Verlauf auf. Das aerodynamische Profil unterschiedet sich insbesondere von einer runden Profilform etwa eines Koppelbolzens.
-
Das Koppelelement kann beispielsweise ein symmetrisches Profil aufweisen, welches entlang der Längsachse des Koppelelements spiegelsymmetrisch ist. Das Koppelelement kann ferner beispielsweise ein halbsymmetrisches Profil aufweisen, welches entlang der Längsachse (Skelettlinie) eine unterschiedliche Wölbungshöhe der Unter- und Oberseite des Koppelelements aufweist. Das aerodynamische Profil des Koppelelements kann beispielsweise eine gewölbte (radial äußere) Oberseite und eine flache, nicht gewölbte (radial innere) Unterseite aufweisen. Ferner kann das aerodynamische Profil des Koppelelements ein Normalprofil sein, welches oben (z.B. radial außen) konvex und unten (z.B. radial innen) S-förmig gebogen ist.
-
Das Koppelelement ist insbesondere derart zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarter Turbinenschaufeln gekoppelt, dass das Koppelelement die Turbinenschaufeln versteift. Die mittels des Koppelelements erzeugte Auftriebskraft spannt das Koppelelement und führt zu einer Versteifung des statischen Verbunds der Turbinenschaufeln und des Koppelelements. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Koppelelement derart ausgerichtet, dass die Auftriebskraft entlang der Radialrichtung nach außen, d.h. von der Turbinenwelle weg, wirkt. Bei Anströmung des Koppelelements durch das Arbeitsmedium wird somit die Auftriebskraft erzeugt, welche versucht das Koppelelement zu verformen und somit zu spannen, so dass das Koppelelement versucht beide Turbinenschaufeln zueinander zu ziehen. Dies führt zu einer Versteifung des statischen Verbunds der Turbinenschaufeln und des Koppelelements.
-
Da das aerodynamische Profil des Koppelelements einen besseren aerodynamische Wirkungsgrad als beispielsweise ein kreisförmiger Koppelbolzen aufweist, kann somit der Strömungswiderstand und die Strömungsverluste des Koppelelements reduziert werden. Die erzeugte Auftriebskraft führt zu einer Verstärkung bzw. Versteifung des Koppelelements, so dass das Koppelelement zudem filigraner und schmaler ausgebildet werden kann und dennoch die erforderliche Steifigkeit aufweist.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Koppelelement eine Profilsehne auf, welche die Profilnase und die Profilhinterkante verbindet. Bei Betrieb der Dampfturbine weist das Arbeitsmedium eine definierte Strömungsrichtung auf. Das Koppelelement ist zwischen dem ersten Strömungsabschnitt und dem zweiten Strömungsabschnitt derart angeordnet, dass ein Anstellwinkel zwischen der Profilsehne und der Strömungsrichtung besteht.
-
Die Profilsehne ist eine gerade Linie welche die Profilnase und die Profilhinterkante verbindet. Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums und der Profilsehne. Der Auftrieb bzw. die Auftriebskraft wird bei größer werdendem Anstellwinkel ebenfalls größer, wobei sich ebenfalls der Strömungswiderstand vergrößert.
-
Der Anstellwinkel kann einen Bereich zwischen ungefähr 2° und 45°, insbesondere einen Bereich zwischen ungefähr 5° und ungefähr 30° aufweisen.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Koppelelement zwischen dem ersten Strömungsabschnitt und dem zweiten Strömungsabschnitt einen bogenförmigen Verlauf auf. Insbesondere folgt der bogenförmigen Verlauf des Koppelelements der Umfangsrichtung. Mit anderen Worten weist das Koppelelement im Verlauf zwischen dem ersten Strömungsabschnitt und dem zweiten Strömungsabschnitt einen konstant gleichen radialen Abstand zur Drehachse der Turbinenwelle auf.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Koppelelement einen ersten Randbereich an der ersten Turbinenschaufel, einen zweiten Randbereich an der zweiten Turbinenschaufel und einen Mittelbereich zwischen dem ersten Randbereich und dem zweiten Randbereich auf. Eine Profildicke des ersten Randbereichs und/oder des zweiten Randbereichs ist kleiner als eine Profildicke des Mittelbereichs. Alternativ kann der Mittelbereich schmaler bzw. eine kleinere Profildicke als die Randbereiche aufweisen.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Koppelelement an zumindest der ersten Turbinenschaufel oder der zweiten Turbinenschaufel angeschweißt oder angeklebt.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die erste Turbinenschaufel oder die zweite Turbinenschaufel eine Aufnahmeöffnung auf. Die Aufnahmeöffnung ist derart ausgebildet, dass das Koppelelement in der Aufnahmeöffnung befestigt ist.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Aufnahmeöffnung derart ausgebildet, dass das Koppelelement spielend in der Aufnahmeöffnung befestigt ist. Mit anderen Worten wird eine Spielpassung zwischen dem Koppelelement und der Aufnahmeöffnung gebildet. Aufgrund der Auftriebskraft wird das Koppelelement an eine Seite der Aufnahmeöffnung gepresst, so dass ein starrer Verbund zwischen dem Koppelelement und der entsprechenden Turbinenschaufel hergestellt wird.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Koppelelement mit zumindest der ersten Turbinenschaufel oder der zweiten Turbinenschaufel integral ausgebildet. Beispielsweise kann das Koppelelement und eine der Turbinenschaufeln, z.B. während eines Gußprozesses, einstückig hergestellt werden.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufelanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt eine schematische Darstellung zweier Turbinenschaufeln, welche mit einem Koppelelement gekoppelt sind, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel mit einem Koppelelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
-
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
-
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Turbinenschaufelanordnung 100. Die Turbinenschaufelanordnung 100 kann in einer Turbinenstufe einer Dampfturbine eingesetzt werden.
-
Die Turbinenschaufelanordnung 100 weist eine erste Turbinenschaufel 110 und eine zweite Turbinenschaufel 120 auf. Die erste Turbinenschaufel 110 weist einen ersten Strömungsabschnitt 210 (siehe 2) auf, welcher von einem Arbeitsmedium der Dampfturbine umströmbar ist. Die zweite Turbinenschaufel 120 weist einen zweiten Strömungsabschnitt 220 (siehe 2) auf, welcher von dem Arbeitsmedium der Dampfturbine umströmbar ist.
-
Ferner weist die Turbinenschaufelanordnung 100 ein Koppelelement 130 auf, welches den ersten Strömungsabschnitt 210 und den zweiten Strömungsabschnitt 220 miteinander koppelt.
-
Das Koppelelement 130 weist eine aerodynamische Profilform auf, wobei das Koppelelement 130 zwischen dem ersten Strömungsabschnitt 210 und dem zweiten Strömungsabschnitt 220 derart angeordnet ist, dass das Koppelelement 130 bei Anströmung des Arbeitsmediums eine Auftriebskraft FA erzeugt.
-
Die aerodynamische Profilform des Koppelelements 130 ist derart ausgebildet und das Koppelelement 130 ist derart angeordnet, dass die Auftriebskraft FA im Wesentlichen entlang einer Radialrichtung 102 verläuft. Die Radialrichtung 102 verläuft durch eine Drehachse der Turbinenwelle 140, welche die Axialrichtung 101 der Dampfturbine definiert.
-
Wie in 1 dargestellt weist das Koppelelement 130 zwischen dem ersten Strömungsabschnitt 210 und dem zweiten Strömungsabschnitt 220 einen bogenförmigen Verlauf auf. Der bogenförmige Verlauf des Koppelelements 130 entspricht beispielsweise einer Umfangsrichtung 103 um die Axialrichtung 101.
-
Die Auftriebskraft FA drückt das Koppelelement 130 entlang der Radialrichtung 102 radial nach außen, so dass die angrenzenden Turbinenschaufeln 110, 120 verspannt werden. Somit wird mittels der Auftriebskraft FA der statische Verbund zwischen der ersten Turbinenschaufel 110, der zweiten Turbinenschaufel 120 und den Koppelelement 130 verstärkt.
-
Die Turbinenschaufelanordnung 100 aus 1 kann beispielsweise eine Vielzahl von Leitschaufeln oder Laufschaufeln als Turbinenschaufel 110, 120 aufweisen. Wie in 1 dargestellt, können neben der ersten Turbinenschaufel 110 und der zweiten Turbinenschaufel 120 eine Vielzahl weiterer Turbinenschaufel in Umfangsrichtung 103 angeordnet werden. Zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung 103 benachbarter Turbinenschaufeln 110, 120 können eine Vielzahl weiterer entsprechender Koppelelemente 130 mit einer aerodynamischen Profilform angeordnet werden.
-
Die Turbinenschaufelanordnung 100 aus 1 weist beispielsweise fünf Turbinenschaufeln 110, 120 auf. Zur besseren Übersicht sind nicht alle Turbinenschaufel und Koppelelemente mit eigenen Bezugszeichen versehen.
-
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 2 sind zwei in Umfangsrichtung 103 benachbarte Turbinenschaufeln 110, 120 dargestellt, welche durch ein Koppelelement 130 miteinander gekoppelt sind. Das Koppelelement 130 weist eine aerodynamische Profilform auf, so dass die Auftriebskraft FA, welche im Wesentlichen entlang der Radialrichtung 102 wirkt, erzeugt wird. Das Koppelelement 130 wird dabei mit dem Arbeitsmedium angeströmt, welches entlang einer Strömungsrichtung 201 gegen das Koppelelement 130 strömt.
-
3 zeigt eine detaillierte Darstellung einer ersten Turbinenschaufel 110 und eines Koppelelement 130 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Turbinenschaufel 110 weist eine Aufnahmeöffnung 301 auf, in welcher das Koppelelement 130 aufgenommen und befestigt wird. Die Aufnahmeöffnung 301 kann beispielsweise größer ausgebildet sein als ein Umfang eines Koppelbereichs des Koppelelements 130, so dass der Koppelbereich des Koppelelements 130 eine Spielpassung mit der Aufnahmeöffnung 301 ausbildet.
-
Das Koppelelement 130 ist in 3 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Das Koppelelement 130 weist eine Profilnase 332 und eine Profilhinterkante 333 auf. Das Arbeitsmedium strömt entlang der Strömungsrichtung 201 gegen die Profilnase 332 und strömt von der Profilhinterkante 333 von dem Strömungselement 130 ab. Während des Umströmens des aerodynamischen Profils des Koppelelements 130 erzeugt das Arbeitsmedium eine Auftriebskraft FA. Eine Profilsehne 331 verbindet die Profilnase 332 mit der Profilhinterkante 333. Der Winkel α zwischen der Profilsehne 331 und der Strömungsrichtung 201 des Arbeitsmediums wird als Anstellwinkel α bezeichnet. Der Anstellwinkel α beträgt ungefähr zwischen 0° und 45°, insbesondere ungefähr zwischen 5° und 30°. Mit anderen Worten ist die Profilsehne 331 nicht zwangsläufig parallel mit der Strömungsrichtung 201 des anströmenden Arbeitsmediums gegen das Koppelelement 130 ausgerichtet.
-
Ferner wird in der Schnittdarstellung des Koppelelements 130 die Profildicke 334 gezeigt. Die Profildicke 334 ist der größtmögliche Kreisdurchmesser eines gedachten Kreises innerhalb eines Querschnitts des Koppelelements 130. In einer beispielhaften Ausführungsform variiert die Profildicke 334 des Koppelelements 130. An den Kopplungsbereichen des Koppelelements 130 an den entsprechenden Turbinenschaufeln 110, 120 kann die Profildicke 334 beispielsweise geringer als eine Profildicke 334 in einem Mittelbereich des Koppelelements 130 sein.
-
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
