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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Axialturbine, die für eine Dampfturbine, Gasturbine oder dergleichen in Kraftwerken verwendet wird.
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2. Beschreibung zum Stand der Technik
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Eine Axialturbine umfasst beispielsweise eine Vielzahl von Leitschaufeln, die zwischen einem ringförmigen Membranaußenring und einem ringförmigen Membraninnenring vorgesehen sind, eine Vielzahl von Rotorschaufeln, die auf der Außenumfangsseite eines Rotors vorgesehen sind, sodass die Rotorschaufeln auf der nachgelagerten Seite der Leitschaufeln angeordnet sind, und ein ringförmiges Abdeckblech, die auf der Außenumfangsseite der Rotorschaufeln vorgesehen ist. Auf der Innenumfangsfläche des Membranaußenrings wird ein ringförmiger Nutabschnitt mit dem Abdeckblech und zwischen dem Nutabschnitt und dem Abdeckblech ein Spaltströmungspfad oder ein Umgehungsströmungspfad gebildet. Dann strömt ein Teil eines Arbeitsmediums, nämlich Dampf, Gas und dergleichen von der nachgelagerten Seite der Leitschaufeln, d.h. der vorgelagerten Seite des Rotorschaufeln, im Hauptströmungspfad als Leckströmung in den Spaltströmungspfad und strömt aus dem Spaltströmungspfad zur nachgelagerten Seite der Rotorschaufeln im Hauptströmungspfad. Dementsprechend wird die Energie der Leckströmung nicht als Antriebskraft für den Rotor genutzt und es kommt zu Umgehungsverlusten. Typischerweise, um den Umgehungsverlust zu reduzieren, d.h. um die Rate der Leckströmung zu senken, sind im Spaltströmungspfad mehrere Stufen von Dichtungslamellen vorgesehen.
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Die Leckströmung, die von der nachgelagerten Seite der Leitschaufeln im Hauptströmungspfad in den Spaltströmungspfad geströmt ist, hat eine große Umfangsgeschwindigkeitskomponente. Dementsprechend werden auf der vorgelagertseitigen Seitenfläche des Abdeckblechs eine Vielzahl von Nuten gebildet, z.B. in
JP-2012-137006-A . Die Vielzahl der Nuten ist entgegen der Drehrichtung des Rotors in Bezug auf die Außenrichtung in der Radialrichtung des Rotors geneigt und führt die Richtung der Leckströmung. Dabei ist konfiguriert, die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Leckströmung zu reduzieren und zu versuchen, Antriebskraft zu sammeln. WO 2017/ 155 497 A1 zeigt eine Turbinenschaufel, die ein Schaufelblatt aufweist, das sich in Spannweitenrichtung entlang einer radialen Richtung relativ zu einer Turbinenachse erstreckt und eine Vorderkante und eine Hinterkante, die durch eine Druckseite und eine Saugseite verbunden sind, eine Spitze und ein Wurzelende aufweist, sowie ein Deckband, das entlang der Spitze des Schaufelblatts angeordnet ist und sich entlang einer Umfangsrichtung relativ zu einer Turbinenachse erstreckt. Das Deckband umfasst eine stromaufwärtige Kante und eine stromabwärtige Kante, die axial voneinander beabstandet sind, eine Außenfläche und eine radial innere Deckbandfläche. Die Ummantelung umfasst ferner eine Dichtung, die sich von der Außenfläche der Ummantelung radial nach außen erstreckt, und eine axiale Verlängerung, die sich stromaufwärts entlang einer Seite der Dichtung erstreckt.
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DE 10 2007 004 743 A1 zeigt eine Dichtungsanordnung für eine nicht-hermetische Dichtung eines Spalts zwischen einem Stator und einem Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem rotorseitigen Dichtkörper und mindestens einem statorseitigen Dichtkörper. Der statorseitige Dichtkörper weist benachbart zu dem oder jedem rotorseitigen Dichtkörper eine in Radialrichtung abgestufte Kontur auf und definiert mit dem jeweiligen rotorseitigen Dichtkörper einen Durchströmungsraum, wobei sowohl der jeweilige rotorseitige Dichtkörper als auch der statorseitige Dichtkörper über den Umfang derselben verteilt mehrere schaufelartige Vorsprünge aufweisen, die in den Durchströmungsraum hineinragen.
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US 2016 / 0 130 965 A1 zeigt eine Turbomaschine, die einen Rotor mit einer rotierenden Welle, einen Stator, der den Rotor umschließt, und eine Dichtungsvorrichtung umfasst, die in einem zwischen dem Rotor und dem Stator definierten Spaltkanal installiert ist, wobei die Dichtungsvorrichtung einen Leckstrom aus dem Spaltkanal steuert. Die Dichtungsvorrichtung umfasst ferner mindestens ein Verzögerungssteuerungselement, das auf der Rotationsseite vorgesehen ist. Das Verzögerungssteuerelement ragt in Richtung einer zwischen den Dichtungsrippen definierten Kammer und ist so konfiguriert, dass es eine Verringerung der Geschwindigkeit des Leckagestroms in der Kammer in der Drehrichtung des Rotors steuert.
US 7 971 882 B1 zeigt eine gestufte Labyrinthdichtung mit einer Vielzahl von Zähnen, die Lücken zwischen einem stationären Wabenelement bilden, wobei die zwischen benachbarten Zähnen gebildeten Hohlräume eine Vielzahl von Wirbelstrom erzeugenden Streifen an der Wand des Hohlraums aufweisen, die den Leckstrom von einer Lücke zurück zur Lücke und in eine Richtung zur Lücke umlenken, um den Leckstrom durch die Lücke zu begrenzen. Die wirbelerzeugenden Streifen erstrecken sich entlang des Hohlraumbodens und an den Seiten der Zähne, die den Hohlraum bilden. Die Streifen verlaufen vom stromabwärts gelegenen Zahn zum stromaufwärts gelegenen Zahn in Drehrichtung abwärts, und zwar mit einer Krümmung in Drehrichtung. Die gestufte Labyrinthdichtung ist für die Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk mit mehreren Stufen in der Turbine vorgesehen, wobei die Labyrinthdichtung zur Abdichtung des Spalts zwischen den rotierenden Schaufeln und der Wabenoberfläche am stationären Gehäuse verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In der oben erläuterten konventionellen Technik gibt es jedoch Raum für Verbesserungen wie die folgenden. Das heißt, gemäß der in
JP-2012-137006-A beschriebenen konventionellen Technik wird die Leckströmung nur durch die Vielzahl von Nuten geführt, um eine Drehung der Richtung der Leckströmung zu bewirken. Dementsprechend ist es ohne eine Erhöhung der Anzahl der Nuten nicht möglich, die Wirkung einer Drehung der Richtung der Leckströmung ausreichend hervorzuheben und die Wirkung einer Beseitigung der Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Leckströmung kann nicht erreicht werden. Dementsprechend ist es nicht möglich, einen ausreichenden Effekt zu erzielen, um den durch die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Leckströmung verursachten Mischungsverlust zu reduzieren, insbesondere den Verlust, der entsteht, wenn die Leckströmung aus dem Spaltströmungspfad austritt und mit einem Arbeitsmedium zusammenfließt, das die Rotorschaufeln passiert hat. Darüber hinaus ist es nicht möglich, eine ausreichende Wirkung zur Unterdrückung instabiler Vibrationen des rotierenden Körpers durch die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Leckströmung zu erreichen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Axialturbine zu liefern, die es ermöglicht, den Reduktionseffekt des Mischungsverlusts und den instabilen Vibrationsdämpfungseffekt zu verstärken und zu versuchen, Antriebskraft zu sammeln.
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Um das oben erklärte Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung eine Axialturbine mit einem Gehäuse, einem rotierenden Körper, einer Vielzahl von Leitschaufeln, die auf einer Innenumfangsseite des Gehäuses vorgesehen und in Umfangsrichtung angeordnet sind, einer Vielzahl von Rotorschaufeln, die auf einer Außenumfangsseite des rotierenden Körpers vorgesehen und in Umfangsrichtung angeordnet sind, einem Hauptströmungspfad, in dem die Vielzahl von Leitschaufeln angeordnet ist und die Vielzahl von Rotorschaufeln auf einer nachgelagerten Seite der Vielzahl von Leitschaufeln angeordnet ist und durch die ein Arbeitsmedium verteilt wird, einem Abdeckblech, das auf einer Außenumfangsseite der Vielzahl der Rotorschaufeln vorgesehen ist, einem ringförmiger Nutabschnitt, der auf dem Gehäuse ausgebildet ist und das Abdeckblech aufnimmt, einem Spaltströmungspfad, in den ein Teil des Arbeitsmediums als Leckströmung von einer nachgelagerten Seite der Leitschaufeln im Hauptströmungspfad strömt und aus dem die Leckströmung zu einer nachgelagerten Seite der Rotorschaufeln im Hauptströmungspfad strömt, wobei der Spaltströmungspfad zwischen dem Nutabschnitt und dem Abdeckblech gebildet wird und einer Vielzahl von Abschnitten von Dichtungslamellen, die im Spaltströmungspfad vorgesehen sind, vor. Die Axialturbine umfasst weiterhin einen ringförmigen ersten vorstehenden Abschnitt, der auf dem Abdeckblech ausgebildet ist und zu einer vorgelagerten Seite in einer Axialrichtung des rotierenden Körpers hin vorsteht, einen ringförmigen zweiten vorstehenden Abschnitt, der auf dem Abdeckblech ausgebildet ist, um auf einer Außenseite in einer Radialrichtung des rotierenden Körpers relativ zum ersten vorstehenden Abschnitt angeordnet zu werden, in Richtung der vorgelagerten Seite in Axialrichtung des rotierenden Körpers vorsteht und eine Länge aufweist, die länger als oder gleich dem ersten vorstehenden Abschnitt ist, eine umlaufende Strömung erzeugende Kammer, die zwischen dem ersten vorstehenden Abschnitt und dem zweiten vorstehenden Abschnitt gebildet ist und eine Vielzahl von Führungsblechen, die auf dem Abdeckblech ausgebildet sind, um in der die umlaufende Strömung erzeugenden Kammer angeordnet zu werden. Die umlaufende Strömung erzeugende Kammer ist konfiguriert, um eine umlaufende Strömung zu erzeugen, sodass ein Teil der Leckströmung mit einer Spitzenfläche des ersten vorstehenden Abschnitts kollidieren kann, die in der Radialrichtung des rotierenden Körpers nach außen gerichtet ist und danach mit einer Innenumfangsfläche des zweiten vorstehenden Abschnitts, der in der Radialrichtung des rotierenden Körpers nach innen gerichtet ist. Die Vielzahl der Führungsbleche ist entgegengesetzt zu einer Drehrichtung des rotierenden Körpers in Bezug auf eine Einwärtsrichtung in der Radialrichtung des rotierenden Körpers geneigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Reduktionseffekt der Mischungsverluste und den instabilen Vibrationsdämpfungseffekt zu verstärken und zu versuchen, Antriebskraft zu sammeln.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine Querschnittsansicht in Axialrichtung eines Rotors, die schematisch eine Teilstruktur einer Dampfturbine in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts II in 1 und stellt eine detaillierte Struktur eines Spaltströmungspfads dar;
- 3 ist eine Querschnittsansicht entlang eines Querschnitts III-III in 1 in Umfangsrichtung eines Rotors und stellt eine Strömung in einem Hauptströmungspfad dar;
- 4 ist eine Querschnittsansicht entlang eines Querschnitts IV-IV in 2 in einer Radialrichtung des Rotors und stellt eine relative Strömung im Spaltströmungspfad dar;
- 5 ist eine Querschnittsansicht entlang eines Querschnitts V-V in 1 in Umfangsrichtung des Rotors und stellt die Strömung im Hauptströmungspfad und eine Absolutströmung im Spaltströmungspfad dar;
- 6 ist eine Abbildung, die Verteilungen von Rotorschaufel-Verlustkoeffizienten in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einer konventionellen Technik darstellt;
- 7 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die eine detaillierte Struktur eines Spaltströmungspfads in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
- 8 ist eine Querschnittsansicht entlang eines Querschnitts VIII-VIII in 7 in der Radialrichtung des Rotors und stellt eine relative Strömung im Spaltströmungspfad dar.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Fällen, in denen die vorliegende Erfindung auf eine Dampfturbine angewendet wird, anhand der Zeichnungen erläutert.
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1 ist eine Querschnittsansicht entlang der Axialrichtung des Rotors, die schematisch eine Teilstruktur oder eine Abschnittsstruktur einer Dampfturbine in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Abschnitts II in 1 und stellt die detaillierte Struktur eines Spaltströmungspfads dar. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang des Querschnitts III-III in 1 in Umfangsrichtung des Rotors und stellt eine Strömung in einem Hauptströmungspfad dar. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang des Querschnitts IV-IV in 2 in der Radialrichtung des Rotors und stellt eine relative Strömung im Spaltströmungspfad dar, insbesondere eine Strömung relativ zur Seite des Rotationskörpers. Es ist zu beachten, dass in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung der Gehäuseseite verzichtet wird. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang des Querschnitts V-V in 1 in Umfangsrichtung des Rotors und stellt die Strömung im Hauptströmungspfad und eine Absolutströmung im Spaltströmungspfad dar, insbesondere eine Strömung relativ zur Gehäuseseite.
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Die Dampfturbine in der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen ringförmigen Membranaußenring 1 oder einen stationären Körper, der auf der Innenumfangsseite eines Gehäuses vorgesehen ist, nicht dargestellt, eine Vielzahl von Leitschaufeln 2, die auf der Innenumfangsseite des Membranaußenrings 1 vorgesehen sind, und einen ringförmigen Membraninnenring 3, der auf der Innenumfangsseite der Leitschaufeln 2 vorgesehen ist. Die Vielzahl von Leitschaufeln 2 ist zwischen dem Membranaußenring 1 und dem Membraninnenring 3 in vorgegebenen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet.
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Darüber hinaus umfasst die Dampfturbine einen Rotor 4 oder einen rotierenden Körper, der sich um die Drehachse O dreht, eine Vielzahl von Rotorschaufeln 5, die auf der Außenumfangsseite des Rotors 4 vorgesehen sind, und ein ringförmiges Abdeckblech 6, das auf der Außenumfangsseite der Rotorschaufeln 5 vorgesehen ist, d.h. auf der Spitzenseite der Schaufeln. Die Vielzahl von Rotorschaufeln 5 ist zwischen dem Rotor 4 und dem Abdeckblech 6 in vorgegebenen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet.
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Ein Hauptströmungspfad 7 für Dampf oder das Arbeitsmedium besteht aus einem Strömungspfad, der zwischen einer Innenumfangsfläche 8 des Membranaußenrings 1 und einer Außenumfangsfläche 9 des Membraninnenrings 3 gebildet wird, einem Strömungspfad, der zwischen einer Innenumfangsfläche 10 des Abdeckblechs 6 und einer Außenumfangsfläche 11 des Rotors 4 gebildet wird und dergleichen. Im Hauptströmungspfad 7 sind die Vielzahl der Leitschaufeln 2, d.h. eine Leitschaufelreihe und die Vielzahl der Rotorschaufeln 5, d.h. eine Rotorschaufelreihe, auf der nachgelagerten Seite oder auf der rechten Seite in der Abbildung der Vielzahl der Leitschaufeln 2 angeordnet. Eine Kombination aus diesen Leitschaufeln 2 und Rotorschaufeln 5 bildet einen Abschnitt. Es ist zu beachten, dass, obwohl in 1 nur ein Abschnitt aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt ist, eine Vielzahl von Abschnitten typischerweise in der Axialrichtung des Rotors vorgesehen ist, um die Eigenenergie des Dampfes effizient zu sammeln.
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Dampf im Hauptströmungspfad 7 oder Hauptströmungsdampf strömt, wie in 1 durch dicke Pfeile veranschaulicht. Dann wird die Eigenenergie, d.h. Druckenergie und dergleichen, des Dampfes an den Leitschaufeln 2 in kinetische Energie, d.h. Geschwindigkeitsenergie umgewandelt, und die kinetische Energie des Dampfes wird an den Rotorschaufeln 5 in die Rotationsenergie des Rotors 4 umgewandelt. Darüber hinaus ist die Konfiguration so ausgelegt, dass an einem Endabschnitt von Rotor 4 ein nicht dargestellter Stromgenerator angeschlossen ist, der die Rotationsenergie von Rotor 4 in elektrische Energie umwandelt.
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Eine Dampfströmung oder Hauptströmung im Hauptströmungspfad 7 wird unter Bezugnahme auf 3 erläutert. Dampf strömt von der Vorderkantenseite der Leitschaufeln 2 oder von der linken Seite in 3, mit einem Absolutgeschwindigkeitsvektor C1, insbesondere einer Absolutströmung mit fast keinen Umfangsgeschwindigkeitskomponenten. Beim Durchströmen zwischen den Leitschaufeln 2 wird dann der Dampf beschleunigt und zu einem Absolutgeschwindigkeitsvektor C2, nämlich einer Absolutströmung mit einer großen Umfangsgeschwindigkeitskomponente, gedreht und strömt von der Hinterkantenseite der Leitschaufeln 2 oder von der rechten Seite in 3 aus. Die meisten Teile des aus dem Leitschaufeln 2 ausgetretenen Dampfes prallen auf die Rotorschaufeln 5, um den Rotor 4 mit einer Geschwindigkeit U zu drehen. Zu diesem Zeitpunkt, wenn er durch die Rotorschaufeln 5 strömt, wird der Dampf abgebremst und zum Drehen gebracht und ein Relativgeschwindigkeitsvektor W2 ändert sich in einen Relativgeschwindigkeitsvektor W3. Dementsprechend hat die Dampfströmung aus den Rotorschaufeln 5 einen Absolutgeschwindigkeitsvektor C3, nämlich eine Absolutströmung mit fast keinen Umfangsgeschwindigkeitskomponenten.
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Es ist zu beachten, dass der Relativgeschwindigkeitsvektor W2 durch eine axiale Geschwindigkeitskomponente W2x und eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente W2y, und zwar eine Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung des Rotors dargestellt wird. Der Relativgeschwindigkeitsvektor W3 wird durch eine axiale Geschwindigkeitskomponente W3x und eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente W3y dargestellt, eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, W3y ≈ |U|.
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Derweil wird auf der Innenumfangsfläche des Membranaußenrings 1 ein ringförmiger Nutabschnitt 12 mit dem Abdeckblech 6 und zwischen dem Nutabschnitt 12 und dem Abdeckblech 6 ein Spaltströmungspfad oder ein Umgehungsströmungspfad 13 gebildet. Dann fließt ein Teil der Dampfströmungen in den Spaltströmungspfad 13 von der nachgelagerten Seite der Leitschaufeln 2, d.h. der vorgelagerten Seite der Rotorschaufeln 5, im Hauptströmungspfad 7 als ausgetretener Dampf und strömt aus dem Spaltströmungspfad 13 zur nachgelagerten Seite der Rotorschaufeln 5 im Hauptströmungspfad 7, der sogenannten „Leckströmung“. Dementsprechend wird die Energie des ausgetretenen Dampfes nicht effektiv genutzt und es kommt zu Umgehungsverlusten. Um diesen Umgehungsverlust zu reduzieren, d.h. um den Durchfluss des ausgetretenen Dampfes zu senken, ist im Spaltströmungspfad 13 eine Labyrinthdichtung vorgesehen.
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In der Labyrinthdichtung in der vorliegenden Ausführungsform sind auf der Innenumfangsfläche des Nutabschnittes 12 ringförmige Dichtungsrippen 14A bis 14D vorgesehen und die Dichtungsrippen 14A bis 14D sind in vorgegebenen Abständen in Axialrichtung des Rotors angeordnet. Ein ringförmiger Stufenabschnitt oder ein vorstehender Abschnitt 15 ist auf der Außenumfangsseite des Abdeckblechs 6 so ausgebildet, dass er zwischen der ersten Abschnittdichtungsrippe 14A und der vierten Abschnittdichtungsrippe 14D angeordnet ist.
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Hauptströmungsdampf auf der nachgelagerten Seite der Leitschaufeln 2 im Hauptströmungspfad 7 ist eine Absolutströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente „W2y+U“ wie in 3 dargestellt und ausgetretener Dampf, der in den Spaltströmungspfad 13 eingeströmt ist, ist ebenfalls eine Absolutströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente „W2y+U“, d.h. eine Relativströmung mit der Umfangsgeschwindigkeitskomponente W2y. Dann ist in einer konventionellen Technik, die unten erwähnt wird, ohne einen ersten vorstehenden Abschnitt, einen zweiten vorstehenden Abschnitt, eine umlaufende Strömung erzeugende Kammer und einer Vielzahl von Führungsblechen, ein ausgetretener Dampf, der aus dem Spaltströmungspfad 13 zur nachgelagerten Seite der Rotorschaufeln 5 im Hauptströmungspfad 7 austritt, auch eine Absolutströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente „W2y+U“, d.h. eine Relativströmung mit der Umfangsgeschwindigkeitskomponente W2y. Andererseits ist Hauptströmungsdampf, der durch die Rotorschaufeln 5 im Hauptströmungspfad 7 geströmt ist, eine Absolutströmung mit fast keinen Umfangsgeschwindigkeitskomponenten, d.h. eine Relativströmung mit der Umfangsgeschwindigkeitskomponente W3y, wie in 3 dargestellt. Dementsprechend erhöht sich der Verlustkoeffizient der Antriebskraft in einem Bereich in der Nähe einer Schaufelspitze, wie die gestrichelte Linie in 6 zeigt und der Mischungsverlust steigt. Da ausgetretener Dampf im Spaltströmungspfad 13 eine große Umfangsgeschwindigkeitskomponente „W2y+U“ hat, treten instabile Schwingungen des Rotors 4, die dadurch verursacht werden, leichter auf.
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In Anbetracht dessen werden als Merkmal der vorliegenden Ausführungsform auf der vorgelagerten Seitenfläche des Abdeckblechs 6 ringförmig vorstehende Abschnitte 16 und 17 gebildet, die zur vorgelagerten Seite der Axialrichtung des Rotors vorstehen. Der erste vorstehende Abschnitt 16 ist an einem inneren Kantenabschnitt in Radialrichtung des Rotors auf der vorgelagerten Seitenfläche des Abdeckblechs 6 angeordnet und so ausgebildet, dass zwischen der Innenumfangsfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16 und der Innenumfangsfläche 10 des oben genannten Abdeckblechs 6 keine Stufe gebildet wird. Der zweite vorstehende Abschnitt 17 ist an einem äußeren Kantenabschnitt in Radialrichtung des Rotors auf der vorgelagerten Seitenfläche des Abdeckblechs 6 angeordnet und ist länger als der erste vorstehende Abschnitt 16. Anschließend ist die Konfiguration so, dass die Außenumfangsfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16, die Innenumfangsfläche des zweiten vorstehenden Abschnitts 17 und die vorgelagerte Seitenfläche des Abdeckblechs 6 eine umlaufende Strömung erzeugende Kammer oder eine Sekundärströmungskammer 18 zum Erzeugen einer umlaufenden Strömung oder einer Sekundärströmung A1 bilden. Konkret ist die umlaufende Strömung erzeugende Kammer konfiguriert, um die umlaufende Strömung A1 so zu erzeugen, sodass ein Teil des in den Spaltströmungspfad 13 geströmten austretenden Dampfes auf die Spitzenfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16 trifft, der in Radialrichtung des Rotors nach außen gerichtet ist und danach auf die Innenumfangsfläche des zweiten vorstehenden Abschnitts 17, der in Radialrichtung des Rotors nach innen gerichtet ist. Mit anderen Worten, die umlaufende Strömung erzeugende Kammer ist konfiguriert, um die umlaufende Strömung A1 zu erzeugen, die zur nachgelagerten Seite in Axialrichtung des Rotors und zur Innenseite in Radialrichtung des Rotors umgeleitet wird.
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Es ist zu beachten, dass der zweite vorstehende Abschnitt 17 zwar länger ist als der erste vorstehende Abschnitt 16 in der vorliegenden Ausführungsform, dass sie jedoch die gleichen Längen aufweisen können. Darüber hinaus kann die Spitzenfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16, obwohl sie sich in Radialrichtung des Rotors ohne Neigung erstreckt, in Richtung der nachgelagerten Seite in Axialrichtung des Rotors relativ zur Außenrichtung in der Radialrichtung des Rotors geneigt sein. Obwohl die Innenumfangsfläche des zweiten vorstehenden Abschnitts 17 in der vorliegenden Ausführungsform in Radialrichtung des Rotors gegenüber der nachgelagerten Richtung in Axialrichtung des Rotors zur Innenseite geneigt ist, kann sie sich in Axialrichtung des Rotors ohne Neigung erstrecken.
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Als Merkmal der vorliegenden Ausführungsform wird auf der vorgelagerten Seitenfläche des Abdeckblechs 6 eine Vielzahl von Führungsblechen 19 ausgebildet, die in der umlaufende Strömung erzeugenden Kammer 18 angeordnet sind. Die Vielzahl der Führungsbleche 19 ist in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung angeordnet und gegen die Drehrichtung des Rotors in Radialrichtung des Rotors in Bezug auf die Einwärtsrichtung geneigt. Es ist zu beachten, dass der Winkel θ der Neigung der Führungsbleche 19 gegenüber der Radialrichtung des Rotors größer ist als der Neigungswinkel eines unten erwähnten relativen Geschwindigkeitsvektors W2' gegenüber der Radialrichtung des Rotors. Obwohl der Neigungswinkel θ der Führungsbleche 19 in der vorliegenden Ausführungsform etwa 30° beträgt, wird er gemäß den Spezifikationsbedingungen modifiziert.
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Der ausgetretene Dampf, der von der nachgelagerten Seite der Leitschaufeln 2 im Hauptströmungspfad 7 in den Spaltströmungspfad 13 geströmt ist, hat den Relativgeschwindigkeitsvektor W2', dargestellt durch die Umfangsgeschwindigkeitskomponente W2y und eine radiale Komponente W2z, wie in 4 dargestellt. Dementsprechend hat ein Teil der in die umlaufende Strömung erzeugende Kammer 18 ausgetretenen Dampfströmung auch den Relativgeschwindigkeitsvektor W2'. Da der ausgetretene Dampf in der umlaufenden Strömung erzeugenden Kammer 18 jedoch entlang der Führungsbleche 19 strömt, während er von der Außenseite in Radialrichtung des Rotors nach innen strömt, wird er zu einer umlaufenden Strömung A1' oder einer Relativströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente, und zwar einer Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, wie in 4 dargestellt. Durch die Interferenz durch die so erzeugte umlaufende Strömung A1' ist es dann möglich, einer Relativströmung B1' des ausgetretenen Dampfes effektiv eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente, und zwar eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, zuzuordnen. Insbesondere wird, wie in 4 dargestellt, ein Relativgeschwindigkeitsvektor W4, dargestellt durch eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente W4y, und zwar eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, W4y ≈ |U|, und eine Radialkomponente W4z erzeugt.
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Mit anderen Worten, durch Interferenzen durch die umlaufende Strömung A1 oder eine Absolutströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente, und zwar einer Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, ist es möglich, eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente aus der Absolutströmung B1 des ausgetretenen Dampfes effektiv zu eliminieren, siehe 5. Dabei hat eine Absolutströmung B2 von austretender Dampfströmung aus dem Spaltströmungspfad 13 auf die nachgelagerte Seite der Rotorschaufeln 5 im Hauptströmungspfad 7, siehe 5, auch fast keine Umfangsgeschwindigkeitskomponenten. Dementsprechend ist es möglich, den Verlustkoeffizienten der Antriebskraft in einem Bereich in der Nähe der Schaufelspitze zu senken, wie die durchgehende Linie in 6 zeigt und der Mischungsverlust kann reduziert werden. Zusätzlich kann eine instabile Vibration des Rotors 4 unterdrückt werden. Darüber hinaus kann die Energie des ausgetretenen Dampfes als Antriebskraft durch die Vielzahl der Führungsbleche 19 gesammelt werden.
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Dementsprechend ist es in der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Reduktion der Mischungsverluste und die instabile Schwingungsunterdrückung zu verstärken und zu versuchen, Antriebskraft zu sammeln.
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Es ist zu beachten, dass die Führungsbleche 19 in dem in der ersten Ausführungsform erläuterten Beispiel zwar planare Bleche sind, wie in 4 dargestellt, dies aber nicht das einzige Beispiel ist und die Führungsbleche 19 in einem Umfang modifiziert werden können, der nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abweicht. Die Führungsbleche können beispielsweise gebogene Bleche sein, die allmählich gegen die Drehrichtung des Rotors in Bezug auf die Einwärtsrichtung in der Radialrichtung des Rotors geneigt sind. Auch in diesem Fall können ähnliche Effekte wie die oben beschriebenen erreicht werden.
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Obwohl in dem in der ersten Ausführungsform erläuterten Beispiel die Umfangsintervalle der Führungsbleche 19, gemessen in Winkeln, 1/8 der Umfangsintervalle der Rotorschaufeln 5, gemessen in Winkeln, wie in 4 dargestellt, betragen, ist dies nicht das einzige Beispiel und die Umfangsintervalle der Führungsbleche 19 können in einem Umfang geändert werden, der nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abweicht. Die Umfangsintervalle der Führungsbleche 19 können entsprechend dem Durchfluss des ausgetretenen Dampfes verändert werden. Darüber hinaus können bei ungleichmäßiger Verteilung des Durchflusses des ausgetretenen Dampfes die Umfangsintervalle der Führungsbleche 19 entsprechend ungleichmäßig gestaltet werden.
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Obwohl die Labyrinthdichtung in dem in der ersten Ausführungsform erläuterten Beispiel die vier Abschnitte der Dichtungsrippen 14A bis 14D und einen Stufenabschnitt 15 aufweist, ist dies nicht das einzige Beispiel, und die Labyrinthdichtung kann in einem Umfang modifiziert werden, der nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abweicht. Das heißt, die Anzahl der Abschnitte von Dichtungsrippen ist nicht auf vier begrenzt, sondern kann zwei, drei oder gleich oder größer fünf sein. Darüber hinaus darf die Labyrinthdichtung keine Stufenabschnitte, zwei oder mehr Stufenabschnitte aufweisen. Auch in diesen Fällen können ähnliche Effekte wie die vorstehend erläuterten erreicht werden.
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 erläutert. Es ist zu beachten, dass Abschnitte in der vorliegenden Ausführungsform, die denen in der ersten Ausführungsform entsprechen, mit den gleichen Zeichen versehen sind, und dass Erklärungen dazu gegebenenfalls weggelassen werden.
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7 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die die detaillierte Struktur eines Spaltströmungspfads in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 8 ist eine Querschnittsansicht entlang des Querschnitts VIII-VIII in 7 in der Radialrichtung des Rotors und zeigt eine Relativströmung im Spaltströmungspfad. Es ist zu beachten, dass in 8 aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung der Gehäuseseite verzichtet wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Innenumfangsfläche des Nutabschnitts 12 mit ringförmigen Dichtungslamellen 14A und 14B versehen. Auf der Außenumfangsfläche des Abdeckblechs 6 ist ein ringförmiger dritter vorstehender Abschnitt 20, der in Radialrichtung des Rotors zur Außenseite hin vorsteht, so ausgebildet, dass er zwischen den Dichtungslamellen 14A und 14B angeordnet wird. Ringförmige vorstehende Abschnitte 16A und 17A, die zur vorgelagerten Seite der Axialrichtung des Rotors vorstehen, sind auf der vorgelagertseitigen Seitenfläche des dritten vorstehenden Abschnitts 20 ausgebildet. Ein ringförmiger vierter vorstehender Abschnitt 21, der in Radialrichtung des Rotors zur Innenseite hin vorsteht, ist an einem Spitzenabschnitt des zweiten vorstehenden Abschnitts 17A ausgebildet. Die nachgelagerte Seitenfläche des vierten vorstehenden Abschnitts 21 ist in Axialrichtung des Rotors gegenüber der Außenrichtung in Radialrichtung des Rotors zur nachgelagerten Seite geneigt. Eine ringförmige Dichtungsrippe 22 oder eine rotierende körperseitige Dichtungsrippe, die sich in Radialrichtung des Rotors zur Außenseite erstreckt, ist auf der Außenumfangsseite des zweiten vorstehenden Abschnitts 17A vorgesehen.
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Der erste vorstehende Abschnitt 16A ist an einem inneren Kantenabschnitt in Radialrichtung des Rotors auf der vorgelagerten Seitenfläche des dritten vorstehenden Abschnitts 20 angeordnet und befindet sich an der gleichen Position wie der Spalt zwischen der Spitze der Dichtungsrippe 14A oder einer gehäuseseitigen Dichtungsrippe und der Außenumfangsfläche des Abdeckblechs 6 in Radialrichtung des Rotors. Der zweite vorstehende Abschnitt 17A ist an einem äußeren Kantenabschnitt in Radialrichtung des Rotors auf der vorgelagerten Seitenfläche des dritten vorstehenden Abschnitts 20 angeordnet und ist länger als der erste vorstehende Abschnitt 16A. Dann bilden die Außenumfangsfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16A, die Innenumfangsfläche des zweiten vorstehenden Abschnitts 17A und die vorgelagerte Seitenfläche des dritten vorstehenden Abschnitts 20 eine umlaufende Strömung erzeugende Kammer 18A zur Erzeugung einer umlaufenden Strömung A2. Konkret wird die umlaufende Strömung A2 so erzeugt, dass ein Teil des ausgetretenen Dampfes, der durch den Spalt zwischen der Spitze der Dichtungsrippe 14A und der Außenumfangsfläche des Abdeckblechs 6 geströmt ist, auf die Spitzenfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16A auftreffen kann, der zur Außenseite in Radialrichtung des Rotors gerichtet ist, und danach auf die nachgelagerte Seitenfläche des vierten vorstehenden Abschnitts 21 und die Innenumfangsfläche des zweiten vorstehenden Abschnitts 17A, die auf die Innenseite in Radialrichtung des Rotors gerichtet sind. Mit anderen Worten, es entsteht die umlaufende Strömung A2, die zur nachgelagerten Seite in Axialrichtung des Rotors und zur Innenseite in Radialrichtung des Rotors umgeleitet wird.
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Es ist zu beachten, dass der zweite vorstehende Abschnitt 17A zwar länger ist als der erste vorstehende Abschnitt 16A in der vorliegenden Ausführungsform, dass sie jedoch die gleiche Länge aufweisen können. Darüber hinaus kann die Spitzenfläche des ersten vorstehenden Abschnitts 16A, obwohl sie sich in Radialrichtung des Rotors ohne Neigung erstreckt, in Richtung der nachgelagerten Seite in Axialrichtung des Rotors relativ zur Außenrichtung in der Radialrichtung des Rotors geneigt sein. Darüber hinaus, obwohl der vierte vorstehende Abschnitt 21 an einem Spitzenabschnitt des zweiten vorstehenden Abschnitts 17A in der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, kann der vierte vorstehende Abschnitt 21 nicht gebildet werden.
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Als Merkmal der vorliegenden Ausführungsform wird eine Vielzahl von Führungsblechen 19A, die in der die umlaufende Strömung erzeugenden Kammer 18A angeordnet sind, auf der vorgelagertseitigen Seitenfläche des dritten vorstehenden Abschnitts 20 gebildet. Die Vielzahl der Führungsbleche 19A ist in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung angeordnet und gegen die Drehrichtung des Rotors in Bezug auf die Einwärtsrichtung in Radialrichtung des Rotors geneigt. Es ist zu beachten, dass der Winkel θ der Neigung der Führungsbleche 19A gegenüber der Radialrichtung des Rotors größer ist als der Neigungswinkel des Relativgeschwindigkeitsvektors W2' gegenüber der Radialrichtung des Rotors.
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Der durch den Spalt zwischen der Spitze der Dichtungsrippe 14A und der Außenumfangsfläche des Abdeckblechs 6 geströmte Dampf weist den relativen Geschwindigkeitsvektor W2' auf, der durch die Umfangsgeschwindigkeitskomponente W2y und die Radialkomponente W2z dargestellt ist, wie in 8 dargestellt. Dementsprechend hat ein Teil der ausgetretenen Dampfströmung in die umlaufende Strömung erzeugende Kammer 18A auch den Relativgeschwindigkeitsvektor W2'. Da der ausgetretene Dampf in der umlaufenden Strömung erzeugenden Kammer 18A jedoch entlang der Führungsbleche 19A strömt, während er von der Außenseite in Radialrichtung des Rotors nach innen strömt, wird er zu einer umlaufenden Strömung A2' oder einer Relativströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente, und zwar einer Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, wie in 8 dargestellt. Durch die Interferenz durch die so erzeugte umlaufende Strömung A2' ist es dann möglich, einer Relativströmung B3' des ausgetretenen Dampfes effektiv eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente, und zwar eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, zuzuordnen. Insbesondere wird, wie in 8 dargestellt, ein relativer Geschwindigkeitsvektor W4, dargestellt durch eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente W4y, und zwar eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, W4y ≈ |U|, und eine Radialkomponente W4z erzeugt.
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Mit anderen Worten, durch Interferenzen durch die umlaufende Strömung A2 oder die Absolutströmung mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente, und zwar einer Geschwindigkeitskomponente entgegen der Drehrichtung des Rotors, ist es möglich, eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente aus der Absolutströmung B3 des ausgetretenen Dampfes effektiv zu eliminieren. Dabei hat eine Absolutströmung B4 der austretenden Dampfströmung aus dem Spaltströmungspfad 13 auf die nachgelagerte Seite der Rotorschaufeln 5 im Hauptströmungspfad 7 auch fast keine Umfangsgeschwindigkeitskomponenten. Dadurch kann der Mischungsverlust reduziert werden. Zusätzlich kann eine instabile Vibration des Rotors 4 unterdrückt werden. Darüber hinaus kann die Energie des ausgetretenen Dampfes als Antriebskraft durch die Vielzahl der Führungsbleche 19A gesammelt werden.
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Dementsprechend ist es ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform auch bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, den Reduktionseffekt der Mischungsverluste und den instabilen Schwingungsdämpfungseffekt zu verstärken und zu versuchen, Antriebskraft zu sammeln.
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Es ist zu beachten, dass, obwohl in den oben erläuterten Beispielen das Ziel, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird, eine Dampfturbine ist, die eine Art von Axialturbinen ist, dies nicht die einzigen Beispiele sind und die vorliegende Erfindung auf eine Gasturbine oder dergleichen angewendet werden kann. Auch in diesem Fall können ähnliche Effekte wie die oben beschriebenen erreicht werden.
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Beschreibung der Referenzzeichen
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- 1
- Membranaußenring
- 2
- Leitschaufel
- 4
- Rotor
- 5
- Rotorschaufel
- 6
- Abdeckblech
- 7
- Hauptströmungspfad
- 12
- Nutabschnitt
- 13
- Spaltströmungspfad
- 14A bis 14D
- Dichtungsrippe
- 16, 16A
- Erster vorstehender Abschnitt
- 17, 17A
- Zweiter vorstehender Abschnitt
- 18, 18A
- Umlaufende Strömung erzeugende Kammer
- 19, 19A
- Führungsblech
- 20
- Dritter vorstehender Abschnitt
- 21
- Vierter vorstehender Abschnitt
- 22
- Dichtungsrippe
- A1
- Umlaufende Strömung
- A1'
- Umlaufende Strömung
- A2
- Umlaufende Strömung
- A2'
- Umlaufende Strömung
- B1
- Absolutströmung des ausgetretenen Dampfes
- B1'
- Relativströmung des ausgetretenen Dampfes
- B2
- Absolutströmung von austretender Dampfströmung
- B3
- Absolutströmung des ausgetretenen Dampfes
- B3'
- Relativströmung des ausgetretenen Dampfes
- B4
- Absolutströmung der austretenden Dampfströmung aus dem Spaltströmungspfad
- C1
- Absolutgeschwindigkeitsvektor
- C2
- Absolutgeschwindigkeitsvektor
- C3
- Absolutgeschwindigkeitsvektor
- W2
- Relativgeschwindigkeitsvektor
- W3
- Relativgeschwindigkeitsvektor
- W4
- Relativgeschwindigkeitsvektor
- θ
- Neigungswinkel der Führungsbleche