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Technischer Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinen, die längs ihres Strömungsweges axial miteinander verbunden sind und betrifft insbesondere einen Diffusor, der zwischen und längs des Strömungsweges der axial miteinander verbundenen Turbinen ausgebildet ist, um Energieverluste bei in großem Maßstab stattfindenden turbulenten Mischvorgängen zu verringern und gleichzeitig durch die Diffusorwirkung aus dem Dampfstrom Energie zurück zu gewinnen.
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Turbinen werden gelegentlich in der Weise miteinander verbunden, dass ihre Rotorwellen und ihre Strömungswege miteinander gekuppelt werden. So können z. B. zwei Axial-Dampfturbinen axial so miteinander verbunden werden, dass der von der Endstufe der ersten oder Vorderturbine austretende Dampfstrom in die erste Stufe der zweiten oder Hinterturbine eintritt. Typischerweise ist ein Hohlraum, der auch einen Teil des Strömungswegs bildet, zwischen den Turbinen angeordnet. Da die umlaufende Welle und die Kupplung zu dem Strömungsweg hin frei liegen, wird durch die Drehbewegung der Welle Fluid mitgenommen, und dieses Fluid in den Strömungsweg zurückgeworfen. Dieses Phänomen wird häufig als Ventilationsverlust bezeichnet und kann durch turbulente Mischvorgänge in dem Hohlraum beträchtliche Energieverluste hervorrufen. Die Kupplungen zwischen den Wellen bieten außerdem der Strömung längs des Strömungsweges von der einen Turbinen zur anderen Turbine durch den Hohlraum eine unregelmäßige oder zerklüftete Oberfläche dar, wodurch Verluste auftreten, die auf eine Strömungsaufspaltung zurückzuführen sind. Es treten auch andere Energieverluste in axial miteinander verbundenen Turbinen auf. So weist z. B. der Ausgangsringraum der Vorderturbine typischerweise einen anderen Durchmesser und/oder eine andere Höhe wie in der Eingangsringraum der Hinterturbine auf. Da die Strömung von einem Ringraum zu dem anschließenden Ringraum nicht schnell genug ihre Richtung ändern kann, prallt die Strömung in der Regel auf andere Flächen des Hohlraums auf, was entsprechende Verluste zur Folge hat. Außerdem kann zusätzlicher Dampf in den Strömungspfad, z. B. in den Hohlraum einströmen lassen werden, bevor der Dampf in die Hinterturbine eintritt. Diese Zwischendampfzufuhr erzeugt eine Störung in dem Strömungsweg des zwischen der Vorder- und der Hinterturbine überströmenden Dampfes.
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Ein bekannter Versuch die von der umlaufenden Welle herrührenden Verluste zu verringern, beinhaltet die Anordnung einer im Wesentlichen zylindrischen Kupplungsabdeckhaube, die die Kupplung abdeckt und eine mit der Drehachse der Turbinen zusammenfallende Achse aufweist. Wenngleich damit einige der von der umlaufenden Welle und Kupplung herrührenden Verluste angesprochen werden, so werden damit doch nicht alle der oben erwähnten Verlustmechanismen berücksichtigt. Die zylindrische Abdeckung mildert die Verluste in dem Hohlraum, erzeugt aber selbst Energieverluste und gewinnt selbst keine Energie aus dem Strömungsweg zurück. Bekannt ist es auch aus der
US 2 919 891 A , den zwischen zwei benachbarten und durch eine Kupplung miteinander verbundenen Laufrädern liegenden Zwischenboden derart auszubilden, dass die Kupplung durch eine innenliegende Abdeckung abgedeckt ist, die die Kupplung umschließt und der eine im radialen Abstand angeordnete außenliegende Wand zugeordnet ist, welche einen äußeren Randbereich des Strömungsweges zwischen der ersten und der zweiten Stufe definiert. Die Abdeckung und die äußere Wand sind durch die dazwischen sich erstreckenden Leitschaufeln miteinander verbunden. Sie bilden gemeinsam einen Diffusor, der an dem äußeren Turbinengehäuse radial begrenzt beweglich gelagert ist und sich in Strömungsrichtung des Heißgases öffnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den im Vorstehenden geschilderten Problemen bei axial miteinander gekuppelten Turbinen abzuhelfen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Kupplung der Strömungswege axial hintereinander liegender Turbinen die Merkmale des Patentanspruches 1 auf.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Strömung von der Vorderturbine in die Hinterturbine überzuleiten und mit verringerten Zumischverlusten einen Hilfsfluidzutritt in den Hohlraum zwischen der Vorder- und der Hinterturbine zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, ist ein Diffusor in dem Strömungsweg zwischen der Vorder- und der Hinterturbine angeordnet. Eine innere Diffusorwand oder Kupplungsabdeckung begrenzt den Innendurchmesser des Übergangsströmungsweges zwischen der Vorder- und der Hinterturbine und erstreckt sich zwischen der letzten Stufe der Vorderturbine und der Eingangsstufe der Hinterturbine. Die Kupplungsabdeckung ist vorzugsweise in Gestalt eine kegelstumpfförmigen Abschnitts mit einer mit der Drehachse der Turbine zusammenfallenden Achse ausgebildet. Auf diese Wiese überdeckt die Kupplungsabdeckung die die Rotorwellen miteinander verbindende Kupplung, so dass Ventilationsverluste und von unebenen, zerklüfteten Oberflächen, auf die die Fluidströmung in dem Strömungsweg sonst auftreffen würde, herrührende Strömungsaufspaltungen wesentlich minimiert werden.
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Der Diffusor weist außerdem eine äußere Diffusorwand auf, die teilweise den äußeren Rand des Strömungsweges zwischen der Vorder- und der Hinterturbine begrenzt. Wie die innere Kupplungsabdeckung ist auch die äußere Diffusorwand in bevorzugter Weise durch einen kegelstumpfförmigen Abschnitt rings um die Achse ausgebildet und als Teil des beiden Turbinen gemeinsamen äußeren Turbinengehäuses angegossen. Der zwischen dem Ausgangsringraum und dem Eintrittringraum der Vorder- und der Hinterturbine angeordnete Diffusor leitet die Fluid(Dampf)-Strömung, wobei diese sich aufweitet. Der Diffusor ergibt deshalb einen sanften Übergang zwischen den beiden Turbinen, der den mit der umlaufenden Welle und Kupplung sowie mit Fluchtungsfehlern zwischen dem Ausgangs- und Eingangsringraum der beiden Turbinen verbundenen Energieverlust vermeidet, während gleichzeitig durch die Verwendung eines Diffusors die Energierückgewinnung erhöht wird. Ein zusätzlicher Fluidstrom kann in den im Strömungsweg liegenden Hohlraum durch einen Einlass eintreten lassen werden, der zwischen der Vorder- und der Hinterturbine angeordnet ist. Der Einlass ist so ausgebildet, dass er die Strömung von einer im Wesentlichen radialen Richtung in eine Strömungsrichtung umlenkt, die sowohl eine axiale als auch eine in Umfangsrichtung weisende Komponente aufweist. Beim Zusammentreffen der Zusatzeinströmung mit dem von der Vorderturbine kommenden Strömungsweg sind die Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen derart, dass sich verringerte Mischungsverluste ergeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine ausschnittsweise Längsschnittdarstellung eines oberen Teils zweier miteinander gekuppelter Turbinen, unter Veranschaulichung der Kupplung und des Strömungsweges zwischen denselben entsprechend dem Stand der Technik;
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2 ist eine Ansicht ähnlich 1, unter Veranschaulichung einer Kupplungsabdeckung nach dem Stand der Technik und
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3 ist eine Ansicht ähnlich 1, unter Veranschaulichung einer Kupplungsabdeckung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Bezugnehmend auf die Figuren der Zeichnung und hier insbesondere auf 1 ist dort eine erste und eine zweite Turbine, nämlich eine allgemein mit 10 bezeichnete erste oder Vorderturbine und eine allgemein mit 12 bezeichnete Hinterturbine dargestellt, die längs ihrer Strömungswege und dadurch miteinander verbunden sind, dass ihre beiden Rotorwellen miteinander gekuppelt sind. Die erste Turbine 10 weist eine Anzahl axial voneinander beabstandeter Laufräder 14 auf, die Laufschaufeln 16 tragen, welche zusammen mit mit Leitschaufeln 20 versehenen Zwischenböden 18 mehrere Stufen der ersten Turbine ausbilden. In ähnlicher Weise verfügt die zweite Turbine 12 über eine Anzahl axial voneinander beabstandeter Laufräder 22, die Laufschaufeln 24 tragen, welche im Zusammenwirken mit Leitschaufeln 28 tragenden Zwischenböden 26 mehrere Stufen der zweiten Turbine ausbilden. Ersichtlich tritt das Energiefluid, bspw. Dampf, im Wesentlichen axial durch die verschiedenen Stufen der Vorderturbine 10 längs eines durch einen Pfeil 27 angegebenen ersten Strömungswegabschnitts, durch einen Zwischenhohlraum 30 und durch einen durch einen Pfeil 29 angegeben zweiten Strömungswegabschnitt hindurch, der die verschiedenen Stufen der Hinterturbine 12 enthält. Auf diese Weise bilden die Strömungswegabschnitte 27, 29 und der Hohlraum 30 einen Strömungsweg durch die miteinander verbundenen Turbinen. Darüberhinaus sind die eigenen Rotorwellen 34, 36 der ersten und der zweiten Turbine 10, 12 durch eine allgemein mit 38 bezeichnete Kupplung miteinander verbunden. Die Kupplung weist Flanschen 40 an den Enden der Rotorwellen mit Bolzen 41 auf, die die Flanschen und damit die Wellen miteinander verbinden. Zusätzlich führen zwei radiale Fluid(Dampf)-Einlasskanäle 45 (von denen lediglich einer veranschaulicht ist) durch ein gemeinsames äußeres Gehäuse 42, um zusätzliches Fluid (Dampf) in den Zwischenhohlraum 30 eintreten zu lassen, so dass es zu dem Fluid in dem Strömungsweg hinzutritt.
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Wie im Vorstehenden bemerkt, liegen die umlaufenden Wellen 34, 36 und die Kupplung 38 in dem Hohlraum 30 zu dem Strömungsweg hin frei, was Ventilationsverluste durch turbulente Mischungsvorgänge und Verluste ergibt, die von einer Strömungsaufspaltung durch den Aufprall auf vorspringende Flächenteile auf der Kupplung 38 und an anderen Teilen herrühren.
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Ein bekannter Versuch diese Verluste zu verringern ist in 2 veranschaulicht. In 2 überdeckt eine zylindrische Haube 46, deren Achse mit der Drehachse der Rotorwellen 34, 36 zusammenfällt, unmittelbar die Kupplung 38. Die Haube 46 trägt rings um ihre Außenfläche radial vorragende Versteifungsrippen 48. Wenn durch diese Einrichtung auch von der umlaufenden Welle und Kupplung herrührende Verluste in gewissem Maße gemildert wurden, so bleiben die Verluste doch recht beträchtlich, wobei die zylindrische Haube weitere Verluste längs des Strömungsweges nicht berücksichtigt.
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Bezugnehmend nun auf 3 veranschaulicht diese eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Teile wie in den 1, 2 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, denen die Zahl 1 vorgestellt ist. Dargestellt ist eine Vorderturbine 110 mit axial voneinander beabstandeten Laufrädern 114, die Laufschaufeln 116 tragen, welche im Zusammenwirken mit Leitschaufeln 120 tragenden Zwischenböden 118 diskrete, axial voneinander beabstandete Turbinenstufen bilden. Die Laufräder 114 bilden einen Teil der Rotorwelle 134. In ähnlicher Weise verfügt die zweite oder Hinterturbine 112 über Laufräder 122, die Laufschaufeln 124 tragen, welche im Zusammenwirken mit mit Leitschaufeln 128 versehenen Zwischenböden 126 diskrete, axial voneinander beabstandete Turbinenstufen bilden. Die Laufräder 122 sind auf der zweiten Rotorwelle 136 angeordnet. Die erste und die zweite Turbine 110 bzw. 112 weisen Strömungswegabschnitte 127, 129 auf, die mit dem Hohlraum 130 einen Strömungsweg durch die Turbinen bilden.
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Die Rotorwellen 134, 136 sind ähnlich wie beim Stand der Technik durch eine Kupplung 138 miteinander verbunden, die Flansche 140 und eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Bolzen 141 dazu benutzt, die Flanschen aneinander zu befestigen. Ebenso wie beim Stand der Technik trägt ein gemeinsames äußeres Gehäuse 142 einen und vorzugsweise zwei radiale Fluid- oder Dampfeinlässe 144 zum Einlassen von Fluid (Dampf) in den Zwischenhohlraum 130, wo es (er) zu dem aus dem Austrittsringraum 147 der Vorderturbine 110 austretenden und in den Einlassringraum 149 der Hinterturbine 112 einströmenden Fluid (Dampf) hinzutritt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein allgemein mit 150 bezeichneter Diffusor vorgesehen, der einen Teil des Hohlraums 130 zwischen der ersten und der zweiten Turbine 110 bzw. 112 bildet. Zu bemerken ist, dass der Diffusor 150 aus dem aus der Vorderturbine 110 austretenden Fluid (Dampf) kinetische Energie vor dessen Eintritt in die Hinterturbine 112 rückgewinnt. Zur Ausbildung des Diffusors 150 wie auch um sowohl die Ventilationsverluste als auch die von den umlaufenden Teilen herrührenden Verluste auf ein Minimum zu reduzieren oder auszuschalten, ist eine innenliegende Abdeckung 152 in Gestalt eines kegel-stumpfförmigen Abschnitts mit einer Achse vorgesehen, die mit der Drehachse der miteinander verbundenen Wellen 134, 136 zusammenfällt. Die innenliegende Abdeckung 152 definiert einen innenliegenden Randbereich des Strömungsweges, welcher aus dem Austrittsringraum 147 der Vorderturbine 110 in den Eingangsringraum 149 der Hinterturbine 112 verläuft. Auf diese Weise erstreckt sich die innenliegende Abdeckung 152 von nahe von dem Fußradius der die Endstufe der Vorderturbine 110 bildenden Laufschaufeln zu dem Innenbund der Hinterturbine. Die Abdeckung 152 ist auf dem Innengehäuse der Hinterturbine 112 gehaltert. Der Strömungsweg durch den Zwischenhohlraum 130 ist auf diese Weise gegenüber der Kupplung 138 zwischen den Wellen im Wesentlichen abgedichtet.
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Der Diffusor 150 ist außerdem durch eine außen liegende Wand 154 definiert, die eine im Wesentlichen axiale, strömungsabwärts gerichtete Verlängerung der Vorderturbine 110 bildet. Die innenliegende Wandfläche 156 der äußeren Wand 154 definiert teilweise den äußeren Randbereich der aus der Vorderturbine 110 austretenden Strömung. Die innenliegende Abdeckung 152 und die Wand 156 begrenzen somit einen Ringraum um den Strömungsweg, dessen Durchtrittsfläche in einer strömungsabwärts weisenden Richtung zu der Hinterturbine 112 hin zunimmt.
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Die Einlasskanäle 145, von denen vorzugsweise zwei vorgesehen sind, ergeben einen radialen Fluid(Dampf)-Eintritt in den Zwischenhohlraum 130. Die Einlasskanäle 145 bilden einen Teil des für die Vorder- und die Hinterturbine gemeinsamen Außengehäuses 142. Die Einlasskanäle 145 sind so ausgebildet, dass sie die im Wesentlichen radial nach einwärts gerichtete Strömung beim Auftreffen auf die außen liegende Wandfläche 158 der äußeren Wand 154 ablenken und die Strömung axial und in Umfangsrichtung umlenken bevor sie in den Kupplungshohlraum 130 eintritt. Auf diese Weise ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Stelle, an der der Einlassströmungsweg auf den axialen Strömungsweg der Vorderturbine trifft so weit verringert, dass die Mischungsverluste entsprechend verkleinert sind.
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Die vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform bewirkt, dass von der Wellendrehbewegung herrührende Verluste und Ventilationsverluste beträchtlich reduziert oder ganz verhütet werden. Darüberhinaus ergibt der Strömungsweg zwischen dem Austrittsringraum der Vorderturbine und dem Eintrittsringraum der Hinterturbine einen glatten Strömungsübergang von dem einen in den anderen Ringraum und zwar ungeachtet von Höhen- und/oder Durchmesserunterschieden zwischen dem Austritts- und dem Eingangsringraum 147 bzw. 149.
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Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, das gegenwärtig als die beste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, so verseht sich doch, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern, dass sie im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und äquivalente Ausbildungen mit umfassen soll, die im Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.
