DE112009002266B4

DE112009002266B4 - Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine

Info

Publication number: DE112009002266B4
Application number: DE200911002266
Authority: DE
Inventors: Pierre-Alain Masserey; Rolf Hunziker; Benedikt Wanner
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: WO2010034614A1; CH699598A1; JP5550651B2; CN102165141B; DE112009002266A5; US8425193B2; JP2012504203A; CN102165141A; US20110268574A1

Abstract

Rotierende Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine mit Schaufeln (10), jeweils einer integrierten Deckplatte (18), wobei die Deckplatte (18) jeder Schaufel (10) in der Reihe an jeweils ihrer Druckseite (14) einen Vorsprung aufweist zur Abschirmung des saugseitigen Deckplattenfillets (19) der in Strömungssrichtung nachfolgenden Schaufel (10) vor zumindest einem Teil von Wassertropfen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (20) in der der Vorderkante (16) zugewandten Hälfte der Deckplatte (18) angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine rotierende Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine und insbesondere Deckplatten der Endstufenschaufeln.
Stand der Technik
Dampfturbinen, genauer Niederdruckdampfturbinen, weisen in ihrer letzten Stufe eine Schaufelreihe von Endstufenschaufeln auf, die aufgrund ihrer grossen Länge und Masse im Vergleich zu Schaufeln anderer Stufen während des Turbinenbetriebs entsprechend grossen Zentrifugalkräften und Schwingungen ausgesetzt sind. Um diese Schwingungen zu dämpfen, weist jede Endstufenschaufel dieser Schaufelreihe typischerweise eine Deckplatte auf, die an den Seiten zu den in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln so gestaltet ist, dass sie jeweils in die Deckplatte der benachbarten Schaufeln eingreift. Die Deckplatten sind zudem so gestaltet und dimensioniert, dass die Zentrifugalkräfte möglichst begrenzt und die Belastungen möglichst gleichmässig verteilt sind. Insbesondere sind die Deckplatten von Endstufenschaufeln, im Vergleich zu den Deckplatten anderer Stufen in der Turbine, mit kleineren Überhängen gestaltet.
Häufig weisen die Endstufenschaufeln zusätzlich auf mittlerer Schaufelhöhe einen Dämpfer, vielfach auch als Snubber bezeichnet, um die Schwingungen weiter zu dämpfen.
An Endstufenschaufeln treten aufgrund der Nassdampfumgebung häufig Erosionsschäden auf, die durch Tropfenschlag hervorgerufen werden. Es sind verschiedene Massnahmen zur Reduzierung oder Vermeidung solcher Schäden bekannt, wie zum Beispiel aus EP 1 609 951 A1 und JP 2005-133 543 A . EP 1 609 951 A1 offenbart eine Endstufenschaufel mit integrierter Deckplatte, die im Bereich der von Erosionsschäden betroffenen Schaufelvorderkante einen Absatz, der sich radial einwärts in Richtung zum Schaufelfuss hin erstreckt, sowie eine gekrümmte Fläche entlang der Seite der Deckplatte aufweist. Durch diese Massnahmen wird die Problemzone eliminiert und das Potential der Ansammlung von Feuchtigkeit reduziert ist.
JP 2005-133 543 A offenbart rotierende Schaufeln, unter anderem auch für die Endstufe, deren Eintrittskante einen Erosionsschild aufweist bestehend aus einer gehärteten Zone, die sich von der Schaufelspitze in Richtung zum Schaufelfuss hin erstreckt.
EP 1 911 935 A2 offenbart eine Endstufenschaufel einer Dampfturbine mit einer integrierten Deckplatte, wobei die Hinterkante einer Schaufel mit der Vorderkante der benachbarten Schaufel mittels einer Torsionskraft in Kontakt sind. Hierfür weist ist die Hinterkante jeweils radial gestuft ausgeführt.
DE 200 23 475 U1 offenbart eine Endstufenschaufel mit integrierter Deckplatte sowie Rippen an der Deckplatte, die der Abschirmung von Schaufelteilen vor Wassertropfen dienen.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, eine rotierende Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine zu schaffen, deren Anfälligkeit auf Erosionsschäden reduziert ist, dies insbesondere am Deckplattenfillet auf der Saugseite der Schaufel, das heisst in der Übergangszone zwischen der Saugseite der Deckplatte und der Saugseite des Schaufelblatts zur Vorderkante hin.
Diese Aufgabe ist durch eine rotierende Schaufelreihe gemäss dem unabhängigen Anspruch gelöst. Besondere Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine rotierende Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine weist Schaufeln mit jeweils einer integrierten Deckplatte auf, wobei die über das Schaufelblatt überhängenden Deckplatten der in der Schaufelreihe benachbarten Schaufeln jeweils im Bereich ihrer Hinter- und Vorderkanten ineinander greifen. Erfindungsgemäss weist die Deckplatte jeder Schaufel in der Reihe jeweils an ihrer Druckseite einen Vorsprung auf, der Tropfen im Arbeitsfluid der Dampfturbine davon abhält, das saugseitige Deckplattenfillet, das heisst die Übergangszone zwischen saugseitiger Deckplatte und saugseitigem Schaufelblatt zur Vorderkante hin, der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufel zu erreichen. Der Vorsprung schirmt das saugseitige Deckplattenfillet jeder Schaufel vor Wassertropfen und entsprechenden Schäden durch Tropfenschlagerosion ab.
Der erfindungsgemässe Vorsprung der Deckplatte erstreckt sich in der Richtung parallel zur Rotorachse der Dampfturbine so weit, dass zumindest ein Teil der Wassertropfen, insbesondere die grösseren Wassertropfen, vom Vorsprung abgelenkt werden, die von der Arbeitsströmung mitgetragen werden und in Strömungsrichtung oder in einem Winkelbereich um die Strömungsrichtung des Turbinenarbeitsstroms sich bewegen. In Abwesenheit eines erfindungsgemässen Vorsprungs würden diese das Deckplattenfillet der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufel erreichen.
Der Vorsprung zur Abschirmung des saugseitigen Deckplattenfillets der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufel ist insbesondere im Bereich der Vorderkante jeder Schaufel angeordnet, sodass ein Massengleichgewicht der Deckplatte zwischen Saug- und Druckseite der Deckplatte gewährleistet ist. Zusätzlich ist der Vorsprung so gestaltet, dass ein Spannungsgleichgewicht zwischen dem Vorsprung auf der Druckseite und der saugseitigen Deckplatte besteht. Da der Vorsprung aufgrund des Massen- und Spannungsgleichgewichts von der Hinterkante der Schaufel entfernt und näher der Vorderkante angeordnet ist, muss der Vorsprung um so grösser sein, indem er sich weiter in axialer Richtung, d. h. parallel zur Rotorachse der Dampfturbine erstreckt, um eine Abschirmung des saugseitigen Deckplattenfillet der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufel zu gewährleisten.
Um Festigkeitsprobleme zu vermeiden, ist der Vorsprung in seiner radialen Erstreckung zum Schaufelfuss hin entsprechend grösser ausgestaltet, d. h. im Bereich des Vorsprungs besitzt die Deckplatte eine grössere radiale Erstreckung im Vergleich zu anderen Bereichen der Deckplatte.
Schaufeln der Endstufe für eine Dampfturbine werden typischerweise an deren Vorderkante gehärtet. Um den Härtungsprozess an der Vorderkante der Schaufel zu ermöglichen, weist der Vorsprung zwischen seiner grössten axialen Erstreckung und der Vorderkante der Schaufel eine Einbuchtung auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer typischen, gemäss dem Stand der Technik rotierenden Schaufelreihe der Endstufe einer Dampfturbine,
2a eine Draufsicht von Deckplatten einer Reihe von Endstufenschaufeln gemäss dem Stand der Technik,
2b eine Draufsicht von Deckplatten einer Reihe von Endstufenschaufeln gemäss der Erfindung,
3 eine perspektivische Ansicht erfindungsgemässer Deckplatten einer Reihe von Endstufenschaufeln einer Dampfturbine.
Ausführung der Erfindung
1 zeigt typische, aus dem Stand der Technik bekannte, rotierende Endstufenschaufeln 1 für eine Dampfturbine, die in einer Schaufelreihe auf einem nicht gezeigten Rotor einer Dampfturbine angeordnet sind. Es sind jeweils der Schaufelfuss 2, das Schaufelblatt 3, deren Druckseite 4, Saugseite 5, Vorderkante 6 und Hinterkante 7, sowie die mit dem Schaufelblatt 3 integrierte Deckplatte 8 gezeigt. Die Deckplatten 8 von in der Reihe benachbarten Schaufeln 1 sind so gestaltet, dass sie im Bereich ihrer Vorder- und Hinterkanten 6, 7 ineinander greifen, sodass Schwingungen während des Betriebs möglichst gedämpft werden. Um die Masse der Deckplatten und entsprechend die Zentrifugalkräfte möglichst niedrig zu halten, sind die Deckplatten typischerweise schmal ausgeführt mit begrenzter Gesamtmasse und möglichst kleinen Überhängen über die Ausmasse der Kontur des Schaufelblattes an der Schaufelspitze.
2a zeigt die Kontur von bekannten Deckplatten 8 in einer Draufsicht mit einer Vorderkante 6, Hinterkante 7, Druckseite 4 und Saugseite 5, wobei die Deckplatte auf der Saugseite nahe der Vorderkante und auf der Druckseite nahe der Hinterkante über die Kontur des Schaufelblatts überhängende Teile 6' und 6'' besitzt. Sie weisen zudem im Bereich der Vorderkante 6 ein Deckplattenfillet 9 an der Saugseite 5 der Schaufel auf. Das Deckplattenfillet 9 befindet sich in der Übergangszone von der Saugseite des Schaufelblatts nahe der Vorderkante 6 zu dem Teil 6' der Deckplatte, der über der Saugseite überhängend sich erstreckt und in Kontakt mit dem überhängenden Teil 6'' an der Druckseite der benachbarten Deckplatte ist. Wassertropfen, die von der Arbeitsströmung der Dampfturbine mitgerissen werden, prallen auf das Deckplattenfillets 9, wo es im schraffiert angedeuteten Bereich E zu Erosionsschäden kommen kann. Dabei werden kleinere Wassertropfen von der Dampfströmung eher mitgetragen als grössere. Kleinere Wassertropfen bewegen sich beispielsweise entlang Pfaden W₀ nahe der Strömungsrichtung während grössere Wassertropfen, die aufgrund ihrer Masse von der Strömung weniger mitgerissen werden als die kleineren, entlang Pfaden W₁ sich bewegen.
2b zeigt Schaufeln 10 einer Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine, jeweils mit einer mit dem Schaufelblatt integrierten, erfindungsgemässen Deckplatte 18, wiederum in einer Draufsicht wie in 2a. Es sind wiederum die Vorderkante 16, Hinterkante 17, Druckseite 14, Saugseite 15 sowie die Teile 16' und 16'' der Deckplatte gezeigt, welche an der Saugseite nahe der Vorderkante des Schaufelblatts bzw. an der Druckseite nahe der Hinterkante des Schaufelblatts einen Überhang bilden. Das Deckplattenfillet 19 befindet sich in der Übergangszone zwischen dem saugseitigen, überhängenden Teil 16' der Deckplatte und der Saugseite des Schaufelblatts zur Vorderkante 16 hin. Die Deckplatte 18 weist an ihrer Druckseite 14 und im Bereich ihrer Vorderkante 16 einen Vorsprung 20 auf, welcher der Abschirmung des Deckplattenfillets 19 auf der Saugseite 15 der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufeldeckplatte vor Wassertropfen dient. Die Anordnung des Vorsprungs 20 im Bereich der Vorderkante 16 und zumindest in der vorderen, der Vorderkante 16 zugewandten Hälfte der Schaufeldeckplatte 18 vermeidet einen zusätzlichen Überhang im Hinterkantenbereich und ein damit verbundenes Potential für Festigkeitsprobleme der Deckplatte. Der Vorsprung 20 ist in seiner Erstreckung in der axialen Richtung A, d. h. senkrecht zur Rotationsrichtung C und parallel zur Turbinenrotorachse, so gestaltet, dass zumindest die grössten Tropfen, die im Arbeitsstrom mitgetragen werden, abgelenkt werden. Durch die Ablenkung strömen sie in Richtung des Turbinengehäuses und verlassen dort über ein Absaugsystem den Strömungskanal der Turbine. Die Vorderkante 16 und das Deckplattenfillet 19 jeder Deckplatte 18 in der Schaufelreihe ist somit durch den Vorsprung 20 der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufeldeckplatte vor Tropfenschlagerosion geschützt. Die maximale Erstreckung des Vorsprungs 20 in der axialen Richtung A ist gemäss dem Kriterium festgelegt, dass der Winkel α zwischen der Rotationsrichtung C und der Linie, die von der Vorderkante 16 der Schaufel zur maximalen axialen Erstreckung E_max des Vorsprungs 20 führt, möglichst klein ist.
Der Vorsprung ist zudem durch zwei Flanken gekennzeichnet, wovon eine der Vorderkante 16 zugewandte Vorderflanke des Vorsprungs eine Einbuchtung 21 aufweist. Die Einbuchtung befindet sich also zwischen der Vorderkante 16 der Schaufel und der maximalen axialen Erstreckung E_max des Vorsprungs 20. Sie gewährleistet eine Reduzierung der Masse der Deckplatte sowie insbesondere einen Zugang zur Vorderkante zwecks Härtung des Schaufelblattmaterials entlang der Vorderkante 16. Eine der Hinterkante zugewandten Hinterflanke 22 des Vorsprungs 20 ist so gestaltet, dass sie in einem sanften Winkel zur druckseitigen Konturlinie der Deckplatte verläuft, d. h. einerseits bezüglich der Rotationsrichtung C nicht zu abrupt ausfällt, anderseits gross genug ausfällt, sodass die Masse des Vorsprungs begrenzt ist.
2b stellt auch die Abschirmwirkung dar, die durch den Vorsprung 20 erzielt wird. Der Vorsprung und insbesondere seine axiale Erstreckung bewirkt, dass zumindest die grössten Wassertropfen abgelenkt werden und das Deckplattenfillet der in der Schaufelreihe in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufeldeckplatte nicht treffen. Die Linien W₀ bedeuten Strömungspfade kleinerer Wassertropfen, während die Linien W₁ einen Strömungspfad grösserer Wassertropfen darstellen. Erstere, kleinere Tropfen werden durch den Vorsprung von ihrem Strömungspfad nicht abgelenkt und treffen nach wie vor auf das Deckplattenfillet der nachfolgenden Schaufel. Aufgrund ihrer kleineren Masse verursachen sie jedoch nur begrenzten Erosionsschaden in dem Bereich. Die grösseren Wassertropfen hingegen, werden vorwiegend durch den Vorsprung 20 abgelenkt. Grössere Wassertropfen treffen lediglich auf die Vorderkante 16 der nachfolgenden Schaufel. Durch die Härtung dieser Kante, entstehen dort jedoch keine Schäden.
3 zeigt Schaufeln 10 einer Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine, jeweils mit einer erfindungsgemässen Deckplatte 18 von 2b. Die Figur zeigt zusätzlich die radialen Erstreckungen der Deckplatte 18. Insbesondere weist der Überhang der Deckplatte im Bereich der Hinterkante 17 der Schaufel eine radiale Dicke rt₁ auf, während im Bereich des Vorsprungs 20 die radiale Dicke der Deckplatte, mit rt₂ bezeichnet, grösser ist als rt₁ im Hinterkantenbereich. Dies ist notwendig, um eine genügende Abschirmung des Deckplattenfillets der in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufel vor grossen Wassertropfen zu gewährleisten. Der Vorsprung 20 ist aus Festigkeitsgründen nicht im Bereich der Hinterkante angeordnet, weil dort der bereits bestehende Überhang sonst zu weit über die Druckseite des Schaufelblatts 13 hinausragen und ein zu grosses Risiko für die Festigkeit der Deckplatte darstellen würde. Da der Vorsprung stattdessen im Bereich der Vorderkante angeordnet ist, ist er in seiner radialen Erstreckung sowie axialen Erstreckung entsprechend gross genug realisiert, sodass die gewünschte Abschirmung dennoch erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Endstufenschaufel in Schaufelreihe
2: Schaufelfuss
3: Schaufelblatt
4: Druckseite
5: Saugseite
6: Vorderkante
6': saugseitiger Teil der Deckplatte
6'': druckseitiger Teil der Deckplatte
7: Hinterkante
8: Deckplatte
9: saugseitiges Deckplattenfillet
10: Schaufel
13: Schaufelblatt
14: Druckseite
15: Saugseite
16: Vorderkante
16': saugseitiger Teil der Deckplatte
16'': druckseitiger Teil der Deckplatte
17: Hinterkante
18: Deckplatte
19: saugseitiges Deckplattenfillet
20: Vorsprung
21: Einbuchtung
22: Hinterflanke
α: Winkel zwischen Umfangsrichtung und Linie von Vorderkante zu Vorsprung-Maximum
A: axiale Richtung parallel zur Turbinenrotorachse
B: Linie durch maximale Erstreckung der Vorderkante und maximale Erstreckung des Vorsprungs
C: Umfangsrichtung, Rotationsrichtung
E_max: maximale axiale Erstreckung des Vorsprungs
W: Pfad von Wassertropfen
W₀: Strömungspfad von grösseren Wassertropfen
W₁: Strömungspfad von kleineren Wassertropfen
rt₁: radiales Ausmass der Deckplatte im Überhang bei Hinterkante
rt₂: radialer Ausmass der Deckplatte im Vorsprung

Claims

Rotierende Schaufelreihe für die Endstufe einer Dampfturbine mit Schaufeln (10), jeweils einer integrierten Deckplatte (18), wobei die Deckplatte (18) jeder Schaufel (10) in der Reihe an jeweils ihrer Druckseite (14) einen Vorsprung aufweist zur Abschirmung des saugseitigen Deckplattenfillets (19) der in Strömungssrichtung nachfolgenden Schaufel (10) vor zumindest einem Teil von Wassertropfen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (20) in der der Vorderkante (16) zugewandten Hälfte der Deckplatte (18) angeordnet ist.
Rotierende Schaufelreihe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (20) sich von der Druckseite der Deckplatte (18) in der axialen Richtung (A) parallel zur Rotorachse der Dampfturbine erstreckt.
Rotierende Schaufelreihe gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (20) so weit weg von der Deckplatte (18) im Bereich der Vorderkante (16) der Schaufel (10) angeordnet ist, dass ein Massengleichgewicht der Deckplatte (18) zwischen Saug- und Druckseite der Deckplatte (18) gewährleistet ist.
Rotierende Schaufelreihe gemäss Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vorderkante (16) der Schaufel (10) und der maximalen Erstreckung (E_max) des Vorsprungs (20) in der axialen Richtung (A) parallel zur Rotorachse der Dampfturbine eine Einbuchtung (21) vorhanden ist.
Rotierende Schaufelreihe gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung (rt₂) des Vorsprungs (20) grösser ist als die radiale Erstreckung (rt₁) der Deckplatte (18) im Bereich der Hinterkante (17) der Schaufel (10).