DE1426788A1 - Dampfturbinen - Google Patents

Description

^ Wilhelm Bs

Associated Electrical Industries Ltd. London, S.W. 1, "England

Dampfturbinen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Dampfturbinen. Insbesondere beschäftigt sie .sich mit dem Problem, daß die modernen Dampfturbinen, wo der Dampf bis in das nasse G-ebiet expandiert wird, in der Nähe der Schaufelenden der Hiederdruckstufen des Rotors stark der Erosion unterworfen sind. Dieses Problem tritt in den letzten Stufen der meisten modernen G-roßturbinen auf, in denen die Schaufelenden mit großer Geschwindigkeit umlaufen. Die erhöhte Erosionsgefahr beruht auf der Tatsache, daß sie ziemlich stark mit der relativen Aufprallgeschwindigkeit von den Wassertropfen auf die Schaufeln zu steigen scheint, d.h., daß die laufschaufeln mit höherer Umlaufgeschwindigkeit sehr viel eher verschleißen.

Es wurde gefunden, daß der Hauptanteil der !Feuchtigkeit, die durch die letzte Stufe einer Turbine hindurchgeht und in der

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die Expansion im nassen GEbiet endet, von sehr kleinen Tröpfchen gebildet wird, die leicht auf eine Geschwindigkeit gebracht werden können, die der des Dampfes ungefähr gleich ist, und die dann durch die laufschaufeln hindurchgehen, ohne ernsthaften Schaden anzurichten. Der größte Sohaden scheint durch den kleinen Teil der Feuchtigkeit verursacht r,u sein, der sich auf d^n Oberflächen der Leitschaufeln ansammelt, die der letzten Stufe der Laufschaufeln vorangehen. Das Wasser rinnt über die Ablaufkante dieser ruhenden leitschaufeln in einer irregulären vf eise ?b, und da die Oberflächen dieser Le it schaufeln dem Wasser die Gelegenheit verschaffen, sich in große Tropfen oder sogar dünne Streifen zusammenzuballen, fließt das Wasser über die Ab-

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Ij¹JjLfS ei ten der ruhenden Leitschaufeln in sehr großen Iropf en ab. Wegen ihrer Größe werden diese Tröpfen in der -axialen Lücke zwischen den ruhenden Leitschaufeln und den Laufschaufeln nicht νότα Dampf auseinandergerissen und "beschleunigt.. Daher wandern ,." sie mit relativ geringer Geschwindigkeit an den Laufschaufeln, entlang, d.h., sie werden durch diese mit einer Relativgeschwindigkeit durchschlagen, die ungefähr gleich der Umfangsimtf geschwindigkeit der Laufschaufeln ist, und verursachen dadurch die Erosion. Dieser Prozess wird noch teilweise dadurch verstärkt, daß flie PliissigkB-it aber die Ablauf selten der Leitschaufeln in. das lotwasserfe-ebiet der Laufschaufeln gerat, . wo Geschwindigkeit und kinetische Energie des Dampfe'? sehr -gering - im Vergleich zu denen des Hc/upt dampf stromes .sind, so .daß dort bei -~ weitem nicht, die Energie vorliegt, die sum Beschleunigen und.-,,... Auseinunderreißen der Wasserstropf en benötigt wird. . . . ..üsfr,:,-:;

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte D mpfturbine. _;·-;_; herzustellen^, in der die E_rosion in den letzten Stufen,.des -,:·.;. Rotors zumin.de.st reduziert wird.. .. · ^: . .- ......

Die D-mpfturbine enthält auf einem Rotor-angeordnete .Laufschaufelkränze und auf einem festen G_eh:iuse bzw. zwischen je zwei Laufschaufelkränzen angebrachte'LeItseh ufelkränze und weist erfindungsgemäß Mittel auf, durch die man D^mpf aus Durchströ-, mungskanälen in den Ablaufkanten mindestens der Leitschaufeln im letzten Leitschaufelkranz ungefähr, in die Richtun^,-des Hauptdamijfströme, gegen die Schaufeln ausströmen lassen .kann., . .-■■■■.

Die Erfindung wird nun anhand eines .JLXs£-lhrungsb^is^,ie:ls- und '■'' .--?*■' anhand dei·:' begleitenden Zeichnun_oen .erklärt.. . . , . ....-,> .;.'

Eig. 1 ist-'-die^Seitenansicht einer Leitschaufel einer D turbine und einer angrenzenden Laufschaufel.

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■Pig. 2 ist die Draufsicht auf die Leitschaufel der Fig. 1 entlang der linie II-II.

Pig. 3 ist die Draufsicht auf eine Ablaufseite oder -fc'nte der in Pig. 2 gezeigten Leitschaufel.

Pig. 4 ist eine der Pig. 3 ähnliche Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel.

In den Pig. 1-3 enthält der Zwischenboden 1 des Laufseh-ufelkranzes einer Dampfturbine einen inneren Ring 3 und einen äußeren Ring 5_t zwischen denen eine Anzahl von Leitschaufel·^ 7 fest angeordnet sind. Solch eine Anordnung ist in großen Dampfturbinen üblich, und der Zwischenboden, der längs einer horizontalen Ebene geteilt ist, enthält die Lager des Rotors 9 der Turbine, um dessen Ein- und Ausbau zu. ermöglichen. Der Rotor hat eine Anzahl von Laufschaufelstufen, von denen jede aus einem Laufsohaufelkranz besteht. Die Piguren zeigen eine der Schaufeln 15 der letzten Stufe. Die Abbildungen haben weitgehend den Charakter eines Schaubilds, d.h. belanglose Einzelheiten wie die Befestigung der Schaufeln sind nicht gezeigt.

.Die Leitschaufel 7» und in Wirklichkeit jede dieses Leitschaufelkranzee,ist hohl, da sie aus einem gebogenen, streifenförnigen Material entstanden ist. Die Ablaufkf-.nte 7B bildet einen Sohne bei oder Schlitz oder eine Djiise 17. Der innere Hohlraum der Leitschaufel 7 und damit der tiller Leitschaufeln des gleichen Leitschaufelkranzes steht am radialen äußeren Ende mit einem Daepfverteilerrohr 19 in Verbindung, das durch den äußeren Ring 5 hindurchgeht. Der innere ..uerschnitt des Schlitzes 17 kann divergent wie in Pig. 3 oder konvergent wie in Pig. 4 sein. Der querschnitt der'Leitschaufel 7 ist gekrümmt. Wenn erwünscht,

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lumn die AblaufSeite der Schaufel auch zugespitzt sein, indem mfm von der Außenseite her einen Teil ? bnimnit, wie das durch die gestrichelte it±n±e in der Kg. 4 angedeutet ist. Obwohl dieses Zuspitzen nur auf der konkaven Seite der Schaufel gezeigt ist, lr-nn es ;~,ueh -mf beiden leiten oder auf einer der beiden Seiten der Schaufeln vorgenommen werden.

Das D^;impf verteilerrohr "i9 steht über eine .^zahl von Kanälen, von denen einrin der Fi*.:. ; gezeigt ist, mit einer D--,pfuelle in Verbindung , in der der D- pfdruck großer als in dev:i Gebiet, der Leit schuf el 7 während des 'nor* -.-len Arbeitens der Turbine ist. j^ine geeignete Da:..pfuellek nnte eine Abzapf stelle einer höheren Druckstufe der Turbine sein.

Wegen des hohen i'rU-ckverh^.ltnisses, bei dej, die Leit schaufeln non. lerweise <-rbeiten, /ist es jedoch iiöglich, den Austrittsschlitz in der och ufel ; it den in. diese Stufe eintretenden Dampf zu sueisen. Die erfiiidun sgemäß angestrebte Wirkung wird auch dabei vorhsinden sein, obwohl die Geschwindigkeit des aus dem Schlitz zuströmenden D,-.mpfes in einem solchen Sail wahrscheinlich kleiner ist als die Geschwindigkeit des Hauptdampfes, was durch die zu- : sätzlichen Druckverluste im Yergleich zu dem D-,mpf, der durch den oph. afelkfnfl strömt, verursacht wird. Dr eine solche Anordnung geringen thermod;_:naiaisehen Verlusten rusgesetzt ist, weil der D_ompf, der aus dem L· hlit.z 7 auströmt, vorher durch keinerlei Entsy. nnun,,sstufen geströmt ist, können in einem s lchen F ..11 größere Ken.jen Dii.ipf vervrendet werden. Bei der besonderen. Oben erwähnten Anordnung kann der D^rapf in jede '6chaufel einzeln eintreten, so dp - kein Dampfverteilerrohr notwendig l· t. Wenn an jeder hohlen Schaufel eine Sin;-,angsöffnung an oder in der Nähe der Anlaßk-nte und an einer redi·-len Stelle, wo der G_pB^mtdruck aufdie Anl--ßk---nte dyr Leitseh-.ufel 7 am höchsten ist, vorgesehen ist, lie.nn d-idurch Gip.e Ώ^Λΐ:φίgeschwindigkeit durch den iVchlitz 17 er-

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zielt werden, die ähnlich der Geschwindigkeit des Hauptd-· mpfstroms ist.

Während des Betriebs der Turbine strömt Dampf aus einer „uelle Liber das Danpfverteilerrohr ig in die Schaufel 7 und die anderen Schaufeln dieses Leitsehaufelkranzes und wird d-inn durch den Schlitz 17 entspannt. aIs E_rgebnis der gezeigten Anordnung entströmt der Ablaufseite der Leitschaufeln ein dünner, fIoeher Dampfstrahl. Der Schlitz ist s.-. geformt, daß der Daiaofstr =.hl die gleiche Richtung· wie der Haupt da tupf strahl hat, der von den Leitschaufeln .? us strömt, v/ie oben erwähnt, haben Waasertropfon die Nc-itiUn^·, Auf die Oberfläche der Leitschaufeln auf r.upr allen, sich dort zu vereinigen und in lorm von groiBen kröpfen oder streifenförTii^; ^;.lber die Ablaufseiten der Schaufel abzufließen»· Der Dampfstrahl wird beim Verl ssen der -ablauf seit en der Schaufeln in den Ri-uin hinter der Afclaufseite der Schaufel eingeblasen (Totwasser— gebiet), irp reißö das von den AbIaufkanten kommende Vfasser mit und hilf!; df.bei, dieses einerseits in relativ kleine Tropfen zu zerreißen, und es andererseits auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die nit der Geschwindi-icei-o des H-'-u.rbd--vpfstreue in der gleichen G-rclBenordnung lie^t. \lQwa diese erreicht oder -.nniihernd erreicht ist,* d'-nn ist die relative ,vufprallgeschwinäi_&keit des ¥"Ssers auf die i_ch-ufeln des Rotors beträchtlich vormindert und eine st-rice Verkleinerung der ärosions^efahr ist erreicht, ucli wenn die Tropfen noch ziemlich groß sind.

Dia Dicke det- D-inpfstrohls hat etwa die gleiche G-rößenordnunvie die Dicke der i. eic en:c-.ntt.n des i.»_chlitaeü Ί7 ? diese Abmeasungen sind klein im Vergleich sum -xi.-len /bstand zwischen, ^blauf-■:-'.nten der ...e it schaufeln und ÄnlaßkHnten der Laufs chr-uf ein, und sie sind noch viel kleiner im Vergleich zu der Stocke, die der D~<iipfstr hl infolge des Mistrittswinkels in schräger Richtung zur^;ickli gen muß, bevor er die Anlaßkf.nten der Laufschaufeln erreicht. Daher steht eine genügende Strecke zur Verfügung, um das

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To .wasser zu beruhigen und die-. Antriebskraft vom mittleren Dampfstrahl auf das Totwassor und das Wasser zu übertragen, das von d&n Ablaufkanten der Schaufel 7 kommt.

Indem man den D mpf in das Inn r d;\r Schaufel mit ein m höheren Druck einführt, als dem Dampfdruck am Eingang zu dieser "besonderen Stufe oder des LeitschaufKranzes entsprechen würde, wenn man ihn z>B. von der vorhergehenden Stufe abzapft, kann die ■ Strahlgeschwindigkeit größer als. die des HauptdampfStroms gemacht warden. "Df-. in dennDdernen Großturbinen die.Leitschaufein des gezeigten Typs ungefähr beim kritischen Druckverhältnis arbeiten, ist das Druckverhältnis beim Entspannen des Dampfes durch den Schlitz 17 wahr scheinlich größer als das kritische. D-'her ist der statische Druck im ".."als des Se—litzes 17 -öiier als der mittlere statische Druck dos umgebenden Dampfes, und die resul- - tier ende jäxpansion dos D mpf Strahls nach "Verlassen des Schlitzes 17, die in Strahlen mit Überschallgeschwindigkeit wohlbekannt ist, unterstützt die Übertragung der Antriebskraft _t die Beschleunigung und das Zerreißen der ¥a,.ssertropfen oder -filme.

Die Wirkungsweise der Leitschauf ein kann noch verbessert w rden, w^nn mrxn deren Innenseiten so ausbildet, daß für eine glatte bzw. wirbelfreie Beschleunigung des gegen den S_chlitz 17 strömenden Dampfes gesorgt ist. Sine solche Anordnung ist in Mg.. 4- gezeigt. Auf der anderen Seita kann es vorteilhaft sein, insbeeondere wenn das Druckverhältnis längs des S hlitzes höher als das kritische ist, äen Sehlitzdurchgang selbst als konvergent-diver-...ente Düse gemäß Kg. 3 s,ua;ubilden, um in deci. Schlitz die Beschleunigung des treibenden Str-.hls auf UTaerschvllgeschwindigkeit zu erreichen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Kußenvfände ,der Ablauf kanten der Leitschaufeln in geeigneter TsTIu se abzurunden oder abzuschre-iHgen (v/ie es die gestrichelte Linie in Pig. 4 zeigt), um die Ablaufkcmten am Schlitz zuzuspitzen, damit das Wasser, das von den Schaufeloberflächen kommt, so nah

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wie möglich, zu den Ablaufkanten gelangt. Diese Abschrägun^.en können auch an der anderen Seite des Schlitzes angebracht werden. Außerdem kann sowohl die Innenseite .ils auch die Außenseite der Düse in dieser ¥_oise abgeschrägt sein.

Da der D^mpf, der durch die Leitschaufel 7 bis zum S_chlitz 17 hindurchströmt, heißer als der D--mpf ist, der über die Außenseite der Sch ufel strömt, kann das Schaufelmetall gut bis über die Sättigungstemperatur des dieses umgebenden Dampfes in den Kanälen des Hauptdampfstroms erhitzt werden. Daraus wird einerseits eine teilweise Verdampfung des sich auf den Schaufeloberflächen ansammelnden V ssers resultieren, andererseits wird ein Temperaturgradient in die Schaufel umgebenden Hauptdampfstrom auftreten, wodurch aufgrund des Wärmeleitvermögens der ELuß mikroskopischer ¥ issertropfen auf die Schaufeloberfl^:~lclie vermindert wird. Diese Wärmeeffekte können durch Unterteilungen, Rippen oder Zwischenwände innerhalb der Leitsch-uieln vergrößert werden, so daß der durch den Schlitz 17 hindurchgehende D .mpf eine größere Strecke zurücklegt.

Dir- Entspannung des 1/aupfes sollte mindestens über das radiale äußere ^inde der Äblauflc nte der Leitschaufel vorsichgehen und kann sich auch über die gesamte L nge der Ablaufkasten erstrecken.

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Claims (9)

Patentansprüche. ' .

1. Ό-mpf turbine-' nit i'iif einem Rotor angeordneten -Laufs chaufelkränzen und auf' einem festen Gehäuse bzw. zwischen je zwei Laufschaufelkränzen angebrachten Leitschaufelkränzen, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e -t-. ., daß sie Mittel ent hält, durch die man. ITiap-f aus I)urchströmungska;nälen in den Ablauf kanten mind stens der Leitschaufeln im letzten Leitschaufelkranz ungefähr in die Richtung des Hauptdampfstromes gegen die Schaufeln ausströmen !-·■ ssen kann.

2. Dampfturbine nach aiiEpiaich ί , dadurch g e -

k e η ns eic h η e t ,; daß die At)If: uf leant en jeder Lcitsch'-ufel mit einer Dimpfauslai3öffnunfc versehen sind, die sich vom radialen·- äußeren Snde der schaufel-her na.ch innen erstredet.

3. ID^iapf tür bine nach Anspruch 1 oder £, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Öffnungen in jeder Schaufel wie ein düsenförmiger Schlitz geformt sin·.

4. D^iiipfturbine n^ch einem oder mehrerfcii der vo-2>.;.3rgeh-nden. .Auspriicho, d -:. durch - g e k e η η zeichnet, daß jede Leitschaufel in einem Leitschaufelkranz hohl ist \>ζ\ι. zwei passend geformte Metsllyrinäe enthält., die die einander zugewandten leiten der Lo_ohaufel bilden, und daß mindestens oin Soil oder Teile der- angrenzenden "Centen der !fände an der Ablauf seite der Bell iif el einen genügenden Abstand haben" und" die .Öffnungen bilden.

5. I;-,.ipf turbine nach ,',nsprueh .4>/ da durch g e k e η η - ze i c /ι η e t_: , ολ3 die in der ϊί he der auf Abstand gehaltenen linnten liegenden Teile der w-oide eine solche Porm haben, ' dr.S a^r .dtrüZi.'n^bfc-iifvl fär der< dr.rcli die; Offnun£ strömenden I)F:rjf »coiivor, ;iert. ..'■■-...

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6. D. .mpfturbine nach Anspruch 4, el α durch <·: e kennzeichnet , daß die in der Β^.1ιο der auf Abstand gehaltenen Kanten liegenden T ile der ¥^:;,nde eine solche lorm haben, daß der Si?röiuungska.nal für den durch die Öffnung strömenden Dampf anfangs konvertiert und anschliessend divergiert.

7. Dampfturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Schaufeln unterteilt ist, wodurch der We^; des durch die Schaufel sur Öffnung strömenden Dampfes verl-Mngert ist und der Wärmeaustausch zwischen D mpf und Schaufel verbessert wird.

8. Dampfturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dad ure h gekennzeichnet, daß dio nlaiSkante jeder Leitschaufel eines Leitschaufelkranzes eine Einlaßöffnung enthalt, die mit den öffnungen an der AbIaufkante verbunden sind, den durch die Turbine strömenden D upf aufnehmen und diesen durch die Öffnungen in der Ablaufkante ausströmen 1 ssen, wodurch die D apfmen^e, die durch die Öffn ng in der A !aufkante ausströmt, vergrößert wird.

9. D'-:-iipfturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprache, ■ dadurch gekennzeichnet, daß die radialen äußeren I^tlo.en des Le.itschaufelkranzes an dem äußeren Ring eines Zv/ischenbodens befestigt sind, der wiederum am [Durbinengehäuse an£ bracht ist, und d ;.ß der äußere Ring ein D mpfverteilerrohr enthalt, das mit einer Dampf uelle verbunden ist und gleichzeitig die Öffnungen aller Schaufeln eines Leitschaufelkranzes mit D mpf beliefert.

Ί0. Dampfturbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Dampf, der von den .öffnungen ausströmt, auf einer höheren Temperatur ist als der Hauptdampfstrom zu den Leitsohaufeln hin. . ·

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