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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitschaufelkranz mit Einrichtungen
zum Absaugen von Kondenswasser in Dampfturbinen, mit Ringkanälen, die mit dem Innenraum
hohler Leitschaufeln verbunden sind, die sowohl an ihrer konvexen als auch an ihrer
konkaven Schaufelseite mit zur Strömungsrichtung im wesentlichen senkrechten länglichen
Absaugeöffnungen in der Schaufelwand versehen sind, wobei die Absaugeöffnungen in
parallelen Reihen zwischen Schaufelkopf und Schaufelfuß so angeordnet sind, daß
eine überlappung der Absaugeöffnung in radialer Richtung gegeben ist, und wobei
die Absaugeöffnun gen auf der konkaven Schaufelseite nahe der Austrittskante der
Leitschaufeln angeordnet sind.
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Ein derartiger Leitschaufelkranz ist aus der schweizerischen Patentschrift
414 677 bekannt.
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Bei dem bekannten Leitschaufelkranz sind die Absaugeöffnungen nicht
nur auf der konkaven, sondern auch auf der konvexen Schaufelseite nahe der Austrittskante
angeordnet. Dies aber erfordert ein relativ hohes Druckgefälle zur Absaugung, wie
aus den folgenden Überlegungen zu ersehen ist: Der Druck im Strömungsraum des Leitschaufelkranzes
ändert sich sowohl in radialer und axialer als auch in Umfangsrichtung so stark,
daß auch die Druckverteilung auf der Leitschaufeloberfläche stark differiert. Dagegen
herrscht im Innenraum der hohlen Leitschaufel ein konstanter Druck.
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Um nun die Kondenswasserabsaugung von der Wandoberfläche an allen
vorgesehenen Stellen des Leitschaufelkranzes zu gewährleisten, muß beim bekannten
Leitschaufelkranz der Druck im Leitschaufelinnenraum so niedrig eingestellt sein,
daß auch an der Absaugeöffnung mit dem niedrigsten Druck auf der Strömungsseite
der Leitschaufel das erforderliche Druckgefälle gesichert ist. Dadurch ergibt sich
an allen übrigen Absaugeöffnungen ein unnötig hohes Druckgefälle, durch welches
aber ein hoher Dampfverlust durch überhöhte Dampfgeschwindigkeit in den übrigen
Absaugeöffnungen hervorgerufen wird.
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Es liegt die Aufgabe vor, den Leitschaufelkranz mit seinen Einrichtungen
zum Absaugen von Kondenswasser derart zu verbessern, daß die geschilderten Nachteile
vermieden sind, d. h. bei wirksamer Absaugung des Kondenswassers von der Oberfläche
des Leitschaufelkranzes, sowohl auf der konkaven und der konvexen Schaufelseite
als auch auf der Strömungsseite des äußeren Leitschaufelringes mit einem geringeren
Druckgefälle ausgekommen werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei Leitschaufelkränzen der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) die Absaugeöffnungen auf der konvexen
Schaufelseite nahe der Eintrittskante der Leitschaufel an einer solchen Stelle angeordnet
sind, an der im wesentlichen der gleiche Druck im Schaufelkanal herrscht wie an
der Stelle der Absaugeöffnungen auf der konkaven Schaufelseite, b) der äußere Leitschaufelring
mit Absaugeöffnungen versehen ist, die sich von der Stelle der Absaugeöffnungen
auf der konkaven Schaufelseite einer Leitschaufel zu der Stelle der Absaugeöffnungen
der konvexen Schaufelseite einer benachbarten Leitschaufel erstrecken.
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Der hierdurch erzielte technische Fortschritt besteht darin, daß die
Anordnung und Ausbildung der Absaugeöffnungen bei einem Leitschaufelkranz gemäß
der Erfindung an allen Absaugeöffnungen der Leitschaufeln das gleiche, zum Absaugen
des Kondenswassers gerade erforderliche Druckgefälle ermöglicht, so daß Dampfmengenverluste
bei gegebenem Querschnitt der Absaugeöffnungen auf ein Minimum reduziert werden.
Die Anordnung von Absaugeöffnungen auf der konvexen Schaufelseite nahe der Eintrittskante
ist bei Dampfturbinenschaufeln an sich bekannt (deutsche Patentschrift 547 332),
und zwar hierbei für Laufschaufeln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei einem
Leitschaufelkranz mit schlitzförmigen Absaugeöffnungen in Wandteilen der Leitschaufeln
und Leitschaufelringe diese Absaugeöffnungen durch einen Streifen, der in regelmäßigen
Abständen angeordnete, quer zu den Absaugeöffnungen verlaufende Langlöcher aufweist,
auf der Innenseite der Wandteile unterlegt. Dies hat den Vorteil, daß sich der geringe
Dampfverlust bei relativ niedrigen Herstellungskosten der Absaugeeinrichtung noch
verbessern läßt. Bei Leitschaufelkränzen darf nämlich die Breite der Absaugeöffnungen
aus Herstellungsgründen und wegen der Verstopfungsgefahr ein bestimmtes Maß nicht
unterschreiten, das ohne Unterlegstreifen eine viel größere Fläche ergäbe, als es
für den Durchtritt des Kondenswassers erforderlich wäre; mit den untergelegten Streifen
jedoch läßt sich die Fläche und damit der Dampfmengenverlust verkleinern. Zweckmäßigerweise
bestehen die Streifen aus Blech und sind über die Absaugeöffnungen geschweißt oder
gelötet.
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Bei dicken Leitradwänden wäre die Herstellung von Schlitzen als Wanddurchbrüche
unwirtschaftlich und die Kondenswasserabsaugung durch die größere Tiefe der Schlitze
beeinträchtigt. Vorzugsweise für Leitschaufeln und Leitschaufelringe größerer Wandstärke
ist deshalb gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß - wie an sich
bekannt -quer zur Strömungsrichtung verlaufende, nicht unterbrochene Nuten solchen
Profils in die dem Strömungsraum zugekehrte Seite der Wandoberfläche eingearbeitet
sind, daß eine zur Wandoberfläche schwach geneigte Eintrittsseite und eine stärker
geneigte Austrittsseite gebildet werden und daß in regelmäßigen Abständen längs
der Eintrittsseite der Nut Durchbrüche zur Absaugung des sich in den Nuten sammelnden
Kondenswassers vorgesehen sind. Wie erwähnt, sind quer zur Strömungsrichtung verlaufende,
durchgehende Nuten an sich bekannt, und zwar bei dem Laufschaufelkranz nach der
deutschen Patentschrift 547 332, wo sie als über die Laufschaufellänge sich erstreckende
Rinnen ausgebildet sind, welche das Kondenswasser zu äußeren Umfangsbereichen des
Laufschaufelkranzes leiten sollen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen
noch näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das in einer Naßdampfströmung angeordnete
Profil einer Leitschaufel, F i g. 2 a bis 2 c einen Leitschaufelkranz, wobei F i
g. 2 a im oberen Teil die Druckverteilungskurven auf der konkaven und konvexen Schaufelseite
in Höhe verschiedener Koaxialschnitte A-A, B-B und D-D aus dem Leitschaufelkranz
nach F i g. 2 b zeigt und im unteren Teil die zu den Druckverteilungskurven gehörige
Profilform mit an der konkaven und konvexen Schaufelseite an Stellen gleichen Druckes
angeordneten
Absaugeöffnungen; F i g. 2 c stellt eine verkleinerte Ansicht mit Blickrichtung
gemäß Pfeil A' aus F i g. 2 b dar, in der eine Leitschaufel in Seitenansicht im
Ausschnitt dargestellt ist, F i g. 3 a eine Draufsicht auf Absaugeöffnungen in der
Anordnung von zwei Schlitzreihen mit unterlegtem Streifen, vorzugsweise für Leitschaufeln
dünner Wandstärke, F i g. 3 b einen Schnitt längs der Linie E -E aus Fig.3a,
F i g. 3 c zwei Ausführungsformen für das Profil der Absaugeöffnungen im Schnitt
gemäß der Linie F-F aus F i g. 3 b, F i g. 4 a eine Draufsicht auf die an Leitschaufeln
vorzugsweise größerer Wandstärke angeordneten Nuten für die Absaugeöffnungen mit
runden (linker Teil) und rechteckigen Durchbrüchen (rechter Teil der F i g. 4a),
F i g. 4 b einen Schnitt längs der Linie G-G aus F i g. 4 a.
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Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der in F i
g. 2 b im Ausschnitt, unter Fortlassung der für das Verständnis nicht wesentlichen
Teile dargestellte Leitschaufelkranz L weist einen äußeren Leitschaufelring 1 auf,
der am Turbinengehäuse befestigt und mit Absaugekanälen 2 versehen ist, die eine
Absaugeöffnung 3 mit einem im Gehäuse angeordneten, nicht dargestellten Absaugeraum
5 niedrigeren Druckes verbinden. Mit dem Absaugeraum 5 sind auch die an der Oberfläche
der hohlen Leitschaufel 6 angeordneten Absaugeöffnungen verbunden, und zwar sind
sowohl auf der konvexen Schaufelseite 7 als auch auf der konkaven Schaufelseite
8 Absaugeöffnungen 9 bzw. 10 angeordnet (vgl. F i g. 2 a, 2 c). Die Pfeile Cl bzw.
C, geben die Strömungsrichtung des Dampfes auf der Leitschaufeleintritts- bzw. -austrittsseite
an. Es ist ersichtlich, daß die Absaugeöffnungen 3, 9, 10 etwa quer zur Strömungsrichtung
des Dampfes und damit zur Bewegung des sich auf Leitschaufel 6 und äußerem Leitschaufelring
1 niederschlagenden Kondenswasserfilmes angeordnet sind, wobei auf der Oberfläche
der Leitschaufel 6 etwa radial verlaufende Absaugeöffnungen 9,10 gebildet werden.
Damit ein lückenloses Kanalsystem quer zur Strömungsrichtung des Kondenswasserfilmes,
d. h. eine möglichst vollständige Absaugung gegeben ist, bestehen die Absaugeöffnungen
auf der Leitschaufeloberfiäche jeweils aus zwei axial gegeneinander versetzten,
radial sich überschneidenden Schlitzreihen 9 a, 9 b bzw. 10 a, 10
b,
die den Vorteil haben, daß eine festigkeitsmäßig ungünstige durchgehende
Durchbrechung der Leitschaufeloberfläche vermieden ist. Für die Anordnung und Ausbildung
der Absaugeöffnungen 3, 9, 10 sind folgende Überlegungen maßgebend. Wie F
i g. 1 zeigt, in der das Profil einer Leitschaufel 6, angeordnet in einer Naßdampfströmung
mit mittleren Bahnen der Dampfnässe 11 und Stromlinien des Dampfes 12, dargestellt
ist, fließt das auf die Oberfläche der Leitschaufel 6 treffende Kondenswasser, von
der Dampfströmung getrieben, in Form von Rinnsalen oder in Form eines Filmes 13
von der Eintrittskante 14 zur Austrittskante 15 der Leitschaufel und löst sich ohne
Absaugemaßnahmen in Form von größeren Tropfen 16 ab, welche von der Dampfströmung
nicht zerblasen werden können und Dampfströmungsverluste sowie Erosionen in den
nachfolgenden Stufen verursachen. Daneben wird, wie es insbesondere aus F i g. 2
c erkennbar ist, eine von Fliehkräften gegen die Strömungsseite des äußeren Leitschaufelringes
1 geschleuderter Kondenswasseranteil sich ebenfalls in Strömungsrichtung ohne Absaugemaßnahmen
ungehindert fortbewegen können und nach Bildung größerer Tropfen wieder in den Stufenraum
zurückfallen. Die an den gleichen Absaugedruck angeschlossenen Absaugeöffnungen
9 auf der konvexen und 10 auf der konkaven Schaufelseite sowie die Absaugeöffnungen
3 am äußeren Leitschaufelring 1 sind längs solcher Linien bzw. Stellen der dem Strömungsraum
zugewandten Oberfläche der jeweiligen Leitschaufelkränze L angeordnet, die untereinander
im wesentlichen den gleichen Druck des Strömungsmittels aufweisen. Zur Bestimmung
der Lage der Absaugeöffnungen wird die Druckverteilung längs der Profilkontur und
längs der radialen Erstreckung der Leitschaufel 6 (F i g. 2 a 2 b) rechnerisch oder
empirisch ermittelt. Ein anderer Weg ist der, bei der Profilgestaltung der Schaufel
die Druckverteilung der gewünschten Lage der Absaugeöffnungen 3, 9, 10 anzupassen.
F i g. 2 a zeigt ein Koordinatensystem mit auf der Abszisse aufgetragener bezogener
Länge x der Profilkontur und auf der Ordinate aufgetragenem Druck P des Strömungsmittels
in qualitativer Darstellung. In verschiedenen Koaxialschnitten längs der radialen
Schaufelerstrekkung (A A, B-B usw. gemäß F i g. 2 b) wird die Druckverteilung
ermittelt, und es werden die so erhaltenen Druckverteilungskurven in das Diagramm
der F i g. 2 a, wie dargestellt, eingetragen. F i g. 2 a zeigt auf diese Weise ermittelte
typische Druckverteilungskurven. Hierbei werden Stellen gleichen Druckes an der
Schaufeloberfläche durch Schnittpunkte an den Stellen 17, 18 der Abszissenparallelen
19 mit den Kurven 20 a, 20 b 20 c und 20 d gekennzeichnet. Es ist ersichtlich, daß
im Bereich der Schnittpunkte an den Stellen 17 und 18 im wesentlichen der gleiche
Druck herrscht, so daß sich gegenüber einem konstanten Druck 21 im Leitradinnenraum
auch ein konstantes Druckgefälle A P ergibt. Die Stellen wesentlich gleichen Druckes
17 auf der konvexen und 18 auf der konkaven Schaufelseite sind nun aus dem Diagramm
gemäß Projektionslinien 17a und 18a in das Profil der Leitschaufel 6 hinein projiziert,
so daß sich die dargestellte Lage der Absaugeöffnungen 9 auf der konvexen
und 10 auf der konkaven Schaufelseite ergibt. Durch diese Maßnahme wird,
wie erwähnt, erreicht, daß die Druckdifferenz A P gerade so groß gemacht werden
kann, daß überall eine gute Absaugung erzielt wird, ohne daß auf Grund unterschiedlicher
Druckdifferenzen an verschiedenen Absaugeöffnungen Dampfmengen abgesaugt werden,
die der Leistungserzeugung in den nachfolgenden Schaufelstufen verlorengehen können.
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Wie ersichtlich, liegen die so ermittelten Absaugeöffnungen 9 auf
der konvexen Schaufelseite 7 nahe der Eintrittskante 14 und die Absaugeöffnungen
10
auf der konkaven Schaufelseite 8 nahe der Austrittskante 15. Durch diese
Maßnahme wird auch zugleich der Kondenswasserverteilung auf der konvexen und konkaven
Seite Rechnung getragen, wie es folgende Überlegungen zeigen. Aus F i g. 1 ist erkennbar,
daß der größte Anteil der auf der Leitschaufel 6 abgeschiedenen Dämpfnässe auf die
konkave Schaufelseite 8 auftrifft, und zwar über die gesamte Profillänge. Die Absaugeöffnungen
müssen also möglichst
nahe an die Austrittskante 15 gelegt werden.
Ein weiterer Anteil der Nässe wird auf die Eintrittskante 14 der Schaufel geschleudert
und strömt zum Teil auf der konvexen Seite 7 zur Austrittskante 15. Im übrigen trifft
auf die konvexe Schaufelseite 7 nur ein unbedeutender Teil der Dampfnässe durch
zufällige Berührung. Die Absaugeöffnungen auf dieser konvexen Schaufelseite können
also weiter zur Eintrittskante 14 verlegt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Prinzip der Anordnung der -Absaugeöffnungen
an Stellen gleichen Druckes auch angewandt wird auf die an der Strömungsseite des
Leitschaufelringes 1 angeordneten Absaugeöffnungen 3, um eine möglichst vollständige
Absaugung zu erzielen, und zwar in der Weise, daß sie in Form durchgehender Nuten
von den Absaugeöffnungen 9 der konvexen Schaufelseite 7 des einen Leitschaufelfußes
6 a zu den Absaugeöffnungen 10 der konkaven Schaufelseite 8 des benachbarten Leitschaufelfußes
6 b (F i g. 2 c) verlaufen. Diese Absaugeöffnungen 3 folgen damit ebenfalls etwa
Stellen konstanten Drukkes des Strömungsmittels an der Strömungsseite des Leitschaufelringes
1. Der Absaugeeffekt läßt sich nicht nur durch die Lage, sondern auch durch die
Gestaltung der Absaugeöffnungen in wirksamer Weise günstig beeinflussen. Untersuchungen
haben ergeben, daß eine wirksame Absaugung nur dann erzielt wird, wenn der anströmende
Kondenswasserfilm über die »Absaugelänge« lückenlos durch Unterbrechung der Oberfläche
gestoppt wird. F i g. 3 a zeigt deutlicher als F i g. 2 b eine solche lückenlose
Unterbrechung der Absaugelänge durch schlitzförmige Absaugeöffnungen 9 a, 9 b in
der Schaufeloberfläche, die jeweils in zwei Reihen auf Lücke angeordnet, schräg
oder rechtwinklig zur Oberfläche, wie in F i g. 3 c dargestellt, die Leitschaufelwand
22 durchbrechen. Die Breite dieser Absaugeöffnungen 9 a, 9 b, darf ein bestimmtes
Maß aus Herstellungsgründen und wegen der Verstopfungsgefahr nicht unterschreiten.
Da die Breite in jedem Falle sehr viel größer sein wird, als für den Durchtritt
des Kondenswassers erforderlich, wird ein großer Dampfmengenverlust dann verursacht,
wenn lediglich solche schlitzförmigen Absaugeöffnungen 9a, 9b vorgesehen werden.
Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß ein Streifen 23 mit vorzugsweise
in regelmäßigen Abständen angeordneten, quer zu den Absaugeöffnungen 9 b verlaufenden
Langlöchern 24 auf der Seite des Leitrad- bzw. Schaufelinnenraumes eingelegt ist,
wie dargestellt. Vorteilhaft ist es, wenn der Streifen aus Blech besteht und über
die Absaugeöffnungen 9a, 9b geschweißt oder gelötet ist. Wenn die Absaugeöffnungen
9 a, 9 b auf jeder Schaufelseite aus zwei axial gegeneinander versetzten, radial
sich überschneidenden Schlitzreihen bestehen, wie dargestellt, so ist es hierbei
zweckmäßig, wenn die Streifen 23 mit einer Langlochreihe 24 solcher Breite versehen
sind, daß sich die Langlöcher 24 mit den beiden Reihen der Absaugeöffnungen 9 a,
9 b schneiden. Die in den F i g. 3 a bis 3 c dargestellte Anordnung und Ausbildung
der Absaugeöffnungen eignet sich vorzugsweise für Leitschaufeln bzw. Leitschaufelringe
mit relativ geringer Wandstärke.
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Bei dicken Leitradwänden ist die Herstellung von Schlitzen als Wanddurchbrüche
unwirtschaftlich. Außerdem würde die Kondenswasserabsaugung durch die größere Tiefe
der Schlitze beeinträchtigt werden. In diesem Falle empfiehlt es sich, wie in F
i g. 4 a und 4b näher dargestellt, daß quer zur Strömungsrichtung verlaufende nicht
unterbrochene Nuten 25 solchen Profils in die dem Strömungsraum zugekehrte Seite
der Wandoberfläche 20 eingearbeitet sind, daß eine zur Wandoberfläche schwach geneigte
Eintrittsseite 26 und eine stärker geneigte Austrittsseite 27 gebildet wird, wobei
in regelmäßigen Abständen längs der Eintrittsseite 26 der Nut 25 Durchbrüche 28
a bzw. 28 b zur Absaugung des sich in den Nuten 25 sammelnden Kondenswassers vorgesehen
sind. Der übergang zwischen beiden Nutseiten 26, 27 ist zweckmäßig abgerundet, und
die Durchbrüche 28 sind auf der Eintrittsseite 26 angeschlossen, so daß das abzusaugende
Kondenswasser etwa eine Strömung zeigt, wie sie mit dem Pfeil 29 angedeutet ist.
Die die Nut mit den Hohlräumen der Leitschaufeln bzw. Leiträder und damit mit dem
Absaugedruck verbindenden Durchbrüche können Rundprofil 28 a oder aber Rechteck-
oder langlochartiges Profil besitzen (28 b).