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'Einrichtung zur Verhinderung der Tröpfchenbildung in den Niederdruckstufen
von Dampfturbinen" In den Niederdruckatufen von Dampfturbinen entsteht bei der Entspannung
des Dampfes in der Turbinenbeschaufelung nach Überschrei ten der Sättigungsgrenze
Nebel mit sehr kleinen Tropfchengrößen (0,04 bis 1 pm Durchmesser). Diese primäre
Erscheinungsform der Dampfnässe kann direkt noch keine Erosion verursachen. Bei
der Umleitung des Dampfes in den gekrummten Sohaufelkanälen wird aber ein geringer
Teil der Nebeltröpfohen auf die Oberfläche der Leitschaufeln geschleudert. Dabei
werden vor allem die Eintrittskanten und die konkaven Druckseiten der Schaufeln
auf ihrer ganzen Länge benetzt. Auf die konvexe Saugseite gelangt im wesentlichen
nur solches Kondensat, welches auf die Eintrittakante geschleudert wurde und von
hier anteilig zur Druck- und'Saugseite der Schaufel abfließt. Weitere geringere
Anteile der Nässe gelangen durch Diffusion und Kondensation auf die Schaufeloberflächen.
Das abgeschiedene Kondensat strömt nun a.uf der Schaufeloberfläche in Form eines
Filmes oder von Strähnen zu den Hinterkanten der Leitschaufeln und geht als relativ
große Tropfen (etwa 20 bis 200 em Durchmesser) zurück in die Strömung. Diese Nässeform
ist schädlich, denn sie folgt wegen ihrer relativ großen Nassen trägheit der Dampfatrömung
nur ungenügend und ka.nn somit einmal Erosion an den Laufschaufeln, zum anderen
zusätzliche Strömungs- und damit teistungsverluste verursachen.
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Zur Vermeidung bew, Verminderung dieser schädlichen Auswirkungen sind
bei Dampfturbinen eine Reihe von Maßnahmen bekannt. So eine Vergrößerung des Beschleunigungsweges
der Tropfen durch Vergroßerung der Axialspaltweite zwischen Leitschaufela.ustritt-
und Laufradeintrittekante. Hiermit ist Jedoch a.us Pla,-tzma.ngel nur begrenzte
Abhilfe möglich. Weiterhin ist es bekannt, das schädliche Kondensat von der Oberfläche
der hohl ausgebildeten Leitschaufeln über Schlitze abzusaugen, welche längs der
radialen Erstreckung der fleitschaufeln entweder a.uf Druck- und Saugseite
oder
direkt an den Hinterkanten der Schaufeln angebracht sind (deutsches Gebra.uchsmuster
Nr. 1 902 031, Schweizer Patentschrift Nr. 426 883). Die Wirksamkeit der le,tzUerwähnten
Maßnahmen hängt davon ab, inwieweit die Schaufeln frei von Strönungsablö-sungen
arbeiten. Löst sich die Strömung von der Schaufelkontur ab, so strömt der Dampf
wegen eines Wirbels im Ablösungsgebiet an der Schaufelwand entgegen der Hauptströmung
und verhindert damit, daß das an der Kontur befindliche Kondensat zu den Absaugeschlitzen
gelangt. Das Kondensat wird nun an einer anderen Stelle der Kontur durch den Wirbel
in die Dampfströmung zurückgerissen. Strömungsablösungen treten bei gegenüber dem
Auslegungspunkt der Beschaufelung abweichenden Strömungsbedingunge s. B. bei veränderter
Anströmungarichtung des Dampfes zum Leitrad im Falle von La.ständerungen der Turbine,
auf. Lastabhängig ist auch die Absa.ugefunlçtionl die in Bereichen geringer Leistung
der Turbine wegen zu geringem Druckgefälle beeinträchtigt werden kann.
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Als Maßnahme gegen Tröpfchenblldung in den Niederdruckstufen von Dampfturbinen
ist es außerdem bekannt, düsenförmige Spalte an der Austrittska.n-te der Leitschaufeln
vorzusehen und das Innere der hohl ausgebildeten Leitschaufeln durch Dampf einer
vorhergehenden Stufe zu beaufschlagen, so daß der aus den düsenförmigen Spalten
austretende Dampf strahl in den Strömungs- bzw. Stufenraum austritt. Dieser Dampfstrahl
soll d.ie a.n die Hinterkante der Schaufeln gelangenden und sich ablösenden Tropfen
weitgehend zerblasen und soweit beschleunigen, daß sie, praktisch dieselbe Umfangsgeschwindigkeit
erlangen wie der aus detn Leitrad austretende Dampf (österr. Paten-tschrift Nr.
250 402). Darüber hinaus ist hier bereits vorgesehen daß der Dampf höherer Temperatur
die Leitschaufeln aufheizt und damit teilweise eine Kondensation an der Leitschaufeloberfläche
verhindert. Eine ilinterkantenausblasung kann jedoch nicht diejenigen. Tropfen erfassen,
die bei Strömungsablösung und Wirbelbildung im Teillastgebiet von der Schaufelkontur
in die Strömung gerissen werden, und der Aufheizung der Schaufeln sind aufgrund
der mit d-er Ausblasung des Heizdampfes verbundenen Verluste Grenzen gesetzt. Das
in die
Strömung zurückgerissene nicht verdampfte Kondensat bleibt
damit in der Dampfströmung und kann in weiter stromabwärts liegenden Schaufelteilen
erneut Erosion und Verluste verursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte
Einrichtung zur Verhinderung der Tröpfchenbildung zu schaffen, mit der sich die
geschilderten Schwierigkeiten vermeiden lassen. Gegenstand der Erfindung ist nunmehr
eine Einrichtung zur Verhinderung der Tröpfchenbildung in den Niederdruckstufen
von Dampfturbinen, in denen der Grad der Da.mpfnässe verhältnismäßig hoch ist, mit
hohl ausgebildeten leitschaufeln und Mitteln, durch welche durch die Hohlräume der
Leitschaufeln Dampf einer vorhergehenden Stufe mit höherer Temperatur als in dem
die Leitschaufeln umgebenden Stufenraum (Heizdampf) leitbar ist. Die Erwindung besteht
hierbei darin, daß die Hohlräume der Leitschaufeln gegenüber dem sie umgebenden
Stufenraum abgeschlossen sind, dJ.e Beitschaufeln auf ihrer Länge durchdringen und
an beiden Leit eclia-u fclenden an Innen- und Außenkanäle angeschlossen sind, die
der Heizdampfzu und -ableitung sowie der Ableitung des in 1en Hohlräumen sich bildenden
Heizdampfkondensats dienen, wobei die Innen-- und Außenk-a,näle sowie die Anschlußstellen
zwischen letzteren und den Hohlräumen gleichfalls gegenüber dem sie umgebenden St-ufenraTlm
abgedichtet sind. Das schädliche Kondensat auf der Leitechaufeloberfläche wird somit
ausschließlich durch Verdampfen beseitigt. Da das Kondensat etwa Sattigungstemperatur
besitzt, muß von der Leitschaufeloberfläche im wesentlichen die Verdampfungswärme
auf das Kondensat übertragen werden. Die hierzu benötigte Wärmemenge wird durch
Naßdampf oder schwach überhitzten Dampf höherer Temperatur aufgebracht. Die Wärme
wird durch Kondensation des Ueizdampfes an der Innenseite der Leitschaufelwände
übertragen. Berechnungen haben ergeben, daß bei der begrenzten Wärmeaustauschfläche
eines Leitrades, d. h. der zu einem Leitschaufelkranz zu-sammengefaßten Leitschaufeln,
z. B.
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im Falle der letzten Stufe einer Kondensationsturbine, eine Temperatur
des gesättigten Heizdampfes entsprechend einem Druck von 3 bis 4 ata notwendig ist,
um die erforderliche Wärmemenge von dem kondensierenden Heizdampf im Inneren des
Leitrades auf
das schädliche Kondensat an der äußeren Schaufel oberfläche
aus zutauschen. Da. die Wärmeüberga.ngsza.hl an nicht benetzten Stellen der äußeren
Schaufel oberfläche wegen der geringen Dichte des dort strömenden Dampfes vernachlässigbar
klein ist gegenüber den von schädlichen Kondensaten benetzten Stellen, wird tatsächlich
etwa.
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nur so viel Wärme ausgetauscht, wie zur Verdampfung des Kondensa.ts
erforderlich ist. Zusätzliche Wärmeverluste durch Aufheizen des Hauptda,mpfstromes
entfallen damit weitgehend.
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Konstruktiv und thermodynamisch besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Innen- und Außenkanäle in hohlen., mit den Leitschaufeln zu Leiträdern vereinigten
Innen- und Außenringen angeordnet sind.
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Die Kanäle innerhalb der Innen- und Außenringe werden zweckmäßigerweise
jeweils über ihren gesamten Umfang durchgehend ausgeführt, damit der Neizdampf bei
nur wenigen äußeren Heizda,mpfzuleitungen an a.lle Stellen der Beiträder gelangen
und der Heizdampf sowie das Heizdampfkondensa.t überall ausreichenden Zu- bzw.
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Abströmquerschnitt finden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
sind die Innen- und Außenring unter Bildung mehrerer Leitrad segmente mit axialen
Teilfugen versehen und die so gebildeten Innen- und Außenringteile mit ihren leilfugenflächen
dichtend unter Durchachaltung der in den Leitradsegmenten befindlichen Kanäle zusammenfügbar.
Dies- hat inab. montagetechnische Vorteile.
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Bevorzugt sind hierbei die Innen- und Außenringteile unter Bildung
zweier Leitradhälften mit axialer horizontaler Teilfuge entsprechend der zugehörigen
Turbinengehäuseteilung versehen.
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Zweckmäßigerweise sind die Außenringe oder Außenringteile an mehrere,
über ihren Umfang verteilte äußere Heizdampfzuleitungen und im Bereich einer geodätisch
am tiefsten liegenden Umfangsstelle an eine äußere Ableitung für Heizdampf und Heizkondensat
angeschlossen.
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ßine~wirkungsgra,dmäßig und hinsichtlich des Aufwandes besonders günstige
Dampfechaltung ergibt sich gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung dadurch,
daß die den Heizdampf liefernde, dem beheizten teitrad- vorgeschaltete Stufe über
eine Anzapfleitung an einen peisewasqJervorwärmer a'.ngeschlossen ist und die
Heizkondensat-Ableitung
des beheizten Leitrades in den gleichen Speisewasservorwärmer bzw. die genannte
Anzapfleitung mündet.
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Hierbei wird die Heizkondensat-Ableitung mit Gefälle verlegt.
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Der Vorteil dieser Anordnung besteht insb. darin, daß die Beheizung
des Leitrades völlig selbsttätig funktioniert. Es ist weder eine Druck- und Temperatur-
noch eine Mengenregulierung vonnöten. Vorausgesetzt, daß die Dampftempera.turen
hoch genug und damit die Anzapfstelle an der Turbine richtig gewählt wurde, holt
sich das Leitrad soviel Heizda.mpf, wie es zur Verdampfung des schädlichen Kondensats
gerade benötigt.
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Anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung wird im
folgenden die Erfindung noch näher erläutert und die Wirkungsweise beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 in vereinfachter Darstellung einen Axialschnitt durch mehrere
Niederdruckstufen einer Dampfturbine, welche die erfindungsgemäße Einrichtung aufweisen,
wobei die Heizdampfschaltung mit einem Speisewasservorwärmer schematisch angedeutet
ist; Fig. 2 in Draufsicht den innenbeheizten Leitschaufelkranz einer Dampfturbinenstufe
mit Innen- und Außenringen, zum Teil im Schnitt in vereinfachter Darstellung; Fig.
3 die Einzelheit A a.us Fig. 2 vergrößert im Deta.il; Fig. 4 eine einzelne, hohl
ausgeführte Leitschaufel mit Kopf-und Fußringteilen in einem Längsschnitt und Fig.
5 den Schnitt längs der Linie V-V a.us Fig. 4.
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Alle für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile
sind fortgelassen, gleiche Teile tra.gen gleiche Bezugszeichen.
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Fig. 1 zeigt im- Ausschnitt einen Niederdruckturbinenteil mit Rotor
r und daran befestigten Laufschaufelkränzen r1,. r2f r3.
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Der Rotor r ist von dem beitschaufeltriger 1 koaxial umgeben,
an
welchem Leitschaufelkränze 11, 12 und 13 gehalten sind Die einander axial benachbarten
Leit- und Laufschaufelkränze bilden in Strömungerichtung d des Da.mpfes a.xia.l
aufeinanderfolgende Stufen s1, s2 und s3, in denen sich der Da.mpf, innerhalb des
sich in Dampfetrömungarichtung d erweiternden ringförmigen Strömungakanais k strömend,
en-tspannt und damit den Rotor r antreibt.
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Der letztere ist an nicht ersichtlichen Stellen um die Mittelachse
a der Turbine drehbar gelagert. Es kann sich um einen ein-oder mehrflutigen Niederdn
ck-turbinenteil ND handeln, welchem der Dampf von einem vorgeschalteten Mitteldruckteil
zugeführt und dessen Abdampf in einen nachgeschalteten Kondensator abgeleitet wird.
Der durch die Stufen s1 bis s3 strömende Dampf weist eine verhältnismäßig hohe Dampfnässe
auf, wie es dem üblichen Dampfzusta.nd in Niederdruckturbinenteilen entspricht.
Die Leitschaufeln des Leitschaufelkranzes 1 sind hohl ausgeführt, und durch die
Hohlräume wird Dampf aus einer vorhergehenden Stufe, nämlich der Stufe al, geleitet.
Dieser Dampf weist eine höhere Temperatur a.uf als der in dem Strömungsra.um der
Stufe s3 strömende Arbeitsdampf. Erfindungsgemäß sind nun, wie es hinab. Fig. 2,
4 und 5 zeigen, die Hohlräume 1 der Leitschaufeln 2 gegenüber dem sie umgebenden
Strömungsraum niedrigeren Temperatur- und Druckniveaus der Stufe s3 a.bgeschlossen
und durchdringen die Leitscha.ufeln~2 auf ihrer Länge. An beiden Leitschaufelenden
2a, 2b sind die Hohlräume 1 an Innenkanäle 3 und Außenkanäle 4 angeschlos sen, welche
als Zu- und Abströmkanäle für den Heizdampf sowie als Ableitkanäle für dae in den
Hohlräumen 1 sich bildende IIeizda.mpfkondensat dienen. Audh die Innen- und Außenka.näle
3, 4 sowie die Anschlußstellen 1-a, 1b zwischen den Hohlräumen 1 und den Kanälen
3, 4 sind gegenüber dem sie umgebenden Ra.um der Stufe s3 abgedichtet. Wie insb.
Fig. 2 zeigt, sind die Innen- und Außenkanäle 3t 4 in hohlen, mit den Leitschaufeln
2 zu einem Leitra.d L vereinigten Innenringen 30 und Außenringen 40 angeordnet.
Die Leitschaufeln 2 sind mit den Innen- und Außenringen 30, 40 insb.
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durch Schweißen zu einem zusammenhängenden Hohlkörper verbunden.
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Hierbei sind die einzelnen Leitschaufeln 2, Vgl. Fig. 4, mit den im
Querschnitt trapezförmigen Außenringen 40 und.den im Querschnitt etwa. rechteckigen
Innenringen 30 zusammengeschweißt,
so daß sich zum Stufen raum a.bgedichtete
Innen- und Außenkanäle 3, 4 ergeben, welche über Öffnungen 5 in der Außenringwa.nd
5a und Öffnungen 6 in der Innenringwand 6a mit den Hohlräumen 1 kommunizieren, wie
es die Dampfatrömungapfeile 7 a.ndeuten. Der Querschnitt nach Fig. 5 zeigt das Schaufelprofil
mit Hohlraum 1, Druckseite 8 und Saugseite 9, sowie Eintrittakante 10 und Austrittskante
11.
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Wie es die in Fig. 2 eingetragenen Strömungspfeile 7 für den Iteizdampf
und das Heizkondensat zeigen, sind die Innen- und Außen kanäle 3, 4 innerhalb der
Innen- und Außenringe 30, 40 jeweils über den gesamten Umfang durchgehend ausgeführt.
Innen- und Außen ring 30, 40 sind unter Bildung zweier Leitradhälften L1 und L2
mit axialen Teilfugen 12 versehen und mit ihren Teilfugenflächen bzw. -flanschen
41, 42 bzw. 31, 32 dichtend unter Durchschaltung der in den Leitradhälften L1, L2
befindlichen Kanäle 3, 4 zusammenfügba.r. Die dargestellte axia.le, horizontale
Teilfuge des Leit rades L ist im Hinbl.ick darauf von Vorteil, daß im allgemeinen
die zugehörigen Gehäuse der Niederdruckteilturbinen gleichfa.lls mit axialer, horizontaler
Teilfuge ausgeführt sind. Es kann jedoch eine Teilung des Leitrades L auch in mehr
als zwei Segmente fertigung- und montagetechnisch von Vorteil sein. Die geteilten
Innen- und Außenringe 30, 40 der teitradhälften All, L2 werden zweckmäßig mit ihren
Teilfugenflächen 31, 32 sowie 41, 42 über Steckverbindungen 13 (vgl. Fig. 3) zusammengefügt,
welche'aufs dichtend an dem einen Ringteil L1 befestigten, durchgehenden Steckhülsen
13a und zugehörigen, die Steckhülsen 13a elastisch umgreifenden Dichtkörpern 13b
des Gegenringteils L2 bestehen. Der Dichtkörper 13b ist eine stopfbuchsenartige
ringförmige Dichtpackung, die in einer Ringnut 13c angeordnet ist und sich dichtend
gegen die Wandungen der Ringnut 13c und den Außenumfang der Steckhülse 13 legt.
Die Dichtpackung 13d kann insb. aus mehreren, gestapelten, elastisch auffedernden
Einzelringen bestehen. Die Steckhülse 13a ist jeweils in den Teilfugenflanschen
der oberen Leitradhälfte L1, wie dargestellt, dichtend verscshweißt (Schweißnaht
13d). Durch die Steckhülsen 13a können Heizdampf bzw. Heizkondensat praktisch ungehindert
hindurchtreten.
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An den Außenring bzw. die Außenringteile 40 sind mehrere über den
Umfang verteilte äußere Heizda.mpfzuleitungen 14 angesehlossen, und zwar sind die
Außenringteile 40 der beiden Leitradhälften L1, L2 jeweils mit zwei Heizdampfzuleitungen
verstehen. Im Bereich einer geodätisch am tiefsten liegenden Umfangsstelle ist an
den Außenringteil 40 der unteren Leitradhälfte L2 eine äußere Ableitung 15 für Heizdampf
und Heizkondensat angeschlossen. Wie ersichtlich, gelangt der Heizda.mpf durch die
Anschlußstutzen der' Heizda.mpfzuleitungen 14 in die Außenkanäle 4 und strömt von
hier einerseits durch die Hohlräume 1 der Seitscha.ufeln 2 zum Innenkanal 3, andererseits
auf direktem Wege zur Ableitung 15. In den Kanälen 3, 4 und den Hohlräumen 1 kondensiert
der Heizdampf insoweit, als durch das auf den Au.Benflächen des Leitrades L1 befindliche
bzw. fli.eßende Kondensat Verdampfungswärme entzogen wird. Das Heizdampfkondensat
kann innerhalb der Kanäle 3, 4 jeweils in zwei parallelen Fluten zu den geodätisch
am tiefsten liegenden Stellen der Kanäle 3, 4 fließen und von hier entweder vom
Kanal4 direkt in die Ableitung 15 oder vom Kanal 3 über die Hohlräume 1 der unteren
Leitschaufeln 2 in die Ableitung 15.
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Das Heizdampfkondensat strömt also jeweils in Gefällerichtung.
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Innerhalb der Hohlräume 1 der weitgehend horizontal verlaufenden Leitscliaufel
2 wird da.s Kondensat durch den- einströmenden Heizdampf mitgerissen und abgeführt,
so daß sich hier keine Kond-ensatstauungen bilden können. Insg. gesehen kann durch
das Kanalsystem 3, 4, .1 eine gleichmäßige Zirkulierung des Heizdampfes über das
ge-samte Leitrad L erzielt-werden, so daß alle Leitschaufeln auf die erforderliche
Temperatur gebracht werden können.
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Das gesamte Leitrad L wirkt mit.seinem inneren Kanalsystem gleich
sam-wie ein Kondensator, der, je stärker er an seinen Außenwandungen gekühlt wird,
sich umsomehr Heizdampf von der, äußeren Beschaltung holt. In diesem Zusammenhang
ist die in Fig. 1 dargestellte Heizdampfschaltung besonders vorteilha.ft. Hierbei
ist die den Heizdampf liefernde, dem beheizten Leitra.d L mit Leitschaufelkranz
13 vorgeschaltete Stufe sl über eine Anzapfleitung 16 an einen SpeisewaBervorwärmer
17 angeschlossen und die Heizkondensat-Ableitung 15 (vgl. Fig. 2) des beheizten
Leitrades L mündet in den gleichen Speisewa.sservorwärmer 17 bzw. die zugehörige
Anzapfleitung
16. Die Ableitung 15 ist mit Gefälle verlegt, damit das Heizkondensa.t auch ohne
Druckgefälle durch die Leistung 15 in die Leistung 16 fließen kann. Im oberen Teil
der Fig. 1 ist eine Heizdampfzuleitung 14 angedeutet, die ebenso wie die übrigen
Leitungen 14 den entsprechenden lichten Querschnitt aufweisen muB . Das innere Kanalsystem
des Leitrades L ist damit in Bezug a.uf die Entnahme stufe sl dem Speisewasservorwärmer
17 parallel geschaltet. Dadurch sind besondere Regel- oder Absperrorgane für den
Heizdampf des Leitrades L nicht erforderlich; dieses holt sich belastungsabhängig
soviel Heizdampf von der Entnahmestufe s1, wie es zur Verdampfung des schädlichen
Kondensats benötigt. 18 bedeutet noch die Speisewasserrohrschlangen des Vorwärmers
17, welche in den Eesselspeisewasser-Kreisla,uf der zugehörigen Turbinenanlage eingeschaltet
sind. 19 ist der Heizdampfleitungsanschluß des Vorwärmers 17, 20 die Eeizdampf-
und Kondensat-Ableitung, die zu einem nachgeschalteten Speisewasservorwärmer oder
dem Hauptkondensator führen kann.
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10 Ansprüche 5 Figuren