DE19527452A1

DE19527452A1 - Mehrstufige Dampfturbine

Info

Publication number: DE19527452A1
Application number: DE1995127452
Authority: DE
Inventors: Adnan Dr Eroglu; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-01-30

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Dampfturbine, im we sentlichen bestehend aus einem Läufer mit mehreren Reihen Laufschaufeln und einem Gehäuse mit mehreren Reihen Leit schaufeln, bei der Dampf als Sekundärströmung in den Haupt dampfstrom eingedüst wird.

Stand der Technik

Derartige mehrstufige Dampfturbinen sind bekannt.

Bei diesen Dampfturbinen ist es nötig, genügende Mengen heißen Mitteldruckdampfes in den kälteren Hauptdampfstrom beim Austritt aus dem Hochdruckteil der Dampfturbine einzudüsen. Dadurch wird das Feuchtigkeitsverhältnis reduziert und die Enthalpie des Dampfes erhöht. Dadurch entfällt die Zwischen überhitzung des Dampfes beim Austritt aus dem Hochdruckteil außerhalb der Dampfturbine.

Die Eindüsung des heißeren Dampfes in den kälteren Haupt dampfstrom erfolgt üblicherweise über in der Gehäuseinnenwand angeordnete Löcher. Die zur innigen Mischung von Sekundär strömung und Hauptströmung benötigte Strecke ist dabei sehr groß und zudem abhängig von der Menge des eingedüsten Damp fes. Das bedeutet, daß die Dampfturbine nur für einen be stimmten Lastbereich optimal ausgelegt werden kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer mehrstu fige Dampfturbine der eingangs genannten Art die Einmischung großer Massenströme in eine Hauptströmung in kürzester Strecke zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
daß mindestens eine Eindüsungsvorrichtung zur Einmischung großer Dampf-Massenströme zwischen den Leitschaufelreihen angeordnet ist,
daß die Eindüsungsvorrichtung als tetraederförmiger Wirbel generator ausgebildet ist, der an der Innenwand des Gehäuses anliegt,
daß dieser Wirbelgenerator im wesentlichen drei frei um strömte dreieckige Flächen aufweist, von denen eine die Dach fläche und die beiden anderen die Seitenflächen bilden,
daß die Dachfläche und die beiden Seitenflächen entlang im wesentlichen in Strömungsrichtung verlaufenden Kanten verbun den sind,
daß die Dachfläche unter einem Anstellwinkel zur Innenwand verläuft,
daß die Seitenflächen einen als Verbindungskante ausgeführ ten Stoß bilden, wobei die Verbindungskante die stromabwär tige Kante des Wirbelgenerators bildet,
und daß in den Seitenflächen Öffnungen zur Eindüsung der Sekundärströmung vorhanden sind.

Zwar ist es aus EP-A1-0 623 786 bekannt, in einer Brennkammer die Hauptströmung über Wirbelgeneratoren zu führen und die anteilsmäßig geringe Sekundärströmung im unmittelbaren Be reich der Wirbelgeneratoren einzudüsen. Der Wirbelgenerator wird hier jedoch lediglich zur Einmischung kleiner Massen ströme (Brennstoff) in die Hauptströmung (Verbrennungsluft) der Brennkammer verwendet.

Die Vorteile der Erfindung sind nun unter anderem darin zu sehen, daß sehr große Dampf-Massenströme in die Hauptströ mung eingemischt werden können. Durch den Wirbelgenerator werden sekundäre Strömungsstrukturen im Hauptdampfstrom er zeugt. Diese sekundären Strömungsstrukturen werden jedoch schnell wieder abgebaut, so daß die Schaufeln nicht durch diese Strömungsstrukturen beeinflußt werden. Vor ihrem Abbau kann die sekundäre Strömungsstruktur zur Einmischung von Dampf in den Hauptdampfstrom verwendet werden.

Desweiteren bewirkt das wirkungsvolle Vermischen ein gutes Temperaturprofil über dem durchströmten Querschnitt und redu ziert überdies das Auftreten von thermoakustischen Instabili täten. Allein durch ihre Anwesenheit wirken die Wirbel- Generatoren als Dämpfungsmaßnahme gegen thermoakustische Schwingungen. Durch die homogene Vermischung von heißem Dampf mit dem abgekühlten Hauptdampfstrom wird die Lebensdau er der nachfolgenden Schaufelreihen durch die homogene Tempe raturverteilung erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Teiles einer mehrstufigen Dampfturbine darge stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch die Dampfturbine;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Dampfturbine, ent sprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Dampfzu- und Dampfabführungen sowie die Wellenlager. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeich net.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 ist ein Läufer 1 mit Laufschaufeln 2 bestückt, die in mehreren Reihen 10 und 11 angeordnet sind. Der Läufer 1 wird von einem Gehäuse 3 umschlossen, das üblicherweise axial geteilt ist und über nicht dargestellte Flansche ver bunden wird. Im Gehäuse 3 sind Leitschaufeln 4 in mehreren Reihen 14 und 15 abwechselnd mit den Laufschaufelreihen 10, 11 angeordnet.

Durch die äußere Begrenzung des Läufers 1 und die Innenwand 5 des Gehäuses 3 wird ein im wesentlichen ringförmiger Kanal 6 gebildet.

Der Weg des Hauptdampfflusses führt über eine nicht darge stellte Zudampfleitung ins Innere des Gehäuses 3 in den Kanal 6. Durch Abgabe von Energie über die Laufschaufeln 2 der Schaufelreihe 10 an den Läufer 1 sinkt die Temperatur des Dampfes. Die Schaufelreihe 10 ist die letzte Schaufelreihe des Hochdruckteiles der Dampfturbine.

Zwischen den Laufschaufelreihe 10 und der Leitschaufelreihe 15 sind, über den Umfang der Innenwand 5 des Gehäuses ver teilt, mehrere tetraederförmige Wirbelgeneratoren 20 positio niert. Die Leitschaufelreihe 15 ist die erste Leitschaufel reihe des Mitteldruckteiles der Dampfturbine.

Nach Fig. 1 und Fig. 2 besteht ein Wirbelgenerator 20 im we sentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 21 und zwei Seitenflächen 22 und 23. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung.

Die beiden Seitenflächen 22 und 23 stehen senkrecht auf der Kanalwand 5, wobei dies nicht zwingend ist. Die Seitenflächen sind mit einer Seite auf der Kanalwand 5 fixiert, vorzugswei se gasdicht. Sie bilden einen Stoß, der als scharfe Verbin dungskante 24 ausgeführt ist. Die Verbindungskante 24 steht ebenfalls senkrecht zur Kanalwand 5. Die beiden Seitenflächen 22, 23 sind symmetrisch in Form, Größe und Orientierung und sind beidseitig einer Symmetrieachse 25 angeordnet. Die Sym metrieachse 25 ist radial zur nicht dargestellten Achse des Läufers 1.

Die Dachfläche 21 liegt mit einer quer zum durchströmten Ka nal verlaufenden, gebogenen Kante 26 an der gleichen Kanal wand 5 an wie die Seitenwände 22, 23. Ihre im wesentlichen in Strömungsrichtung verlaufenden Kanten 27 und 28 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden Kanten der Sei tenflächen 22 und 23. Die Dachfläche verläuft unter einem An stellwinkel Ω zur Kanalwand 5. Ihre Längskanten 27, 28 bil den zusammen mit der Verbindungskante 24 eine Spitze 29.

Die Verbindungskante 24 der beiden Seitenflächen 22, 23 bil det die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende gebogene Kante 26 der Dachfläche 21 ist somit die von der Kanalströmung zuerst be aufschlagte Kante.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kanten 27 und 28 wird die Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Deren Wirbelachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down), sofern letzte res überhaupt gewünscht wird, werden bestimmt durch entspre chende Wahl des Anstellwinkels Ω und des Winkels, den die beiden Seitenflächen 22 und 23 einschließen. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens wandert stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators selbst.

Der Wirbel-Generator 20 kann unterschiedliche Höhen h gegen über der Kanalhöhe H aufweisen. In der Regel wird man die Hö he h der Verbindungskante 24 so mit der Kanalhöhe H abstim men, daß der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Größe erreicht, daß die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird, was zu einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Quer schnitt führt. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluß auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckab fall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Es versteht sich, daß mit größerem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.

In Fig. 2 ist gezeigt, wie über der Breite des durchströmten Kanals 6 mehrere, hier drei Wirbel-Generatoren ohne Zwischen räume nebeneinanderangeordnet sind. Die Ausführung des Kanals 6 ist erfindungsunwesentlich.

Durch die Wirbel-Generatoren 20 können nun zwei Strömungen miteinander gemischt werden. Die Hauptströmung in Form von abgekühltem Dampf attackiert in Pfeilrichtung die quergerich teten gebogenen Kanten 26. Die Sekundärströmung in Form von heißem Dampf wird über eine Dampfzuleitung 8 ins hohle Inne re der Wirbel-Generatoren geleitet und über Öffnungen in den Wirbel-Generatoren 20 in die Hauptströmung eingeleitet. Der Massenanteil der eingeleiteten Sekundärströmung kann dabei über 50 Prozent betragen. Die Öffnungen in den Wirbel- Generatoren sind als Schlitze 30 und Löcher 31 ausgestaltet, wobei natürlich auch beliebige andere Öffnungen verwendet werden können. Wesentlich für die Ausgestaltung der Öffnun gen ist, daß keine wesentlichen Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen Hauptströmung und eingedüster Sekundärströmung auf treten. Die Schlitze 30 sind entlang der Kante 27 und 28 in den Seitenflächen 22, 23 angeordnet.

Da der hauptsächliche Mischprozeß in den Wirbeln erfolgt und weitgehend unempfindlich gegen den Eindüsungsimpuls der Se kundärströmung ist, kann die Dampfeindüsung flexibel gehalten werden und an andere Grenzbedingungen angepaßt werden. So kann im ganzen Lastbereich der gleiche Eindüsungsimpuls bei behalten werden. Da das Mischen durch die Geometrie der Wir bel-Generatoren bestimmt wird, und nicht durch die Maschinen last, ist die Vermischung über einen großen Anteilsbereich von heißem Dampf optimiert.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Anord nung der Wirbelgeneratoren im Kanal kann beispielsweise auch mit Zwischenräumen erfolgen. Die Eindüsung der Sekundärströ mung kann zusätzlich auch über die Dachfläche erfolgen.

Bezugszeichenliste

1 Läufer
2 Laufschaufel
3 Gehäuse
4 Leitschaufel
5 Innenwand Gehäuse
6 Kanal
8 Dampfzuleitung
10, 11 Laufschaufel-Reihen
14, 15 Leitschaufel-Reihen
20 Wirbelgenerator
21 Dachfläche
22, 23 Seitenfläche
24 Verbindungskante
25 Symmetrieachse
26 gebogene Kante
27, 28 Kante
29 Spitze
30 Schlitz
31 Loch
H Kanalhöhe
h Höhe Verbindungskante 24
Ω Anstellwinkel

Claims

1. Mehrstufige Dampfturbine, im wesentlichen bestehend aus einem Läufer (1) mit mehreren Reihen Laufschaufeln (10, 11) und einem Gehäuse (3) mit mehreren Reihen Leitschau feln (14, 15), bei der Dampf als Sekundärströmung in den Hauptdampfstrom eingedüst wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Eindüsungsvorrichtung zur Einmi schung großer Dampf-Massenströme zwischen den Leit schaufelreihen (14, 15) angeordnet ist,
daß die Eindüsungsvorrichtung als tetraederförmiger Wirbelgenerator (20) ausgebildet ist, der an der Innen wand (5) des Gehäuses (3) anliegt,
daß dieser Wirbelgenerator (20) im wesentlichen drei frei umströmte dreieckige Flächen aufweist, von denen eine die Dachfläche (21) und die beiden anderen die Sei tenflächen (22, 23) bilden,
daß die Dachfläche (21) und die beiden Seitenflächen (22, 23) entlang im wesentlichen in Strömungsrichtung verlaufenden Kanten (27, 28) verbunden sind,
daß die Dachfläche unter einem Anstellwinkel (Ω) zur Innenwand (5) verläuft,
daß die Seitenflächen (22, 23) einen als Verbindungs kante (24) ausgeführten Stoß bilden, wobei die Verbin dungskante (24) die stromabwärtige Kante des Wirbelgene rators (20) bildet,
und daß in den Seitenflächen (22, 23) Öffnungen (30, 31) zur Eindüsung der Sekundärströmung vorhanden sind.

2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen entlang der Kanten (27, 28) in den Seitenflächen (22, 23) als Schlitze (30) ausgebildet sind.

3. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den durchströmten Querschnitt mehrere Wirbel generatoren (20) ohne Zwischenräume auf der Innenwand (5) des Gehäuses (3) angeordnet sind.