DE2953333C1 - Turbinenabdampfstutzen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenabdampfstutzen, wie er verwendet werden kann in Dampf- und Gasturbinen zum Antrieb von elektrischen Generatoren, Luftgebläsen, Schiffsschrauben und anderes mehr, wo der Turbinenbetrieb bei veränderlichen Durchsatzmengen des Arbeitsmediums und bei veränderlicher Drehzahl des Läufers stattfindet. Besonders zweckmäßig ist die vorliegende Erfindung in Axialturbinen mit nichtachssymmetrischem Austritt des Arbeitsmediums anzuwenden.

Die Erfindung geht aus von einem Turbinenabdampfstutzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der aus der Zeitschrift »Escher Wyss Mitteilungen«, 1960, Seite 27 bekannt ist. Bei dieser Ausbildung handelt es sich allerdings um ein Plexiglasmodell, in dem die Leitschaufel zum Fahren von Versuchsserien in Axialrichtung verschieblich ist. Eine Verschiebung während eines Turbinenbetriebs zur Anpassung an wechselnde Betriebsparameter ist nicht vorgesehen.

Die bekannten Abdampfstutzen können einen stabilen Betrieb der letzten Turbinenstufe bei einer wesentlichen Abweichung der Belastung von der Nennlast, das heißt von dem Betriebszustand, für den die jeweilige Turbine zur Erreichung der maximalen Wirtschaftlichkeit berechnet ist, nicht gewährleisten. Bei Änderungen des Dampfdurchsatzes oder 'bei Änderungen der Drehzahl des Läufers tritt der Dampfstrom drallbehaftet in den Stutzen ein, das heißt, wobei sich seine Umfangs- und Radialkomponenten der Geschwindigkeit umso mehr vergrößern, je mehr sich der Turbinenbetrieb vom Nennbetrieb unterscheidet. Die Fliehkräfte im verdrallten Strom geben der Strömung die Form eines Drehhyperboloids, wobei auch der Diffusoreffekt auf Grund der gekrümmten Form der Eintrittsabschnitte der Leitschaufeln mitwirkt. Hierdurch kommt es zur Ablösung der Strömung von der Innenwandung des Abdampfstutzens. Der Hauptteil der Durchsatzmenge durchströmt die äußeren Strömungskanäle zwischen den Leitschaufeln und der Außenwandung des Stutzengehäuses, während in der Nähe der Innenwandung des Gehäuses Zirkulationszonen auftreten, in denen das Arbeitsmedium verwirbelt wird.

Bei einer Achsasymmetrie des Abdampfstutzens liegen die Zirkulationszonen auch asymmetrisch in bezug auf die Turbinenachse und können auf einigen Umfangsabschnitten in das Laufrad der letzten Stufe zurückwirken. Wenn dies geschieht, durchläuft jede Schaufel des Laufrades bei jeder Drehung des Läufers nacheinander Abschnitte mit verschiedenen Strömungsverhältnissen, was Biegewechselbeanspruchungen zur Folge hat, die eine vorzeitige Zerstörung bewirken. Auch entstehen im Laufrad infolge radialer Verlustströmungen und der Instabilität des Stromes des Arbeitsmediums zusätzliche Energieverluste.

Bei Dampfturbinen können die erwähnten Zirkulationszonen das Auftreffen grobdisperser Feuchtigkeit, das heißt Wassertropfen, aus dem Stutzen auf die Schaufeln des Laufrades zur Folge haben. Die dadurch entstehende Erosion der Schaufelaustrittskanten des Laufrades verringert die Fläche der Schaufelquerschnitte und verändert ihre Form, was seinerseits die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Turbine herabsetzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Turbinenabdampfstutzens, der auch bei wechselnden Betriebsparametern der Turbine eine achssymmetrische Strömung des Arbeitsmediums in der letzten Stufe zu erzielen und Zirkulationszonen in der Nähe derselben zu vermeiden gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Der erfindungsgemäße Abdampfstutzen ermöglicht bei unterschiedlichen Lastzuständen die Erzielung eines achssymmetrischen Stromes des Arbeitsmediums und die Unterdrückung von Zirkulationszonen im Strömungskanal des Stutzens und in der letzten Turbinenstufe.

Wenn es darum geht, den Querschnittsverlauf der Strömungskanäle des Stutzens zu ändern, so sind zweckmäßigerweise die Leitspindeln parallel zur Turbinenachse angeordnet, so daß durch Betätigung ihres Antriebs der radial äußere Teilkanal unter Aufrechterhaltung der Zentralsymmetrie mehr oder weniger konvergent gestaltet werden kann.

Wenn es darum geht, Einfluß auf die Achsensymmetrie des Stromes des Arbeitsmediums hinter den Schaufeln des Laufrades zu nehmen, so sind zweckmäßigerweise die Leitspindeln quer zur Turbinenachse angeordnet. Wenn beide Verstellmöglichkeiten erwünscht sind, so sind die Leitspindeln zweckmäßigerweise so angeordnet, daß eine Anzahl von ihnen parallel zur Turbinenachse und die anderen quer zur Turbinenachse verlaufen. Dabei sind in der Wandung des Gehäuses des Abdampfstutzens Nuten ausgeführt, um die Versetzungen der Schraubspindeln zuzulassen.
Schließlich sollte sichergestellt sein, daß die Vorder-

Inspected

kante des Eintrittsabschnittes der Leitschaufel von den Austrittskanten der Schaufeln des Laufrades der letzten Turbinenstufe einen Axialabstand einhält, der die axiale Wärmedehnung der Turbine etwas übersteigt.

Der vorgeschlagene Abdampfstutzen ermöglicht es, ohne Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit des Nennbetriebs der Turbine die Form und den Querschnittsverlauf der einzelnen Kanäle in einem axialradialen Diffusor des Stutzens zur Anpassung an vom Nennbetrieb abweichende Betriebe zu ändern, die Achsenasymmetrie der Strömung in der letzten Stufe und die Zirkulationszonen im Diffusor des Stutzens zu beseitigen und somit die Zuverlässigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Turbine zu erhöhen. Wegen der Achssymmetrie des Stromes des Arbeitsmediums sind zusätzliche Wechselbeanspruchungen in den Schaufeln des Laufrades und damit zusätzliche Energieverluste vermieden und wegen des Fehlens von Zirkulationszonen in der Nähe der Laufschaufeln ist die Erosion ihrer Austrittskanten beseitigt.

Die vorliegende Erfindung erlaubt, die Betriebsdauer der Turbinenschaufeln zu erhöhen und verringert die Gefahr von Betriebsstörungen. Der Wirkungsgrad der Turbine ist in einem breiten Bereich von Betriebszuständen ein hoher.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Turbinenabdampfstutzen im Längsschnitt mit einer in Axialrichtung verstellbaren Leitschaufel;

F i g. 2 einen Turbinenabdampfstutzen im Längsschnitt mit einer in Querrichtung verstellbaren Leitschaufel;

F i g. 3 einen Turbinenabdampfstutzen im Längsschnitt mit einer sowohl in Axialrichtung als auch in Querrichtung verstellbaren Leitschaufel;

Fig.4 einen Turbinenabdampfstutzen im Längsschnitt mit zwei ortsfesten und einer axialverstellbaren Leitschaufel, deren Vorderkanten in minimaler Entfernung von den Austrittskanten der Schaufeln des Laufrades der letzten Stufe liegen und deren Eintrittsabschnitt zylindrisch ist.

Der Turbinenabdampfstutzen A gemäß F i g. 1 hat ein unbewegliches Gehäuse 1, dessen Wandungen \b, 9 einen Strömungskanal 2 für das Arbeitsmedium auf dessen Weg von den Schaufeln 3 des Laufrades 4 der letzten Turbinenstufe zum Austrittsquerschnitt la des Abdampfstutzens A bilden.

Im Strömungskanal sind Leitschaufeln eingebaut. In >o den Fi g. 1, 2 und 3 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung nur eine Leitschaufel abgebildet. Die Leitschaufel 5 begünstigt eine geordnete Umlenkung des Arbeitsmediums von den Laufschaufeln 3 zum Austrittsquerschnitt la.

Die Oberflächen 6 der Leitschaufel 5 stellen einen Rotationskörper einer Achse 7 dar, welche gleichzeitig die Längsachse der Turbine ist. Die Leitschaufel 5 hat einen Eintrittsabschnitt 8, dessen Radius kleiner als der Außenradius R des letzten Turbinenlaufschaufelkranzes so ist.

Die von den freien Enden der Laufschaufeln 3 ausgehende Außenberandung des Strömungskanals 2 ist ein unbeweglicher Ring 9, der am Gehäuse 1 auf geeignete Weise befestigt ist. Dieser lenkt die Strömung in deren radial außenliegenden Bereichen.

Die Leitschaufel 5 ist im Strömungskanal 2 mittels Leitspindeln 10 verstellbar angeordnet. Bei der Ausbildung gemäß F i g. 1 ist eine Verstellbarkeit in Axialrichtung dadurch verwirklicht, daß die Leitspindeln 10 parallel zur Längsachse 7 der Turbine liegen. Die gewindelosen Enden der Leitspindeln stecken in Lagerungen 11, die z.B. bekannte Wälzlager sein können und am Ring 9 befestigt sind. An den anderen, ebenfalls gewindelosen Enden der Leitspindeln 10 greifen Antriebe 12 an, die auf geeignete Weise, am Gehäuse 1 des Abdampfstutzens A starr befestigt sind. Im Gehäuse 1 sind Bohrungen zum Durchtritt der Leitspindeln 10 ausgeführt.

Die Leitspindeln 10 und ihre Antriebe 12 sind gleichmäßig auf dem Umfang verteilt. Es müssen mindestens drei Leitspindeln vorhanden sein. Im betrachteten Beispiel sind vier Leitspindeln vorhanden, jedoch kann diese Anzahl auch noch eine höhere sein.

Jeder Antrieb 12 ist ein geeigneter Elektromotor oder auch ein Hydraulikstellmotor, der vom Regelsystem der Turbine gesteuert wird. Der Antrieb 12 dient zum Drehen der Leitspindeln 10, die in Gewindeverbindung mit der Leitschaufel 5 stehen. Bei ausreichender Wanddicke und Festigkeit der Leitschaufel genügt es, wenn die Leitspindeln durch je eine Gewindebohrung in der Leitschaufel ragen; im betrachteten Ausführungsbeispiel sind Schraubenmuttern 13 vorgesehen, die fest mit der Leitschaufel verbunden sind.

Bei einer Betätigung der Antriebe 12 wird die Leitschaufel 5 in Axialrichtung verstellt und der zwischen ihr und dem Ring 9 gebildete Teilströmungskanal ändert seine Form und Durchlaßquerschnitt. Die in F i g. 1 äußerste linke Stellung der Leitschaufel ist gestrichelt angedeutet. In dieser Stellung 14 ist der radial äußere Teilströmungskanal stark konvergent, was der Gefahr der Strömungsablösung vom Ring 9 wirksam begegnet. Ebenso werden Zirkulationszonen radial innen von der Mittellinie 15 des Strömungskanals 2 bei unter der Nennleistung liegenden Belastungen der Turbine verhindert.

Der Abdampfstutzen in der Ausführungsvariante gemäß F i g. 2 hat eine Leitschaufel 16, die gegenüber der Achse 7 der Turbine in Querrichtung verstellbar ist. Auch diese Leitschaufel 16 hat die Form eines Rotationskörpers, dessen Achse in (schraffiert gezeichneter) mittiger Stellung mit der Achse 7 der Turbine zusammenfällt.

Die Leitspindel 10a zur Verstellung der Leitschaufel verläuft in Radialrichtung durch den Strömungskanal 2. An einem ihrer Enden greift ein Antrieb 12 an, der auf geeignete Weise starr am Gehäuse 1 des Abdampfstutzens A befestigt ist. Das andere/ebenfalls gewindelose Ende steckt in einer Lagerung 11, z. B. einem Wälzlager bekannter Konstruktion, die starr am Ring 17 befestigt ist. Im betrachteten Ausführungsbeispiel ist eine Leitspindel 10a und ein Antrieb 12 vorgesehen. In anderen Ausführungen des Stutzens A können auch mehrere Leitspindeln 10a und Antriebe 12 vorgesehen sein.

Die Leitspindel 10a wirkt mit einer Schraubenmutter 13 zusammen, die in einer Bohrung der Leitschaufel 16 auf geeignete Weise befestigt ist, z. B. eingeschweißt ist. Die gestrichelt gezeichnete Stellung 18 ist die äußerste obere Lage der Leitschaufel 16, bei der sich im unteren Teil des Abdampfstutzens A der Durchlaßquerschnitt des zwischen der Leitschaufel 16 und dem Ring 17 gebildeten Teilströmungskanals verringert. Die Leitschaufel 16 steht dann exzentrisch bezüglich der Achse 7 der Turbine. Dies bewirkt eine Verbesserung der Achssymmetrie der Strömung des Arbeitsmediums

bei unterhalb der Nennleistung liegenden Belastungen der Turbine, was die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Turbine bei diesen Betriebszuständen erhöht.

In der Ausführungsvariante gemäß Fig.3 hat der Abdampfstutzen A sowohl eine quer verlaufende Leitspindel 10a, als auch drei in Axialrichtung verlaufende Leitspindeln 10, so daß die Leitschaufel 19 beide Verstellmöglichkeiten hat. Die drei axial gerichteten Leitspindeln sind gleichmäßig auf dem Umfang angeordnet In anderen Varianten der Konstruktion kann es eine größere Anzahl derselben geben und sie können anders auf dem Umfang angeordnet werden.

Die Antriebe 12 der Leitspindeln sind fest am Gehäuse 1 auf geeignete Weise befestigt, jedoch sind im Gehäuse Nuten 20 und 21 ausgeführt, um die Versetzung der Leitspindeln zusammen mit der Leitschaufel zuzulassen. Die Nut 20 ist notwendig bei einer Versetzung der Leitspindel 10a in Achsrichtung gegenüber dem Gehäuse 1 des Abdampfstutzens A, wenn die Leitspindeln 10 betätigt werden, um die Leitschaufel 19 in Axialrichtung zu verstellen. Die Nuten 21 sind notwendig bei einer Versetzung der Leitspindeln 10 in Querrichtung zur Achse 7 der Turbine, wenn die Leitspindel 10a betätigt wird, um die Leitschaufel in Querrichtung zu verstellen. In Fig.3 ist durch die gestrichelt gezeichnete Stellung 22 angedeutet, welche Lage die Leitschaufel nach einer Verstellung sowohl in Axial- als auch in Querrichtung einnehmen kann.

Bei einer derartigen Ausführung des Stutzens kann ^vdie Geometrie des Teilströmungskanals zwischen der Leitschaufel 19 und dem Ring 23 vielfältig geändert und den Erfordernissen angepaßt werden.

In der Ausführungsvariante der Erfindung gemäß F i g. 4 ist zwischen ortsfesten Leitschaufeln 27 und 28 eine axial verstellbare Leitschaufel 24 vorgesehen, wobei die radial äußere Berandung des Strömungskanals von einem Ring 25 gebildet ist.

Der Eintrittsabschnitt 26 der verstellbaren Leitschaufel 24 sowie die Eintrittsabschnitte der ortsfesten Leitschaufeln 27 und 28 haben eine im wesentlichen zylindrische Form. Die Vorderkanten der Eintrittsabschnitte liegen in der Ebene der Austrittskanten der Schaufeln 3 des Laufrades 4 der letzten Turbinenstufe in einem axialen Abstand, der die axiale Wärmedehnung der Turbine etwas übersteigt.

Eine derartige Konstruktion gewährleistet in den Teillastbereichen eine verlustarme Durchströmung des Abdampfstutzens und verhindert Wirbeibildungen und Strömungsablösungen.

Die Wirkung der Abdampfstutzen im Betrieb der Turbine ist wie folgt:

Im Nennbetrieb der Turbine tritt das Strömungsmedium axial, d. h. ohne Drall in den Strömungskanal 2 ein. Die Leitschaufel 5 in F i g. 1 steht in ihrer mit durchgehenden Linien gezeigten Lage, wobei die Oberflächen 6 im wesentlichen mit den Stromlinien des Arbeitsmediums zusammenfallen und mit den geringsten Energieverlusten umströmt werden.

Bei einem Betrieb mit Nenndrehzahl oder einer dieser nahen Drehzahl, jedoch verringertem Durchflußvolumen entsteht eine wesentliche Umfangsgeschwindigkeit des Stromes am Eintritt in den Abdampfstutzen A. Das verursacht eine Versetzung der Stromlinien im letzten Laufschaufelkranz 3 in Richtung zu den freien Enden der Schaufeln. Hierdurch entsteht eine Wirbelzone radial innen von der Strömungskanalmitte 15, was den normalen Betrieb der Laufschaufeln 3 und des Abdampfstutzens beeinträchtigt.

In diesem Fall werden alle Antriebe 12 automatisch oder von Hand gleichzeitig so eingeschaltet, daß die Leitschaufel 5 bei Betrachtung von F i g. 1 nach links verstellt wird. Dadurch ändert sich der Strömungsquerschnittsverlauf des zwischen der Leitschaufel 5 und dem Ring 9 gebildeten Teilströmungskanals von einer Diffusor- zur Konfusorform. Sein Querschnitt am Austritt verringert sich wesentlich, während der Eintrittsquerschnitt praktisch unverändert bleibt Hierdurch strömt der größte Teil des Arbeitsmediums durch den radial innen liegenden Bereich des Strömungskanals 2, was zur Wiederherstellung der abreißfreien Strömung in diesem Bereich des Abdampfstutzens A führt Somit gewährleistet diese Konstruktion bei einfacher Fertigung und Wartung einen günstigen Wirkungsgrad in einem weiten Betriebsbereich sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit.

Der Abdampfstutzen gemäß F i g. 2 entfaltet seine Wirkung bei ungleichmäßigen Umfangsgeschwindigkeiten und Drücken des Arbeitsmediums bezüglich der Achse 7 der Turbine. Tritt ein solcher Betriebszustand auf, so wird mittels des Antriebs 12 die Leitschaufel 16 in Querrichtung zur Achse 7 der Turbine verstellt Die Richtung der Verstellung wird so gewählt, daß der Sektor des zwischen der Leitschaufel 16 und dem Ring 17 gebildeten Austrittsquerschnittes des Kanals, in dem der Druck etwas niedriger war, seine Querschnittsfläche verringert. Wenn eine ausreichende Homogenität der Strömung hinter den Laufschaufeln 3 erreicht ist wird der Antrieb 12 ausgeschaltet und die Leitschaufel bleibt in der erreichten, für den gegebenen Betriebszustand optimalen Stellung.

Der Abdampfstutzen gemäß Fig.3 ist geeignet sowohl ungleichmäßigen Umfangsgeschwindigkeiten und Wirbelzonenbildungen entgegenzuwirken. Es werden gegebenenfalls die Antriebe 12 der Leitspindeln 10 und 10a gleichzeitig eingeschaltet so daß die Leitschaufel 19 gleichzeitig in Axialrichtung und in Querrichtung verstellt wird. Somit kann eine Ungleichmäßigkeit der Umfangsgeschwindigkeiten und der Drücke beseitigt und das Auftreten von Wirbelzonen unmittelbar hinter den Schaufeln 3 des Laufrades 4 der letzten Stufe verhindert werden.

Der Abdampfstutzen gemäß Fig.4 hat folgende Wirkungsweise: Beim Auftreten von wesentlichen Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung am Eintritt in den Strömungskanal 2 verhindern die zylinderförmigen Eintrittsabschnitte der Leitschaufeln 24, 27 und 28 und die Lage ihrer Vorderkanten in minimalem Abstand von den Schaufeln 3 des Laufrades 4 die Versetzung der Stromlinien des Arbeitsmediums in Richtung zu den freien Enden der Schaufeln 3 und beseitigen folglich die Entstehung von Wirbeln in der Nähe der Schaufeln 3. Besonders wirksam werden die radial inneren Bereiche der Strömung von der inneren Leitschaufel 28 beeinflußt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Turbinenabdampfstutzen mit wenigstens einer im Strömungskanal angeordneten Leitschaufel in Form eines Rotationskörpers, dessen Vorderkantendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Laufrades der letzten Turbinenstufe, wobei die Leitschaufel im Strömungskanal verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Leitschaufel (5, 16,19 und 24) mittels antreibbarer Leitspindeln (10) erfolgt, die durch entsprechende Gewindebohrungen in der Leitschaufel ragen und im Gehäuse (1) gelagert sind.

2. Turbinenabdampfstutzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitspindeln (10) parallel zur Turbinenachse (7) verlaufen (F i g. 1).

3. Turbinenabdampfstutzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitspindeln (1Oa^ quer zur Achse (7) der Turbine verlaufen (F i g. 2).

4. Turbinenabdampfstutzen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch sowohl in Axialrichtung als auch in Querrichtung verlaufende Leitspindeln (10, 10a) gemäß Ansprüchen 2 und 3, wobei in der Wandung des Gehäuses (1) Nuten (20 und 21) zur Ermöglichung der Versetzung der quer verlaufenden Leitspindeln (10a,) in Axialrichtung und der axial gerichteten Leitspindeln (10) in Querrichtung ausgebildet sind (F i g. 3).

5. Turbinenabdampfstutzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante des Eintrittsabschnittes (26) der Leitschaufel (24) in einem Axialabstand von den Austrittskanten der Schaufeln (3) des Laufrades (4) der letzten Turbinenstufe angeordnet ist, der die axiale Wärmedehnung der Turbine etwas übersteigt.