DE3137687A1

DE3137687A1 - Stellventil, insbesondere zur steuerung und regelung von dampfturbinen

Info

Publication number: DE3137687A1
Application number: DE19813137687
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 4330 Mülheim Judith; Otto A. von Dipl.-Ing. Schwerdtner
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1981-09-22
Publication date: 1983-04-07
Also published as: JPS5865907A

Description

KRAFTWERK UNIOK AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr VPA 81 P 9370 DE

Stellventil, insbesondere zur. Steuerung und Regelung von Dampfturbinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, gemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Stellventile, die beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift 41 (1967) Beiheft "Dampfturbinen großer Leistung", Seiten 75 und 76, bekannt sind, sollen einerseits durch Verändern der Hubstellung des Ventilkörpers eine gewünschte Drosselcharakteristik gewährleisten und andererseits in voll geöffnetem, d. h. in ausgesteuertem Zustand möglichst geringe Gefälleverluste verursachen. Darüber hinaus sollen im Hinblick auf Grenzen der Baumaße und der Leistung der zugehörigen Stellantriebe die Verstellkräfte klein gehalten werden. Bei den im Dampfturbinenbau zumeist verwendeten Einsitzventilen werden die Verstellkräfte durch die Wahl eines relativ geringen Durchmessers des Ventilkörpers vermindert. Im engsten Querschnitt hinter dem Ventilsitz ergeben sich damit schon im voll geöffneten Zustand des Stellventils hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Um die Gefälleverluste in der nachfolgenden Rohrleitung klein zu halten, wird dann die Strömungsgeschwindigkeit in dem hinter dem Ventilsitz angeordneten Diffusor verlustarm verlangsamt. Bei diesem Querschnittsverlauf des Stellventils, der als konvergentdivergenter Kanal aufgefaßt werden kann, ergeben sich tiefste Drucke in dem engsten Querschnitt gefolgt von einem Druckanstieg längs des Diffusors.

Wird zu Steuerungszwecken die Strömung gedrosselt und der Ventilkörper hierzu in Richtung des Ventilsitzes verscho-

KIk 2 Fl/4.7.1981

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"ben, so kommt es im Diffusor in mit der Schließbewegung des Ventilkörpers zunehmenden Maße zu Strömungsablösungen,, Die Übergeschwindigkeiten der Strömung werden dabei durch Verwirbeln verlangsamt. Bei stärkerer Drosselung werden zunehmend Überschallgeschwindigkeiten der Strömung hinter dem Ventilsitz erzeugt, welche durch Verdichtungsstöße abgebaut werden. Beide Formen der Strömungsverlangsamung bzw. Verlusterzeugung durch Verwirbeln oder durch Verdichtungsstöße bewirken jedoch einen stark instationären Strömungsverlauf mit ausgeprägter Grobturbulenz, mit Pulsieren und mit Hin- und Herschwanken der hinter dem Ventilsitz zunächst als Freistrahl verlaufenden Strömung» Die hierdurch erzeugten DruckSchwankungen wirken dann als unerwünschte Schwingungsanregung auf den Ventilkörper„

Besonders starke Schwankungen können auch schon bei relativ schwacher Drosselung auftreten. Es ist für eine - Diffusorströmung charakteristisch, daß der Beginn der Strömungsablösung instationär verläuft, da es zwischen noch anliegender und schon abgelöster Strömung zu stochastischem Wechsel kommt. Die hierdurch ausgelösten Zusammenbrüche des Druckanstieges im Diffusor und die davon ausgehenden starken Druckstöße wirken ebenfalls als Schwingungsanregungen auf den Ventilkörper.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil zu schaffen, bei welchem die den Ventilkörper zu Schwingungen anregenden Wechselkräfte minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der in der Dralleinrichtung erzeugte Drall zu einer Stabilisierung der Strömung hinter der Drosselstelle und im

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Diffusor führt. Da durch die von dem Drall ausgehende Zentrifugalwirkung die Strömung nach außen gezwungen wird, gelingt es, eine Ablösung der Strömung von der Diffusorwand zu vermeiden. Die Stärke des in der Dralieinrichtung erzeugten Dralles ist hierbei zur Vermeidung zusätzlicher Gefälleverluste "begrenzt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel· des erfindungsgemäßen Steilventils ist die Dralleinrichtung durch einen Leitschaufelkranz gebildet, dessen Leitschaufeln in Umfangsrichtung angestellt sind. Die Dralleinrichtung ist somit ähnlich ausgebildet, wie das Leitrad einer Zentripetalturbine. Die zur Vermeidung zusätzlicher Gefälleverluste erforderliche Begrenzung des Dralles kann durch eine entsprechende Wahl des Anstellwinkels der Leitschaufel erreicht werden. Damit sich zwischen den Leitschaufeln ein möglichst großer freier Durchflußquerschnitt ergibt, sind die freitragenden Leitschaufeln einseitig an der Ventilführung befestigt. Mit dieser freitragenden An-Ordnung der Leitschaufeln werden auch Wärmespannungen durch transiente Temperaturänderungen des Strömungsmediums vermieden.

Im folgenden sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch^das Ventilgehäuse eines Stellventils für Dampfturbinen und

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch das Ventilgehäuse 1 eines Stellventils. Die durch Pfeile S angedeutete Dampfströmung tritt durch einen seitlichen Ein-

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trittsstutzen 2 in das Ventilgehäuse 1 ein, durchströmt einen zwischen der Kegellippe y\ eines Ventilkörpers 3 und einem Ventilsitz 4 gebildeten Ringquerschnitt und tritt dann nach unten aus dem Ventilgehäuse 1 aus, wobei der Austrittsbereich als Diffusor 5 ausgebildet ist«

Der Querschnittsverlauf des Stellventils kann dabei als konvergent-divergenter Kanal aufgefaßt werden, wobei der Ventilsitz 4- im konvergenten Kanalteil vor dem engsten

1Q Querschnitt f liegt und wobei der divergente Kanalteil durch den Diffusor 5 gebildet wird. Dabei ist die Kontur des konvergent-divergenten Kanals im Bereich des Ventilsitzes 4-, des engsten Querschnittes f und des Anfangsbereichs des divergenten Kanalteils durch eine aus ver- schleißfestem Material bestehende und in das Ventilgehäuse 1 eingesetzte Ventilsitzbuchse 6 gebildet.

Der Ventilkörper 3 ist als Kolben ausgebildet und innerhalb einer als Zylinder ausgebildeten und im Ventilgehäuse 1 fest angeordneten Ventilführung 7 in axialer Richtung geführt. Die Hubstellung des Ventilkörpers 2, welche die Drosselung der Dampfströmung S bestimmt, wird dabei in Richtung der Längsachse L des Ventilgehäuses 1 über eine formschlüssig mit dem Ventilkörper 3 verbundene Ventilspindel 8 von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Stellantrieb eingestellt.

Um nun die den Ventilkörper 3 zu Schwingungen anregenden Wechselkräfte zu minimieren, ist eine Dralleinrichtung vorgesehen, welche den zwischen der Kegellippe 31 des Ventilkörpers 3 und dem Ventilsitz 4 gebildeten Ringquerschnitt umschließt. Diese Dral!einrichtung, deren Querschnitt in Fig. 2 in einem größer gewählten Maßstab dargestellt ist, wird durch einen Leitschaufelkranz 9 gebildet, welcher ähnlich aufgebaut ist wie das Leitrad einer Zentripetalturbine. Der Leitschaufelkranz 9 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus insgesamt sechzehn gleichmäßig

(ο

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über den Umfang verteilten Leitschaufeln 9"¹ · Die einzelnen Leitschaufein 91 sind dabei einseitig an der Ventilführung 7 befestigt und erstrecken sich in axialer Richtung, wobei zwischen ihren freien Enden und der Innenwandung des Ventilgehäuses 1 jeweils ein geringer Spalt verbleibt. Diese freitragende Anordnung der Leitschaufeln 91, welche Wärmespannungen verhindern soll, erfordert aus Festigkeitsgründen eine entsprechend verstärkte Ausgestaltung der profilierten Leitschaufeln 9^· Die einzelnen Leitschaufeln 9I sind dabei nicht radial zu der Längsachse S ausgerichtet, sondern in Umfangsrichtung derart angestellt, daß der Dampfströmung S eine Tangentialkomponente erteilt wird und sich nach dem Durchströmen des Leitschaufelkranzes 9 ein Drall einstellt, welcher in den Figuren 1 und 2 durch einen schraubenlinienförmigen bzw. einen gekrümmten Pfeil D angedeutet ist. Dieser Drall D führt zu einer Stabilisierung der Dampfströmung S hinter dem Ventilsitz 4- und im Diffusor 5· Insbesondere verhindert die von dem Drall D ausgehende Zentrifugalwirkung eine Ablösung der Dampfströmung S von der Wandung des Diffusors 5.

Die Stärke des Dralles D ist zur Vermeidung zusätzlicher Gefälleverluste begrenzt.Diese Begrenzung erfolgt durch eine entsprechende Wahl des Anstellwinkes der Leitschaufeln 91· Außerdem ist bei der Auslegung des Leitschaufelkranzes 9 darauf zu achten, daß der freie Durchflußquerschnitt größer ist, als der engste Querschnitt f zwischen dem Ventilsitz 4- und dem Diffusor 5. Der freie Durchflußquerschnitt des Leitschaufelkranzes 9 ergibt sich dabei aus der Summe der jeweils zwischen benachbarten Leitschaufeln 91 gebildeten Durchflußguerschnitte.

2 Figuren

3 Patentansprüche

Claims

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Patentansprüche

Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, mit einem innerhalb des Ventilgehäuses in einer Ventilführung verschiebbaren Ventilkörper, einem in dem Ventilgehäuse angeordneten Ventilsitz und einem dem Ventilsitz nachgeschalteten Diffusor, dadurch gekennz eichnet, daß an der Ventilführung (7) eine Dralleinrichtung angebracht ist, welche den zwischen Ventilkörper (3) und Ventilsitz (4) gebildeten Ringquerschnitt umschließt und deren freier Durchflußquerschnitt größer ist, als der engste Querschnitt (f) zwischen Ventilsitz (4) und Diffusor (5).

2„ Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung durch einen Leischaufelkranz (9) gebildet ist, dessen Leitschau feln (91) in Umfangsrichtung angestellt sind.

3ο Stellventil nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die freitragenden Leitschaufeln (91) einseitig an der Ventilführung (7) befestigt sind.