DE3137710A1

DE3137710A1 - Stellventil, insbesondere zur steuerung und regelungvon dampfturbinen

Info

Publication number: DE3137710A1
Application number: DE19813137710
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Mülheim a.d. Ruhr Judith; Otto A. von Dipl.-Ing. 4330 Mülheim a.d. Ruhr Schwerdtner
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1981-09-22
Publication date: 1983-04-07
Also published as: US4506860A; JPS5865906A

Description

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KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Mülheim a. d. Ruhr VPA 81 P 9367 OE

Stellventil.,. ±nsbes.onde,r.e. .z,ur. Steuerung, und Regelung von
Dampfturbinen _____^^___««^__.___.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, gemäß
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 Diffu-

sor verlustarm verlangsamt. Bei diesem Querschnittsverlauf des Stellventils, der als konvergent-divergenter 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 ίΊ/15.9.1981

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- /£ - VPA 81 P 9367 DE

ben, so kommt es im Diffusor in mit der Schließbewegung des Ventilkörpers zunehmendem 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. 30

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

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Berippung des hinter dem Ventilsitz liegenden Kanals zu einer Stabilisierung der Strömung führt, wenn die Rippen

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radial oder vorwiegend radial ausgerichtet sind und sich in axialer Richtung vom engsten Querschnitt ausgehend in den Diffusor hinein erstrecken» Durch eine derartige Berippung werden also die den Ventilkörper zu Sbbvängungen anregenden Wechselkräfte minimiert„

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rippen in radialer Richtung vor der Längsachse des Kanals enden. Hierbei wird mit Rücksicht auf die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Rippen und des Ventilgehäuses bei transienten Temperaturänderungen des Strömungsmediums auf eine Verbindung der Rippen im Bereich der Längsachse bewußt verzichtet. Dabei ist es für die Stabilisierungsfunktion der Rippen besonders günstig, wenn die freien Enden der Rippen in axialer Richtung parallel zur Längsachse des Kanals verlaufen«

Die inneren Enden der vorwiegend radial ausgerichteten Rippen können aber auch tangential an einem koaxial zur Längsachse des Kanals angeordneten Haltezylinder angebracht sein. Hierdurch wird eine wärmebewegliche Verbindung der Rippen erzielt, da gleiche Wärmedehnungen der einzelnen Rippen durch eine entsprechende Verdrehung des Haltezylinders kompensiert werden.

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Für die Stabilisierung der Strömung ist es auch günstig, wenn die Rippen gleichmäßig über den Umfang des Kanals verteilt angeordnet sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellventils ist vorgesehen, daß die axiale Länge der Rippen dem 1 bis 1,5fachen Durchmesser des Kanals im engsten Querschnitt entspricht. Wie experimentell festgestellt wurde, ergibt sich bei einer derartigen Bemessung der axialen Länge der Rippen ein besonders stabiler Strömungsverlauf.

Die Rippen können sich auch in axialer Richtung vom

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engsten Querschnitt ausgehend über ein daran anschließendes zylindrisches Teilstück des Kanals in den Diffusor hinein erstrecken. Das zwischen dem engsten Querschnitt und dem Diffusor angeordnete zylindrische Teilstück des Kanals wirkt dabei auf die Strömung als zusätzliche Beruhigungszone und vergrößert außerdem den Abstand zwischen dem in bezug auf Instabilitäten besonders kritischen Diffusor und dem Ventilkörper.

Im Hinblick auf eine einfach herzustellende Berippung des hinter dem Ventilsitz liegenden Kanals ist es schließlich auch zweckmäßig, wenn die Hippen vollständig im Bereich einer in das Ventilgehäuse eingesetzten Ventilsitzbuchse angeordnet sind.

Im folgenden sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch das Ventilgehäuse eines Stellventils für Dampfturbinen mit einer Berippung des hinter dem Ventilsitz liegenden Kanals,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II der Fig. 1,

Pig. 3 in einem der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt eine erste Variante der Berippung,

Pig. 4 in einem ebenfalls der Pig. 2 entsprechenden Querschnitt eine zweite Variante der Berippung und

Pig. 5 eine Variante im QuerSchnittsverlauf des berippten Kanals.
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Pig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Ventilgehäuses 1 eines Stellventils. Die durch Pfeile S ange-

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deutete DampfStrömung tritt durch einen seitlichen Eintrittsstutzen 2 in das Ventilgehäuse 1 ein, durchströmt einen zwischen der Kegellippe 3I 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 Ventils kann dabei als konvergent-divergenter Kanal aufgefaßt werden, wobei der

ΊΟ Ventilsitz 4 im konvergenten Kanalteil vor dem engsten Querschnitt 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 Anfangsbereiche des divergenten Kanalteils durch eine aus verschleißfestem Material bestehende und in das Ventilgehäuse Ί 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 3, 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 zn Schwingungen anregenden Wechselkräfte zu minimieren, sind in dem hinter dem Ventilsitz 4- liegenden Kanal insgesamt vier Rippen 9 angeordnet, zu deren weiterer Beschreibung zusätzlich auf den in Fig. 2 dargestellten Querschnitt verwiesen wird. Diese vier Rippen 9» die in Umfangsrichtung jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind, treten in radialer Richtung aus der Kanalwandung der Ventilsitzbuchse 6 hervor und sind in ihrem Kreuzungsbereich voneinander

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getrennt, d. h. sie enden jeweils im Abstand vor der Längsachse L des Ventilgehäuses 1. In axialer Richtung der Längsachse L gesehen beginnen die vier Rippen 9 im Bereich des engsten Querschnittes f und erstrecken sich bis zum Side der Ventilsitzbuchse 6 in den Diffusor 5 hinein.

Die innenliegenden freien Enden der Rippen 9 verlaufen dabei in axialer Richtung gesehen parallel zur Längsachse L, so daß durch die trapezförmige Ausgestaltung eine möglichst große Stabilisierungsfläche für die in diesem Bereich in besonderem Maße zu Instabilitäten neigende Dampfströmung S gebildet wird.

Fig. 3 zeigt eine erste Variante der zur Stabilisierung der Dampfströmung vorgesehenen Berippung. In einem der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt durch den berippten Kanal sind insgesamt nur drei Rippen 90 zu erkennen, welche in Umfangsrichtung jeweils um 120° zueinander versetzt angeordnet sind und in radialer Richtung aus der Kanalwandung einer in das Ventilgehäuse 1 eingesetzten Ventilsitzbuchse 60 hervortreten. Im übrigen entspricht die Anordnung und Ausgestaltung dieser Rippen 90 derjenigen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Rippen 9-

Fig. 4 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine zweite Variante der zur Stabilisierung der Dampfströmung vorgesehenen Berippung. Dabei sind insgesamt vier Rippen 9I zu erkennen, die aus der Kanalwandung einer in das Ventilgehäuse 1 eingesetzten Ventilsitzbuchse 61 in vorwiegend radialer Richtung hervortreten und tangential zu einem koaxial innerhalb der Ventilsitzbuchse 61 angeordneten Haltezylinder 92 ausgerichtet sind. Die Rippen 9I sind im Bereich ihrer innenliegenden Enden mit dem Haltezylinder 92 und damit untereinander verbunden. Diese Verbindung der einzelnen Rippen 91 ist dabei als wärmebewegliche Verbindung anzusehen, da Wärmedehungen

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der einzelnen Rippen 9^ durch eine entsprechende Drehung des Haltezylinders 92 aufgefangen werden.

Figo 5 zeigt eine Variante im Querschnittsverlauf des berippten Kanals*, Abweichend von dem in Fig» 1 dargestellten Querschnittsverlauf ist hier eine Ventilsitzbuchse 62 vorgesehen, bei welcher zwischen den engsten Querschnitt f und den Anfang des Diffusors 5 ein mit Z bezeichnetes zylindrisches Teilstück geschaltet ist» Dementsprechend erstrecken sich die hier mit 92 bezeichneten Rippen in axialer Richtung vom engsten Querschnitt f ausgehend über das daran anschließende zylindrische Teilstück Z in den Diffusor 5 hinein. Neben der stabilisierenden Punktion der Rippen 92 wirkt hierbei das zylindrische Teilstück Z als zusätzliche Beruhigungszone auf die Dampfströmung

8 Patentansprüche
5 Figuren

Leerseite

Claims

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j VPA 81 P 9367 DE Patentansprüche

1 ο 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 gekennzeichnet, daß in dem hinter dem Ventilsitz (4) liegenden Kanal mindestens drei Rippen (9; 90; 9"I; 92) angeordnet sind, welche in radialer oder vorwiegend radialer Richtung aus der Kanalwandung hervortreten und welche sich in axialer Richtung vom engsten Querschnitt (f) ausgehend in den Diffusor (5) hinein erstrecken«,

2ο Stellventil nach Anspruch 1,dadurch g e kennz eichnet, daß die Rippen (95 90; 92) in radialer Richtung vor der Längsachse (L) des Kanals enden»

3ο Steilventil nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Rippen (9; 90; 92) in axialer Richtung parallel zur Längsachse (L) des Kanals verlaufen»

4ο Steilventil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden der vorwiegend radial ausgerichteten Rippen (91) tangential an einem koaxial zur Längsachse (L) des Kanals angeordneten Haltezylinder (92) angebracht sind.

5«. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (9; 90; 92) gleichmäßig über den Umfang des Kanals verteilt angeordnet sind.

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6. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Rippen (9; 90; 91; 92) dem 1 bis 1,5fachen Durchmesser des Kanals im engsten Querschnitt (f) entspricht.

7. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (92) sich in axialer Richtung vom engsten Querschnitt (f) ausgehend über ein daran anschließendes zylindrisches Teilstück (Z) des Kanals in den Diffusor (5) hinein erstrecken.

8. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (9; 90; 91» 92) vollständig im Bereich einer in das Ventilgehäuse (1) eingesetzten Ventilsitzbuchse (6; 60; 61; 62) angeordnet sind.