DE3137720A1 - Stellventil, insbesondere zur steuerung und regelungvon dampfturbinen - Google Patents
Stellventil, insbesondere zur steuerung und regelungvon dampfturbinenInfo
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- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
- F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
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Description
KRAFTWERK TMION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen V
Mülheim a. d. Ruhr VPA 81 P 9566 DE
St eil ventil-,, insbesondere zur 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 Steilventils 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 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
KIk 2 Fl/ 14.9.1981
VPA 81 P 9366 DE Ventilkörper hierzu in Richtung des Ventilsitzes verschoben,
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 Steilventil 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 eine
- / - VPA 81 P 9366 DE
Stabilisierung der Strömung an der Diffusorwand dann erreicht
werden kann, wenn die Beschleunigung der Strömung an der Drosselstelle zwischen Ventilkörper und Ventilsitz
dominierend in axialer Richtung wirkt und die Radialkomponente
der Beschleunigung möglichst klein bleibt. Es wurde ferner herausgefunden, daß eine derartige Beeinflussung
der Beschleunigung im Sinne einer großen Axialkomponente und einer geringen Radialkomponente dadurch
realisiert werden kann, daß der konvergente Kanalteil die Kontur eines Kreiskegelstumpfes aufweist und
ohne scharfe Kante, sondern mit einer Krümmung in den daran anschließenden Kanalteil übergeht» Bei einem derartigen
Querschnittsverlauf des konvergenten Kanalteils tritt der gewünschte Effekt, d. h. eine merkliche Stabilisierung
der Strömung aber erst dann ein, wenn der Kegelwinkel des Kreiskegelstumpfes 65° oder weniger beträgt»
Vorzugsweise werden jedoch Kegelwinkel von 60° oder weniger gewählt, wodurch eine besonders effiziente Stabilisierung
der Strömung erzielt wird»
Die strömungstechnisch günstige Formgebung des erfindungsgemäßen Stellventils kann dadurch noch weiter verbessert
werden, daß im Einlaufbereich des konvergenten Kanalteils die Innenwandung des Ventilgehäuses stufen- und kantenlos
in die kreiskegelstumpfförmige Kontur übergeht. Eine
Stetigkeit des Übergangs im mathematischen Sinne ist dabei jedoch nicht erforderlich.
Wie bereits erwähnt wurde, ist es für die erwünschte Stabilisierung der Strömung erforderlich, daß der kreiskegelstumpfförmige
konvergente Kanalteil mit einer Krümmung in den daran anschließenden Kanalteil übergeht.
Dabei ist bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, daß der konvergente Kanalteil mit der Krümmung unmittelbar in den divergenten Kanalteil des Diffusors
übergeht. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführung ist es aber auch möglich, daß der konvergente Kanalteil
VPA 81 P 9366 DE mit der Krümmung in einen zylindrischen Kanalteil übergeht,
an welchen sich der divergente Kanalteil des Diffusors anschließt. Der zylindrische Kanalteil 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 folgenden sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch das Ventilgehäuse eines Stellventils für Dampfturbinen,
Fig. 2 in größer gewähltem Maßstab einen Ausschnitt aus
der Fig. 1 mit dem Quersennittsverlauf im Bereich des
Ventilsitzes und des hinter dem Ventilsitz liegenden Kanals
und
Fig. 3 eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Querschnittsverlaufs
.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Ventilgehäuses 1 eines Stellventils. Die durch Pfeile S
angedeutete Dampfströmung tritt durch einen seitlichen
Eintrittsstutzen 2 in das Ventilgehäuse ein, durchströmt
einen zwischen der Kegellippe 3^ eines Ventilkörpers 3
und einem Ventilsitz 4- gebildeten Ringquer schnitt 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- in dem konvergenten Kanalteil 6 vor dem engsten
Querschnitt f liegt und wobei der divergente Kanalteil durch den Diffusor 5 gebildet wird. Dabei ist die
- J$ - VPA 81 P 9366 DE Kontur des konvergent-divergenten Kanals im Bereich des
Ventilsitzes 4, des engsten Querschnittes f und des Anfangsbereiehs des divergenten Kanalteils bzw. Diffusors
5 durch eine aus verschleißfestem Material bestehende
und in das Ventilgehäuse 1 eingesetzte Ventilsitzbuchse 7 gebildete
Der Ventilkörper 3 ist als Kolben ausgebildet, und innerhalb
einer als Zylinder ausgebildeten und im Ventilgehause 1 fest angeordneten Ventilführung 8 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 9 von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Stellantrieb eingestellt»
Um nun die den Ventilkörper 3 zn Schwingungen anregenden
Wechselkräfte zu minimieren, ist ein in dem Ausschnitt der Figo 2 im Detail dargestellter Querschnittsverlauf des
konvergent-divergenten Kanals vorgesehen» Der konvergente Kanalteil 6 wejst dabei die Kontur eines Kreiskegelstumpfes auf, welcher durch die strichpunktierte Kegelmantellinie
KM und den Kegelwinkel 2a definiert ist. Dieser Kegelwinkel 2a beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 60°α Stromaufwärts geht die kreiskegelstumpfförmige
Kontur des konverg-enten Kanalteils 6 ohne Stufen oder Kanten in die Innenwandung des Ventilgehäuses 1 über,
während sie stromabwärts mit einer Krümmung 10 in den divergenten Kanalteil des Diffusors 5 übergeht.
Fig. 3 zeigt eine Variante im Querschnittsverlauf des konvergent-divergenten Kanals. Hier geht die kreiskegelstumpfförmige
Kontur des konvergenten Kanalteils 6 mit einer Krümmung 10' in einen zylindrischen Kanalteil 11
über, an welchen sich dann der divergente Kanalteil eines Diffusors 51 direkt, d. h. ohne weitere Krümmung an-
- rf - VPA 81 P 9366 DE
schließt. Die Ventilsitzbuchse, welche die Kontur des
zylindrischen Kanalteils bildet, ist bei dieser Variante mit ?' bezeichnet. .
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnittsverlauf und bei dem in Fig. 3 dargestellten Querschnittsverlauf wird
erreicht, daß die Beschleunigung der Dampfströmung S an
der Drosselstelle zwischen der Kegellippe 31 und dem Ventilsitz
4 dominierend in Richtung der Längsachse L wirkt, während die Radialkomponente der Beschleunigung normal zur
Längsachse L äußerst klein bleibt. Hierdurch wird die Dampfströmung S an der Wandung des Diffusors 5 bzw. an
der Wandung des Diffusors 51 stabilisiert. Bei dem in Fig.
3 dargestellten Querschnittsverlauf wirkt der zylindrische Kanalteil 11 noch als zusätzliche Beruhigungszone.
5 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
Claims (5)
- VPA 81 P 9366 DE "Pat entansprüche( 1 „y Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, dessen in einer Ventilführung verschiebbarer Ventilkörper einem Ventilsitz zugeordnet ist, wobei der Ventilsitz im Bereich eines konvergenten Kanalteils des Ventilgehäuses liegt, an welchen sich der divergente Kanalteil eines Diffusors anschließt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 10a) der konvergente Kanalteil (6) weist die Kontur eines Kreiskegelstumpfes auf;b) der Kegelwinkel (2a) des Kreiskegelstumpfes beträgt höchstens 65°;c) der konvergente Kanalteil (6) geht mit einer Krümmung (10; 11) in den daran anschließenden Kanalteil über.
- 2. Stellventil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaufbereich des konvergenten Kanalteils (6) die Innenwandung des Ventilgehäuses (1) stufen- und kantenlos in die kreiskegelstumpfförmige Kontur übergeht.
- 3. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (2a) des Kreiskegelstumpfes höchstens 60° beträgt.
- 4. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergente Kanalteil (6) mit der Krümmung (10) unmittelbar in den divergenten Kanalteil des Diffusors (5) übergeht.
- 5. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -- rf - V PA 81 ρ 9566 DEdurch gekennzeichnet, daß der konvergente Kanalteil (6) mit der Krümmung (10') in einen zylindrischen Kanalteil (11) übergeht, an welchen sich der divergente Kanalteil des Diffusors (5') anschließt.
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