DE3209506A1 - Axial beaufschlagte dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger ausfuehrung - Google Patents
Axial beaufschlagte dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger ausfuehrungInfo
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Description
KRAFTWERK UNION AKTIENGESEIjLSCHAFT Unser Zeichen
Mülheim a. ά. Ruhr VPA 82 P 62% DE
Axial beaufschlagte- -Dampfturbine, insbes-onde-r-e -in zweiflutiger Ausführung
.
Die Erfindung bezieht sich auf eine axial beaufschlagte Dampfturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
Eine derartige Dampfturbine ist aus der FR-PS 851 531
bekannt. Bei einer dort dargestellten zweiflutigen Dampfturbine ist im Bereich der in der axialen Mitte erfolgenden
Dampfeinströmung eine Wellenabschirmung angeordnet,
welche an den radial inneren Enden der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelkränze beider Fluten befestigt ist.
Die die Welle mit Abstand umschließende Wellenabschirmung ist dabei am Außenumfang so ausgebildet, daß der in radialer
Richtung einströmende Dampf auf beide Fluten gleichmäßig aufgeteilt und in die axiale Richtung umgelenkt
wird. Die Wellenabschirmung verhindert somit ein unmittelbares Anströmen der Wellenoberfläche durch den in
radialer Richtung einströmenden Dampf.
Aus W. Traupel "Thermische Turbomaschinen", Band 2, 2.
Auflage, Springer-Yerlag, Berlin, Heidelberg, New York,
1968, Seite 341, ist es auch bekannt, bei einer axial ■
beaufschlagten einflutigen Dampfturbine im Bereich der Dampfeinströmung ein Abschirmblech anzuordnen und in den
JO zwischen Welle und Abschirmblech gebildeten Ringkanal von
außen her Kühldampf einzuführen. Der Kühldampf strömt dann
in dem Ringkanal bis vor den ersten Laufschaufelkranz.
Auf diese Weise können die zusätzlich zu den hohen Fliehkraftbeanspruchungen
der Welle im Bereich der Darnpfeinströmung und im Bereich der Laufschaufelbefestigung des
ersten Laufschaufelkranzes auftretenden thermischen Beanspruchungen reduziert werden. Hierzu ist jedoch die mit
einigem Aufwand verbundene Bereitstellung von Kühldampf
KIk 2 Fl/12.3.1982
-Z- VPA 82 P 6256 DE
erforderlich. Außerdem ist eine derartige von außen her erfolgende Einleitung von Kühldampf in den zwischen Wellen
ab schirmung und. Welle gebildeten Ringkanal bei zweiflutigen
Dampfturbinen nur möglich, wenn die Leitung für die Zufuhr des Kühldampfes im Bereich der Dampfeinströmung
verlegt wird. Eine derartige Ausführung ist aus der Zeitschrift "BBC-Nachrichten", 1980, Heft 10, Seite 378,
bekannt. Durch die Verlegung der Leitung für die Zufuhr des Kühldampfes in den Bereich der Dampfeinströmung entstehen
jedoch zusätzliche Strömungsverluste. Die Kühlung der Welle im Bereich der Dampfeinströmung durch Kühldampf
ist auch thermodynamisch ungünstig, weil der kalte Kühldampf die mittlere Arbeitsmitteltemperatur in der
Dampfturbine absenkt. Durch die Zufuhr von Kühldampf können aber auch regeltechnische Probleme im Falle einer
Lastabschaltung entstehen, da der Kühldampf die Dampfturbine bzw. den Turbosatz auf Überdrehzahl bringen könnte,
sofern die Kühldampfzufuhr nicht durch separate Sicherheitsventile
abgeschaltet wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer axial beaufschlagten Dampfturbine der eingangs genannten
Art die thermischen Beanspruchungen der Welle im Bereich der Dampfeinströmung ohne die Verwendung von Kühldampf
weiter zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale
gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine wird also unter Umgehung des ersten Leitschaufelkranzes ein geringer Teilstrom
des insgesamt einströmenden Dampfes durch tangential angeordnete Düsen dem unter der Wellenabschirmung
liegenden Wellenbereich zugeführt. Die Geschwindigkeit mit welcher dieser Teilstrom in den zwischen Welle und
Wellenabschirmung gebildeten Ringkanal eintritt, entspricht
- $ - VPA 82 P 6256 DE
dem im ersten Leitschaufelkranz verarbeiteten Gefälle. Die in die Wellenabschirmung eingebrachten Düsen sind
dabei in besug auf die Drehrichtung der Welle so ausgerichtet, daß die sich im Ringkanal ausbildende Drallströmung
der Wellenumfangsgeschwindigkeit vorauseilt. Die Grenzschichttemperatur an der Welle entspricht dann
der durch die Erhöhung der kinetischen Energie abgesenkten statischen Temperatur des Dampfes, vermehrt um den
Stautemperaturanteil der vergleichsweise geringen Relaufgeschwindigkeit
zwischen der Drallströmung und der Wellenumfangsgeschwindigkeit. Durch die in die Wellenabschirmung
tangential eingebrachten Düsen kann somit eine wirksame Kühlung der Welle im Bereich der Dampfeinströmung
und im Bereich der Laufschaufelbefestigung des ersten
Laufschaufelkranzes erzielt werden«.
Bei einer axial beaufschlagten Dampfturbine in zweiflutiger
Ausführung, bei welcher die Wellenabschirmung an den radial inneren Enden der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelkränze
beider Fluten befestigt ist, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Düsen in
' der axialen Mitte in den Ringkanal einmünden. Der durch die mittigen Düsen in den Ringkanal eintretende Teilstrom
wird dann gleichmäßig in zwei Drallströmungen aufgeteilt,
welche in axialer Richtung entlang der Welle jeweils bis zum ersten Laufschaufelkranz strömen.
Eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung kann dadurch erzielt werden, daß die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe
ausgebildet ist bzw. daß bei einer zweiflutigen Ausführung bei beiden Fluten jeweils die erste Stufe als
Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist. Hierdurch soll ein möglichst großes Gefälle im ersten Leitschaufelkranz
verarbeitet werden, so daß durch die entsprechende Erhöhung der kinetischen Energie die statische Temperatur
des in den Ringkanal eingeleiteten Teilstromes möglichst weit abgesenkt wird.
-X- VPA 82 P 6256 DE
Weiterhin hat es sich aus fertigungstechnischen Gründen
als zweckmäßig erwiesen, wenn insgesamt vier über den Umfang der Wellenabschirmung gleichmäßig verteilt angeordnete
Düsen vorgesehen sind.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Dampfturbine ist der Querschnitt der Düsen derart bemessen, daß der in den Ringkanal gelangende
Dampfmassenstrom etwa 3 % des insgesamt im Bereich der
Dampfeinströmung zugeführten Dampfmassenstromes beträgt.
Hierdurch kann bei einer wirksamen Kühlung der Welle die durch die teilweise Umgehung des ersten Leitschaufelkranzes
bedingte Verbrauchserhöhung auf äußerst niedrige Werte
begrenzt werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in '
stark vereinfachter schematischer Darstellung
Fig. 1 den Einströmbereich einer zweiflutigen Dampfturbine im Längsschnitt und
Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie H-II der Fig.
Gemäß Fig. 1 strömt der Dampf in Richtung des Pfeiles 1 radial nach innen durch einen ringförmigen Einströmkanal
2, welcher durch die Leitschaufelträger 3 bzw. 3' der
beiden spiegelbildlich zur axialen Mitte M angeordneten Fluten gebildet ist. Der in radialer Richtung einströmende
Dampf wird dann unter Umlenkung in die axiale Richtung auf beide Fluten gleichmäßig aufgeteilt, wobei jedoch ein
geringer Teilstrom in einen Ringkanal 4 eingeleitet wird, welcher zwischen der Welle 5 und einer dazu konzentrischen
Wellenabschirmung 6 gebildet ist und durch eine entsprechende
Formgebung von Welle 5 und Wellenabschirmung 6 von der axialen Mitte M ausgehend nach beiden Seiten hin
etwas ansteigt. Die Wellenabschirmung 6 ist an den radial
- VPA 82 P 6256 DE inneren Enden der Leitschaufein 7 bzw. 7' d.es jeweils ersten
Leitschaufelkranzes "beider Fluten befestigt. Die Leitschaufeln 7 und. 7' sind ihrerseits in die Leitschaufelträger
3 bzw. 3' eingesetzt.
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In die Wellenabschirmung 6 sind nun insgesamt vier über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Düsen 8 als
Bohrungen eingebracht. Wie es insbesondere aus dem Querschnitt der Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Düsen 8 so
ausgebildet, daß sie in der durch den Pfeil 9 angedeuteten Drehrichtung der Welle gesehen tangential in den
zwischen Welle 5 und Wellenabschirmung 6 gebildeten Ringkanal
4· einmünden. Da der von dem einströmenden Dampf abgezweigte Teilstrom durch die Düsen 8 tangential in den
Ringkanal 4- eintritt, bildet sich dort eine durch den Pfeil ΊΟ angedeutete Drallströmung aus, welche der Wellenumfangsgeschwindigkeit
vorauseilt.
Die Drallströmung 10 teilt sich dann in zwei von der
axialen Mitte M ausgehende Drallströmungen auf, welche
in der Fig. 1 durch die Pfeile 11 und Ί1· angedeutet sind
und die Welle 5 entlang bis zu den Laufschaufeln 12 bzw. 12* des jeweils ersten LaufSchaufelkranzes der beiden
Fluten strömen. Dabei umgehen die beiden Drallströmungen 11 und 11' die Leitschaufeln 7 bzw. 7' äes jeweils ersten
Leitschaufelkranzes beider Fluten. Die Geschwindigkeit mit welcher der von dem einströmenden Dampf abgezweigte
Teilstrom in die Düsen 8 eintritt entspricht damit dem jeweils im ersten Leitschaufelkranz der beiden Fluten verarbeiteten
Gefälle, wobei diese Eintrittsgeschwindigkeit durch eine Ausbildung der jeweils ersten Stufe als Schwachreaktions-Stufe
gesteigert werden kann.
Die Wellenabschirmung 6 verhindert einerseits ein unmittelbares Anströmen der Oberfläche der Welle 5 durch den
in Richtung des Pfeiles 1 radial einströmenden heißen Dampf. Andererseits entspricht die Grenzschichttemperatur
-/6 - VPA 82 P 6256 DE
der Drallströmungen 10 bzw. 11 und 11' in dem Ringkanal
l\ der durch die Erhöhung der kinetischen Energie abgesenkten
statischen Temperatur des Dampfes, vermehrt um den Stautemperaturanteil der Relativgeschwindigkeit zwischen
Drallströmung 10 bzw. 11 und 11' und Wellenumfangsgeschwindigkeit.
Der Stautemperaturanteil ist dabei gering, da die genannte Relativgeschwindigkeit durch die gewählte
Ausrichtung der Düsen 8 ebenfalls vergleichsweise gering i st.
Der in den Ringkanal 4 durch die Düsen 8 eintretende
Dampfmassenstrom beträgt etwa 3 % des insgesamt durch den
Einströmkanal 2 zugeführten Dampfmassenstromes. Die Temperaturabsenkung
in dem unterhalb der Wellenabschirmung 6 liegenden Bereich der Welle 5 liegt gegenüber der Temperatur
des einströmenden Dampfes bei 20° K am Anfang des Drallfeldes in der axisOjen Mitte M und bei 10 bis 15° K
am jeweiligen Ende des l)rallfeldes. Die für diese Kühlung
der Welle erforderliche Verbrauchserhöhung liegt bei ungefahr
0,06 % und entspricht damit den bei Fremdkühlung durch von außen her eingeleiteten Kühldampf erreichbaren
Werten. Die geringfügige Verringerung der Kühlwirkung am jeweiligen Ende des Drallfeldes kann ggf. durch eine auf
der Welle 5 zusätzlich angeordnete Laufschaufelreihe vermieden
werden. Diese in der axialen Mitte M und im Ringkanal 4- angeordnete Laufschaufelreihe könnte zweckmäßigerweise
als Freistrahlturbine ausgebildet werden.
6 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
Claims (6)
- - \ - VPA 82 P 6256 DE Pat ent ansprach eΜ./ Axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung, mit einer im Bereich der Dampfeinströmung angeordneten ringförmigen Wellenabschirmung, welche die Welle mit Abstand umschließt und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln des ersten Leit- ■ schaufelkranzes verbunden ist, dadurch g e kennz ei chnet, daß in die Wellenabschirmung (6) Düsen (8) eingebracht sind, welche in Drehrichtung (9) der Welle (5) gesehen tangential in den zwischen Welle (5) und Wellenabschirmung (6) gebildeten Ringkanal (4·) einmünden.
- 2. Axial beaufschlagte Dampfturbine in zweiflutiger Ausführung nach Anspruch 1, bei welcher die Wellenabschirmung an den radial inneren Enden der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelgrenze beider Fluten befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen(8) in der axialen Mitte (M) in den Ringkanal (4-) einmünden.
- 3. Axial beaufschlagte Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist.
- 4-. Axial beaufschlagte Dampfturbine in zweiflutiger Ausführung nach Anspruch 2,dadurch gekennz ei chnet, daß bei beiden Fluten jeweils die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist.
- 5. Axial, beaufschlagte Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt vier über den Umfang der Wellenabschirmung (6) gleichmäßig verteilt angeordnete Düsen (8) vorgesehen sind.- -β - VPA 82 P 6256 DE
- 6. Axial beaufschlagte Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Düsen (8) derart bemessen ist, daß der in den Ringkanal (4) gelangende
Dampfmassenstrom etwa 3 % des insgesamt im Bereich der Dampfeinströmung zugeführten Darapfmassenstromes beträgt.
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