DE3242713C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einlaßgehäuse für eine einflutige, axial durchströmte Hochdruckdampfturbine, deren erste Stufe aus zwei voneinander getrennten konzentrischen Ringöffnungen angeströmt ist und wobei jede Ringöffnung mit einer eigenen Zuströmleitung verbunden ist.

Die Leistungsregelung von Dampfturbinen geschieht heute entweder über Anpassung oder Drosselung der Frischdampfdrücke, bekannt als Gleitdruckregelung bzw. Drosselregelung, oder durch Teilbeaufschlagung einer speziell dafür konstruierten Gleichdruckstufe über einzelne abschaltbare und regelbare Sektoren eines Düsenkranzes. Diese als Düsengruppenregulierung bekannte Regelungsart zeigt sich zumeist der reinen Drosselregulierung überlegen, führt aber bei Reduktion der Last und damit der Beaufschlagung zu einer Zunahme der unter der Bezeichnung "Teilbeaufschlagungsverluste" bekannten Verlustanteile. Bei nicht vollständiger Durchmischung der Strömung in der anschließenden Radkammer kann es ebenfalls zu einer Teilbeaufschlagung der nachfolgenden Reaktionsbeschaufelung und damit zu zusätzlichen, großen Strömungsverlusten kommen.

Eintrittsgehäuse der eingangs genannten Art sind aus der französischen Patentschrift FR-PS 76 14 597 bekannt. Aus zwei axial gerichteten konzentrischen Ringöffnungen oder -kanälen, welche einen Düsenkasten bilden, strömt der Dampf in ein Aktionsrad. Die Düsen sind innerhalb der Ringöffnungen angeordnet. Es handelt sich dabei um eine klassische Gleichdruck-Regelstufe. Die Ringkanäle werden getrennt angespeist. Einer der beiden Ringkanäle hat zwei Zuströmleitungen, die zu je einem halben Ringumfang führen. Der zweite Ringkanal weist vier Zuströmleitungen für seine vier Segmente auf. Die Turbinenleistung wird vom Leerlauf auf Nennlast gesteigert, indem zunächst ein Ringkanal über den ganzen Umfang angespeist wird und dann nacheinander die verschiedenen Sektoren des zweiten Ringkanals geöffnet werden. Mit dieser Anordnung sollen bei Teilbeaufschlagung keine Schwingungsprobleme an der ersten Laufreihe auftreten.

Der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 definierten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem eingangs genannten Einlaßgehäuse eine Regelungsart zu schaffen, die über dem ganzen Lastbereich zu besseren Wirkungsgraden als mit reiner Düsengruppenregulierung führt.

Durch die über 360° Umfang erfolgende Beaufschlagung mit je nach Last unterschiedlichen Massenströmen kann auf die bei Teillast verlustreiche Regelstufe, bestehend aus Düsenkasten und Gleichdruckrad verzichtet werden. Besondere Vorteile konstruktiver Art sind darin zu sehen, daß derartige Spiralgehäuse eine kurze axiale Baulänge aufweisen und das lediglich zwei mit Abschluß- und Regelorganen versehene Zudampfleitungen benötigt werden. Außerdem bietet sich die Möglichkeit, den bei einflutigen Turbinenteilen erforderlichen Ausgleichskolben im freien Raum innerhalb der Spiralen anzuordnen.

Werden die Querschnitte der Spiralgehäuse für unterschiedlichen Massendurchfluß dimensioniert, so können neben der Vollast mindestens zwei Teillastpunkte ungedrosselt und somit verlustarm gefahren werden.

Werden die Spiralquerschnitte drallerzeugend ausgelegt, so kann auf ein Umlenkgitter vor der ersten Laufreihe der Turbinenbeschaufelung verzichtet werden.

Höhere Dampfgeschwindigkeiten als üblich sind in den Zuströmrohren zulässig, da für die Drallerzeugung kinetische Energie voll verwertbar ist. Hierdurch können die Zuströmleitungen mit kleinen Querschnitten und somit billiger ausgeführt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht des Einlaßgehäuses mit Abströmrichtung senkrecht in die Zeichenebene hinein;

Fig. 2 einen Teilschnitt in Richtung der Turbinenlängsachse nach Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 Spiralenquerschnitte des Einlaßgehäuses.

Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, hier Hochdruckdampf, ist mit Pfeilen bezeichnet. Die Fig. 1 und 2 erheben keinerlei Anspruch auf Genauigkeit und sind lediglich der besseren Verständlichkeit wegen auf die notwendigsten Konturen beschränkt.

Das Einlaßgehäuse besteht aus zwei Spiralen 1, 2, denen der Dampf über die Rohrbögen 8 resp. 9 zuströmt. Nicht gezeigt sind die in den Rohrbögen 8 und 9 angeordneten Abschluß- und Regelorgane. Austrittsseitig münden die Spiralen in je eine Ringöffnung 1′ resp. 2′. Diese Ringöffnungen sind konzentrisch zueinander angeordnet und erstrecken sich über 360° Umfang. Die Strömungsbegrenzung beider Ringöffnungen 1′, 2′ gegeneinander erfolgt über eine axial in den Turbinenströmungskanal auslaufende, gemeinsame Trennwand 16. Es erfolgt somit aus beiden Spiralen eine in der Projektion axiale Dampfeinströmung in die Turbine. Von der teilweise und sehr schematisch skizzierten Turbine, bei der es sich um den einflutigen Hochdruckteil handelt, sind nur der Rotor 10 mit Stopfbüchsenpartie 11, der Schaufelträger 12 und drei Schaufelreihen 13, 14 und 15 dargestellt. Zwischen dem Austritt der Spiralen 1, 2 - der durch die Hinterkante der Trennwand 16 gegeben ist - und der ersten Schaufelreihe 13 ist ein diffusorartiger Ringraum 5 angeordnet, dessen Funktion weiter hinten beschrieben ist.

Zwischen den Eintrittsquerschnitten 1′′, 2′′ und den Rohrbögen 8, 9 sind Reduktionsstücke 6, 7 vorgesehen. In ihnen wird das Arbeitsmittel vom beispielsweise 60 m/sec auf die am Turbineneintritt erforderliche Geschwindigkeit von beispielsweise 120 m/sec beschleunigt. Die Drallerzeugung erfolgt in den hierzu entsprechend gestalteten Spiralen. Es versteht sich, daß in den Rohrbögen 8 und 9 auch höhere Geschwindigkeiten als die genannten 60 m/sec zulässig sind. Dies gilt insbesondere deswegen, weil die kinetische Energie für die Drallerzeugung voll nützbar ist. Letztlich handelt es sich um ein Optimierungsproblem, bei welchem die durch erhöhte Geschwindigkeit bedingten höheren Reibungsverluste einer Materialeinsparung aufgrund geringerer Querschnitte entgegenzustellen sind.

Die beiden Spiralen 1, 2 sind wie ihre Ringöffnungen 1′, 2′ konzentrisch angeordnet und verlaufen umfangmäßig ebenfalls über 360°. Ihre Eintrittsquerschnitte 1′′, 2′′ sind um 180° gegeneinander versetzt, und zwar derart, daß die Spiralen 1, 2 im gleichen Drehsinn durchströmt sind. Diese Querschnitte 1′′, 2′′ befinden sich in der Horizontalachse 3 der Turbine, also in der Ebene, in der üblicherweise die Trennflächen der Maschine verlaufen.

Als Grundform für die zu wählenden Spiralenquerschnitte wird die in Fig. 3 gezeigte Form gewählt, die anhand der Spirale 2 bei 90° Umfang erläutert wird. Der Querschnitt setzt sich zusammen aus einer Kreisfläche mit dem Radius r und einem sich an den Kreis strömungskonform anschließenden Kanal mit der Höhe h. Die Wandungen dieses Kanals verlaufen parallel zur Maschinenlängsachse und bilden die Ringöffnungen, welche sich mit gleicher Höhe über 360° Umfang erstrecken. Über den Umfang ändert sich somit nur der Radius r, was zur spiralförmigen Außenkontur und zur zylindrischen Innenkontur des Einlaßgehäuses führt. Da der Kreisdurchmesser 2r immer größer als die Kanalhöhe h ist, erfolgt der Übergang vom Kreis zum Kanal über einen Kreisbogen mit demselben Radius r. Der Gesamtquerschnitt ist somit eine Funktion von e/h und h/r. Durch das beim Durchströmen der Spirale über die Ringöffnungen ständig abströmende Arbeitsmittel verringert sich der Kreisquerschnitt zunehmend. Für die somit vorgegebenen Querschnittsflächen über dem Umfang ist bei gleichbleibender Kanalhöhe und veränderlichem Abstand e zwischen Mündung der Ringöffnung und Kreismittelpunkt der erforderliche Radius r leicht zu bestimmen.

Die zwei konzentrisch angeordnete Spiralen 1, 2 gemäß Fig. 3 können als mögliches Ausführungsbeispiel für das Eintrittsgehäuse angesehen werden. Die Spiralquerschnitte sind für ungleichen Durchfluß ausgelegt, was die unterschiedlichen Eintrittsquerschnitte 1′′, 2′′ und die unterschiedlichen Höhen des Kanals resp. der Ringöffnungen 1′, 2′ erklärt.

Entsprechend der Winkelangaben in Fig. 1 nimmt der Querschnitt des Spiralgehäuses 1 vom Spiraleintritt 1′′ bei 0° ausgehend zunehmend ab. Gleiches gilt für das Spiralgehäuse 2, dessen Eintritt 2′′ um einen halben Umfang versetzt ist und dessen Querschnitt sich somit im Drehsinn von 180° über 270°, 0° und 90° zunehmend verringert. Hierbei gilt zu beachten, daß beispielsweise bei 180° die Trennwand 16 über weite Teile eine gemeinsame Wandung für beide Spiralgehäuse 1, 2 bildet. Diesbezüglich spielt das variable Maß e eine maßgebliche Rolle.

Es versteht sich, daß die gezeigte Querschnittsform nicht die einzig mögliche ist. Bei der Wahl sind neben strömungstechnischen Gesichtspunkten auch konstruktive und herstellungstechnische Aspekte zu berücksichtigen. Man wird bestrebt sein, kompakte Spiralformen anzuwenden, die eine möglichst homogene Abströmung aus den Ringöffnungen gewährleisten.

Bezüglich dieser homogenen Abströmung wurde bereits weiter oben ausgeführt, daß die Drallerzeugung in der Spirale selbst erfolgt. Durch die Abnahme des Radius in Strömungsrichtung wird dem Arbeitsmittel in der Spirale aufgrund des "Gesetzes über die Erhaltung des Dralls" eine zusätzliche Beschleunigung aufgezwungen. Unter Berücksichtigung dieser Beschleunigung sind die Spiralenquerschnitte in jedem Punkt für eine mittlere Geschwindigkeit von beispielsweise 120 m/sec auszulegen. Man erzielt dann an den entsprechend dimensionierten Ringöffnungen Abströmgeschwindigkeiten mit einer mittleren Axialkomponente von 40 m/sec und einer Tangentialkomponente von 130 m/sec. Bei einer Umfangsgeschwindigkeit von ebenfalls 130 m/sec am maßgeblichen Rotordurchmesser ergibt dies eine ideale Anströmung der ersten Laufreihe 13.

Hiermit ist bereits einer der Hauptvorteile der Spiralanwendung erkennbar, d. h. auf die bisherige Regelstufe und die umlenkende erste Leitreihe kann verzichtet werden.

Weiter oben wurde bereits ausgeführt, daß die sonst in der Düse der Regelstufe vorgenommene Beschleunigung hauptsächlich im Reduktionsstück stromaufwärts der Spirale erfolgt und zum geringen Teil in letzterer selbst erfolgt. Der mit dieser Beschleunigung verbundene Abbau des Stufengefälles entspricht dem Gefälleanteil, der in der nunmehr fortgelassenen Leitreihe zu verarbeiten wäre.

Andererseits gilt es zu berücksichtigen, daß die erste Laufreihe jener einer normalen Reaktionsstufe ist, die vozugsweise das gleiche Gefälle verarbeitet wie die nachfolgenden Reaktionsstufen (von der in Fig. 2 nur eine Stufe mit Leitreihe 14 und Laufreihe 15 gezeigt ist). Bei Wegfall der Regelstufe und bei vorgegebenem Gesamtgefälle über den Hochdruckteil der Turbine ist das Druckniveau beim Eintritt in die Reaktionsbeschaufelung so hoch, daß zu dessen Abbau neben der genannten ersten Laufreihe 13 eine zusätzliche Reaktionsstufe mit üblichem Gefälle vorgesehen werden muß. Dies ist dadurch bedingt, daß in einer Reaktionsstufe üblicherweise nur etwa halb so viel Gefälle umgesetzt wird als in einer für Regelzwecke angeordneten Aktionsstufe.

Bei der bisherigen Beispielsbeschreibung wurde angenommen, daß die beiden Spiralen voll beaufschlagt sind. Zusätzlich zu dem konstruktiv bereits günstigen Fortfall von Düsenkranz und Aktionsrad ergibt sich durch diese Maßnahme auch schon bei dieser Vollbeaufschlagung ein Wirkungsgradvorteil. Dies, weil nunmehr ein größerer Teil des Gesamtgefälles in den einen besseren Wirkungsgrad aufweisenden Reaktionsstufen verarbeitet wird.

Ganz besonders eignet sich die als "Drallmomentenregelung" zu bezeichnende Spirallösung indes im Teillastgebiet, wo sie ganz erhebliche Vorteile gegenüber der klassischen Düsengruppenregelung aufweist. Dies, weil die Zuströmung zur ersten Schaufelreihe bei jeder gefahrenen Last immer über 360° Umfang erfolgt.

Als besonders günstig zeigt sich hier die Anordnung von zwei für unterschiedlichen Massendurchfluß ausgelegten Spiralen. Im in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel - bei dem die "große" Spirale 1 die rotornahen Schaufelpartien beaufschlagt, d. h. Laufschaufelfuß und Leitschaufelspitze, die "kleine" Spirale 2 hingegen die den Schaufelträger 12 nächstliegenden Schaufelpartien, d. h. Leitschaufelfuß und Laufschaufelspitze - strömen bei Vollbeaufschlagung 70% des Arbeitsmittels aus der Ringöffnung 1′ und 30% aus der Ringöffnung 2′. Damit können mit der Maschine folgende Lasten gefahren werden:

• - Vollast mit offenen Spiralen 1, 2 und offenen Stellventilen (nicht gezeigt) in den Rohrbögen 8, 9 (Fig. 1)
• - 70% Teillast mit offener Spirale 1 und geschlossener Spirale 2
• - 30% Teillast mit offener Spirale 2 und geschlossener Spirale 1
• - beliebige Teillasten durch Öffnen einer oder beider Spiralen und durch Drosseln eines der beiden nicht gezeigten Ventile.

Die sorgfältige Auslegung des Spiralenquerschnitts zwecks Drallerzeugung und homogener Abströmung in Umfangsrichtung garantiert auch in Teillastpunkten der Turbine einen gleichen Anströmwinkel zur ersten Laufreihe 13 wie bei Vollast. Die je nach Teillast unterschiedlichen Abströmgeschwindigkeiten aus den Spiralen ermöglichen eine Lastregulierung wie bei der Düsengruppenregelung.

Im Gegensatz zu dieser klassischen Düsengruppenregulierung, bei der die Teilbeaufschlagung in Umfangsrichtung erfolgt, wird im vorliegenden Fall eine Teilbeaufschlagung in radialer Richtung durchgeführt. Hierdurch wird eine stets volle Beaufschlagung in Umfangsrichtung bewirkt, welche eine ebenfalls gleichmäßige Temperaturverteilung über dem Umfang zur Folge hat. Die sonst bei Teilbeaufschlagung bekannte, verlustintensive intermittierende Füllung und Entleerung der Schaufelkanäle entfällt somit, so daß die Verlustzunahme bei abnehmender Last kleiner ist als bei der Düsengruppenregulierung. Außerdem ist die dynamische Beanspruchung der ersten Laufschaufelreihe günstiger.

Ein zusätzlicher, jedoch bedeutend geringerer Verlust entsteht bei Teillast lediglich an der Trennfront der aus den Ringöffnungen 1′ und 2′ mit unterschiedlicher Geschwindigkeit austretenden Massenströme. Es handelt sich hierbei um Reibungs- und Mischverluste an den Strahlgrenzen.

Ist eine der Spiralen ganz abgeschaltet, so ist dennoch der Ventilationsverlust im nicht beaufschlagten Teil der Beschaufelung vernachlässigbar. Diesen entweder nicht oder anders beaufschlagten Schaufelanteil so gering wie möglich zu halten, bezweckt die Anordnung der bereits erwähnten Kammer 5. Ihre axiale Erstreckung ist gleich oder vorzugsweise größer als die Höhe des Schaufelkanals, was den Ausgleich der Strömung in radialer Richtung fördert. Wird diese Kammer 5 als Ringdiffusor ausgebildet, so ist eine weitere Verringerung der genannten Verluste möglich.

Claims (10)

1. Einlaßgehäuse für eine einflutige, axial durchströmte Hochdruckdampfturbine, deren erste Stufe aus zwei voneinander getrennten, konzentrischen Ringöffnungen angeströmt ist und wobei jede konzentrische Ringöffnung mit einer eigenen Zuströmleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuströmleitungen zwei konzentrisch angeordnete, getrennt abschaltbare oder drosselbare Spiralgehäuse (1, 2) sind die austrittsseitig mit sich über 360° erstreckenden konzentrische Ringöffnungen (1′, 2′) versehen sind.

2. Einlaßgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Spiralgehäuse (1, 2) für unterschiedlichen Massendurchfluß dimensioniert sind und die konzentrischen Ringöffnungen (1′, 2′) entsprechend unterschiedliche Höhen aufweisen.

3. Einlaßgehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das für den größeren Durchfluß bemessene Spiralgehäuse (1) und seine konzentrische Ringöffnung (1′) in radialer Richtung rotorseitig angeordnet ist.

4. Einlaßgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralgehäuse (1, 2) sich über 360° Umfang erstrecken und mit um 180° versetzten Eintrittsquerschnitten (1′′, 2′′) versehen sind.

5. Einlaßgehäuse nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte (1′′, 2′′) der Spiralgehäuse (1, 2) in der Turbinen-Horizontalachse (3) angeordnet sind.

6. Einlaßgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralquerschnitt beider Spiralgehäuse (1, 2) über den ganzen Umfang drallerzeugend ausgebildet ist, derart, daß das aus den konzentrischen Ringöffnungen (1′, 2′) abströmende Arbeitsmittel unabhängig von der gefahrenen Last eine Tangentialkomponente aufweist, die in der Größenordnung der Umfangsgeschwindigkeit des vom Arbeitsmittel beaufschlagten Schaufelsektors der ersten Stufe liegt.

7. Einlaßgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den konzentrischen Ringöffnungen (1′, 2′) beaufschlagte erste Beschaufelungsreihe eine Laufschaufelreihe (13) ist.

8. Einlaßgehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den konzentrischen Ringöffnungen (1′, 2′) und der ersten Laufschaufelreihe (13) ein Ringkanal (5) vorgesehen ist, dessen axiale Erstreckung gleich oder größer bemessen ist als seine Kanalhöhe.

9. Einlaßgehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (5) ein Diffusor ist.

10. Einlaßgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralgehäuse (1, 2) eintrittsseitig über Reduktionsstücke (6, 7) mit den zuströmseitigen Rohrbögen (8, 9) verbunden sind.