DE4100777A1

DE4100777A1 - Einlassgehaeuse fuer dampfturbine

Info

Publication number: DE4100777A1
Application number: DE4100777A
Authority: DE
Inventors: Romuald Prof Dr Puzyrewski
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1990-12-18
Filing date: 1991-01-12
Publication date: 1992-06-25
Also published as: ATE125903T1; PL292591A1; EP0491134B1; HU913988D0; DE59106154D1; RU2069769C1; CN1062578A; US5215436A; JPH04287804A; DK0491134T3; CS384591A3; CZ280451B6; PL167025B1; HUT59736A; CA2055710A1; KR920012703A; EP0491134A1; CN1024704C; ZA919881B

Description

Die Erfindung betrifft ein Einlaßgehäuse für eine einflu tige, axial durchströmte Hochdruckdampfturbine, deren erste Stufe aus zwei voneinander getrennten, konzentrischen Ringöffnungen angeströmt ist und wobei jede Ringöffnung mit einer eigenen Zuströmleitung verbunden ist, wobei die Zuströmleitungen zwei konzentrisch angeordnete, getrennt abschaltbare oder drosselbare Spiralgehäuse sind, die aus trittsseitig mit sich über 360° erstreckenden Ringöffnungen versehen sind, wobei ferner der Spiralquerschnitt beider Spi ralen über den ganzen Umfang drallerzeugend ausgebildet ist, derart, daß das aus den Ringöffnungen abströmende Arbeits mittel unabhängig von der gefahrenen Last eine Tangential komponente aufweist, die in der Größenordnung der Umfangsge schwindigkeit des vom Arbeitsmittel beaufschlagten Schau felsektors der ersten Stufe liegt und wobei schließlich die Querschnitte der Spiralgehäuse für unterschiedlichen Massendurchfluß dimensioniert sind und die konzentrischen Ring öffnungen entsprechend unterschiedliche Höhen aufweisen.

Stand der Technik

Die Leistungsregelung von Dampfturbinen geschieht heute ent weder 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 Düsengruppenregulie rung 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 Ver lustanteile. Bei nicht vollständiger Durchmischung der Strö mung in der anschließenden Radkammer kann es ebenfalls zu einer Teilbeaufschlagung der nachfolgenden Reaktionsbeschau felung und damit zu zusätzlichen, großen Strömungsverlusten kommen.

Eintrittsgehäuse mit konzentrischen Ringkanälen sind aus der FR-A-23 51 249 bekannt. Aus zwei axial gerichteten kon zentrischen Ringkanälen, welche einen Düsenkasten bilden, strömt der Dampf in ein Aktionsrad. Die Düsen sind innerhalb der Ringkanäle 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 wer den. Mit dieser Anordnung sollen bei Teilbeaufschlagung keine Schwingungsprobleme an der ersten Laufreihe auftreten.

Ein eingangs genanntes Einlaßgehäuse mit einer Regelungs art, die über dem ganzen Lastbereich zu besseren Wirkungs graden als mit reiner Düsengruppenregulierung führt, ist bekannt aus der CH-A-6 54 625. Durch die dort über 360° Umfang erfolgende Beaufschlagung mit je nach Last unter schiedlichen Massenströmen kann auf die bei Teillast ver lustreiche Regelstufe, bestehend aus Düsenkasten und Gleich druckrad 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 benö tigt werden.

Werden die Querschnitte der Spiralgehäuse für unterschiedli chen Massendurchfluß dimensioniert, so können neben der Vollast mindestens zwei Teillastpunkte ungedrosselt und somit verlustarm gefahren werden. Werden die Spiralquer schnitte zudem drallerzeugend ausgelegt, so kann auf ein Umlenkgitter vor der ersten Laufreihe der Turbinenbeschaufe lung verzichtet werden. Höhere Dampfgeschwindigkeiten als üblich sind in den Zuströmrohren zulässig, da für die Drallerzeugung kinetische Energie voll verwertbar ist. Hier durch können die Zuströmleitungen mit kleinen Querschnitten und somit billiger ausgeführt werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Einlaßgehäuse der eingangs genannten Art die bisherige klassi sche Bauweise mit nach dem Gleichdruckprinzip arbeitenden Regelrad beibehalten zu können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,

- daß die für den kleineren Durchfluß bemessene Spirale und ihre Ringöffnung in radialer Richtung rotorseitig angeordnet ist,
- daß die aus den Ringöffnungen beaufschlagte erste Beschaufelungsreihe eine Laufschaufelreihe mit kleinem Reaktionsgrad ist,
- und daß die radial innere Begrenzungswand der für den kleinen Durchfluß bemessenen Spirale zumindest teilweise in der Ebene des Ausgleichskolbens angeordnet ist und an ihrer Außenseite mit einer labyrinthartigen Wellendichtung versehen ist.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesonderer darin zu sehen, daß der bei einflutigen Turbinenteilen erforderliche Aus gleichskolben aufgrund des großen Durchmessers des Regelra des im freien Raum innerhalb der Spiralen angeordnet werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teil längsschnitt durch eine Turbine mit doppelspiralem Einlaßgehäuse.

Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, hier Hochdruck dampf, ist mit Pfeilen bezeichnet. Die Figur erhebt keiner lei Anspruch auf Genauigkeit und ist lediglich der besseren Verständlichkeit wegen auf die notwendigsten Konturen beschränkt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

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 kon zentrisch zueinander angeordnet und erstrecken sich über 360° Umfang. Die Strömungsbegrenzung beider Ringöffnungen 1′, 2′ gegeneinander erfolgt über eine axial in den Turbi nenströmungskanal aus laufende, kurze gemeinsame Trennwand 4.

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 auf dem Ausgleichkolben 17, der Schaufelträger 12, das Regelrad 13, sowie die im Schaufel träger befestigten Leitschaufeln 14 der drei ersten Reakti onsstufen und die im Rotor befestigten Laufschaufeln 15 der zwei ersten Reaktionsstufen dargestellt. Zwischen dem Aus tritt der Spiralen 1, 2 - der durch die Hinterkante der Trennwand 4 gegeben ist - und dem Regelrad 13 ist ein ring förmiger Mischraum 5 angeordnet. Zwischen dem Regelrad 13 und der Leitreihe der ersten Stufe befindet sich der übliche Radraum 16. Die radial innere Begrenzungswand der für den kleinen Durchfluß bemessenen Spirale 2 verläuft in der Ebene des Ausgleichskolbens 17 und ist an ihrer Außenseite mit einer labyrinthartigen Wellendichtung versehen, welche Teil der genannten Stopfbüchsenpartie 11 ist.

Zwischen den nicht dargestellten Eintrittsquerschnitten der Spiralen, die sich in der horizontalen Trennebene befinden, und den Rohrbögen 8, 9 sind Reduktionsstücke 6, 7 vorgese hen. In ihnen wird das Arbeitsmittel von beispielsweise 60 m/sec auf die am Turbineneintritt, in diesem Fall vor dem Regelrad 13 erforderliche Geschwindigkeit von beispielsweise 280 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 insbe sondere deswegen, weil die kinetische Energie für die Drallerzeugung voll nützbar ist. Letzlich handelt es sich um ein Optimierungsproblem, bei welchem die durch erhöhte Geschwindigkeit bedingten höheren Reibungsverluste einer Materialeinsparung aufgrund geringere Querschnitte entgegen zustellen sind.

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

Die Spiralquerschnitte der zwei konzentrisch angeordneten Spiralen 1, 2 sind für ungleichen Durchfluß ausgelegt, was die unterschiedlichen Eintrittsquerschnitte 1′′, 2′′ und die unterschiedlichen Höhen des Kanals resp. der Ringöffnungen 1′, 2′ erklärt.

Bei der Wahl der Querschnittsform sind neben strömungstech nischen Gesichtspunkten auch konstruktive und herstellungs technische 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 Strömungs richtung 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 absolute Abströmgeschwindig keiten von ca. 280 m/sec bei einem Abströmwinkel von ca. 18°. Bei einer entsprechenden Umfangsgeschwindigkeit des Rotors am maßgeblichen Rotordurchmesser ergibt dies eine ideale Anströmung des Regelrades 13.

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

Andererseits gilt es zu berücksichtigen, daß - im Gegensatz zur in CH-A-6 54 625 gezeigten Lösung - die erste vom Dampf beaufschlagte Laufreihe jene einer normalen Regelstufe ist. Bei der bekannten Lösung ist durch den Wegfall der Regel stufe und bei vorgegebenem Gesamtgefälle über den Hochdruck teil der Turbine das Druckniveau beim Eintritt in die Reak tionsbeschaufelung so hoch, daß zu dessen Abbau eine zusätzliche Reaktionsstufe mit üblichem Gefälle vorgesehen werden muß. Dies ist dadurch bedingt, daß in einer Reakti onsstufe üblicherweise nur etwa halb so viel Gefälle umge setzt wird als in einer für Regelzwecke angeordneten Akti onsstufe.

Hiermit ist bereits einer der Hauptvorteile der neuen Spiralanwendung erkennbar, d. h. der bisherige Rotor kann unverändert übernommen werden. Dies ist besonders wichtig im Hinblick auf das "Retrofitting" von bestehenden Turbinen.

Die als "Drallmomententregelung" zu bezeichnende Spirallö sung eignet sich besonders im Teillastverhalten der Turbine, 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 gezeigten Ausführungsbeispiel - bei dem die "kleine" Spi rale 2 die rotornahen Schaufelpartien und die "große" Spirale 1 die den Schaufelträger 13 nächstliegenden Schaufel partien beaufschlagt - 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 Stell ventilen (nicht gezeigt) in den Rohrbögen 8, 9,
- 70% Teillast mit offener Spirale 1 und geschlossener Spirale 2;
- 30% Teillast mit offener Spirale 2 und geschlossener Spirale 1;
- beliebige Teiltasten 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 zum Regelrad 13 wie bei Vollast. Die je nach Teillast unterschiedlichen Abströmgeschwindigkeiten aus den Spiralen ermöglichen eine Lastregulierung wie bei der Düsen gruppenregelung.

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

Ein zusätzlicher, jedoch bedeutend geringerer Verlust ent steht bei Teillast lediglich an der Trennfront der aus den Ringöffnungen 1′ und 2′ mit unterschiedlicher Geschwindig keit austretenden Massenströme. Es handelt sich hierbei um Reibungs- und Mischverluste an den Strahlgrenzen. Anderer seits gewährleistet das Zurückversetzen der Trennwand 4 gegenüber der bisherigen Lösung nach CH-A-6 54 625 bei Vollast eine gute Durchmischung der Teilströme im Mischraum 5. Auch wenn eine der Spiralen ganz abgeschaltet ist, so ist dennoch der Ventilationsverlust im gegebenenfalls nicht beaufschlagten Teil der Beschaufelung vernachlässigbar. Die sen entweder nicht oder anders beaufschlagten Schaufelanteil so gering wie möglich zu halten, bezweckt das Zurückver setzen der Trennwand 4 und damit die Bildung der bereits erwähnten Kammer 5. Ihre axiale Erstreckung ist so bemessen, daß der Ausgleich der Strömung in radialer Richtung geför dert ist.

Claims

1. Einlaßgehäuse für eine einflutige, axial durchströmte Hochdruckdampfturbine, deren erste Stufe aus zwei von einander getrennten, konzentrischen Ringöffnungen angeströmt ist und wobei jede Ringöffnung mit einer eigenen Zuströmleitung verbunden ist, wobei die Zuströmleitungen zwei konzentrisch angeordnete, getrennt abschaltbare oder drosselbare Spiralgehäuse (1, 2) sind, die austrittsseitig mit sich über 360° erstreckenden Ringöffnungen (1′, 2′) versehen sind, wobei ferner der Spiralquerschnitt beider Spiralen (1, 2) über den ganzen Umfang drallerzeugend ausgebildet ist, derart, daß das aus den Ringöffnungen (1′, 2′) abströmende Arbeitsmittel unabhängig von der gefahre nen Last eine Tangentialkomponente aufweist, die in der Größenordnung der Umfangsgeschwindigkeit des vom Arbeitsmittel beaufschtagten Schaufelsektors der ersten Stufe liegt, und wobei schließlich die Quer schnitte der Spiralgehäuse (1, 2) für unterschiedli chen Massendurchfluß dimensioniert sind und die kon zentrischen Ringöffnungen (1′, 2′) entsprechend unter schiedliche Höhen aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

- daß die für den kleineren Durchfluß bemessene Spirale (2) und ihre Ringöffnung (2′) in radialer Richtung rotorseitig angeordnet ist,
- daß die aus den Ringöffnungen (1′, 2′) beauf schlagte erste Beschaufelungsreihe eine Lauf schaufelreihe (13) mit kleinem Reaktionsgrad ist, und
- daß die radial innere Begrenzungswand der für den kleinen Durchfluß bemessenen Spirale zumin dest teilweise in der Ebene des Ausgleichskolbens angeordnet ist und an ihrer Außenseite mit einer labyrinthartigen Wellendichtung versehen ist.

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

3. Einlaßgehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Spiralen (1, 2) in der Turbinen-Horizontalachse (3) angeordnet sind.

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