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Verdampfflächen in Dampfturbinen Es ist bekannt, daß bei Kondensationsdampfturbinen
die bei tiefem Unterdruck auftretende Dampfnässe Auswaschungen an den letzten Schaufelreihen
verursacht. Die Lebensdauer dieser Schaufelkränze ist daher eine begrenzte, und
man hat versucht, durch besonders hartes Material oder Aufschweißen von Hartstahlkanten
die Wirkung des Wasserschlages auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Ein anderer Weg
zur Bekämpfung der Auswaschung ist der, sich bildendes Wasser durch besondere Kanäle
aus dem Arbeitsdampfstrom auszuscheiden. Selbstverständlich ist man auch mit der
Eintrittstemperatur weitgehend heraufgegangen, um die Dampffeuchtigkeit und damit
die Auswaschungen möglichst gering zu halten. Bei hohen Drücken hat mau in diesem
Zusammenhange auch das Mittel der Zwischenüberhitzung anwenden und hierbei die Umständlichkeit
dieser Maßnahme in Kauf nehmen müssen.
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Die Dampffeuchtigkeit in den Endstufen besteht aus zwei verschiedenen
Arten von Wassertropfen. Die Wassertropfen in feinst verteilter Form haben eine
geringe Masse und sind daher durch den Arbeitsdampf verhältnismäßig leicht zu beschleunigen.
Dadurch läßt sich ihr Aufprallen auf den Schaufelrücken bei richtiger Wahl der Dampfgeschwindigkeit
einigermaßen vermeiden. Anders verhalten sich die Wassertropfen, die schon größere
Formen angenommen haben oder sich durch Zusammenballung von feinst verteilten Wassertropfen
gebildet haben. Diese Tropfen haben eine verhältnismäßig große Masse und werden
deshalb von dem Arbeitsdampf nicht so besdhleunigt, daß ihr Eintritt in die Laufschaufel
ohne Rückenstoß erfolgen kann. Dadurch wird außer der Auswaschung auch noch eine
Bremswirkung hervorgerufen. Die Wirkung der Tropfen in feinst verteilter Form verursacht
eine Mattierung der Schaufeloberflächen, die sich aber im allgemeinen in mäßigen
Grenzen hält und nach der Erzielung einer noch nicht gefährlichen Aufrauhung scheinbar
zum Stillstand kommt. Anders verhalten sich die größeren Wassertropfen. Ihre Wirkung
wird sichtbar durch Auswaschungen an ganz bestimmten Stellen der Laufschaufel, die
den oberen Teil der Schaufeln mit der Zeit derartig schwächen, daß die notwendige
Schaufelfestigkeit nicht mehr für den Weiterbetrieb ausreicht. Zur Vermeidung von
schweren Schäden muß dann der gefährdete Schaufelkranz neu beschaufelt werden, eine
Maßnahme, die Betriebspausen und. erhebliche
Kosten verursacht.
Diese größeren Wassertropfen unterliegen nun aber mehr der Fliehkraft und werden
sich daher unter Einwirkung derselben am Umfang des Turbinenlaufrades und an dem
Turbinengehäuse über dem Laufrad sammeln. Es entsteht dadurch jeweils über dem Kopf
der Laufschaufel ein Wasserring, der sogar heftig umläuft, wie die Spuren in abgedeckten
Turbinengehäusen zeigen. Die Drehung kommt dadurch zustande, daß der abgeschleuderte
Wassertropfen zunächst die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel behält. Solange
der sich dort bildende Wasserring rechtzeitig in den Kondensator durch besondere
Kanäle abgesaugt wird, kann man ein Wiedereindringen des Wassers in die Schaufelkränze
vermeiden. Damit die Absaugung dieser anfallenden Wassermenge zum Kondensator erfolgreich
ist; muß aber ein ständiger Dampfstrom von dieser Absaugstelle in den Kondensator
fließen, der stark genug ist; das Wasser mit sich fortzureißen, um auf jeden Fall
ein Rücklaufen des Wassers in die Turbine zu verhindern. Diese Tropfen würden ohne
diese Maßnahme wieder in die Arbeitsdampfmenge hineingerissen werden und hätten
dann eine besonders zerstörende Wirkung, da ihre Größe durch Zusammenballung erheblich
ist. Man hat nun den zum Ableiten ausgeschiedener Wassertropfen notwendigen Dampfstrom
für die Vorwärmung von Speisewasser benutzt, jedoch ist dabei zu bedenken, daß an
den Stellen der Turbine, an welchen die für die Auswaschung so gefährliche Dampffeuchtigkeit
auftritt, die Temperatur bereits sehr niedrig ist, so daß also mit dem Dampf aus
dieser Stufe für die Vorwärmung nicht viel anzufangen ist. Es bleibt daher tatsächlich
nur der eine Weg übrig, diesen Dampf größtenteils ungenutzt in den Kondensator zu
führen. Es sind ferner Vorschläge bekannt, dem Dampf die Feuchtigkeit durch Aufheizung
innerhalb der Turbine zu nehmen. Hierbei wird der ganze Arbeitsdampf an möglichst
großen Austauschflächen entlang geführt, die die notwendige Wärme übertragen sollen.
Z. B. sind die Leitböden mit hohlen Düsen versehen, so daß auch an den Düsenstegen
Wärme übertragenwird. Trotzdem gelingt dieserAustausch nicht hinreichend, da innerhalb
der Turbine nicht genügend Austauschflächen für den ganzen Arbeitsdampf geschaffen
werden können. Eine andere Erfindung schlägt vor; die entstehenden Tropfen aus dem
Arbeitsdampf durch Elektrofilter zu entfernen. Diese auf elektrostatischen Gesetzen
beruhenden Einrichtungen müssen aber außerhalb der Turbine angebracht werden und
erfordern für ihre Wirksamkeit, daß: der Dampf mit einer für Turbinen ungewöhnlich
niedrigen Strörnüngsgeschw indigkeit durch das Filterfeld geführt wird. Infolgedessen
sind die Abmessungen des Filters sehr groß, und es wird eine Zu- und Ableitung zwischen
Filter untl Turbine notwendig. -Eine andere Erfindung hat das Ziel, das Entstehen
der Wassertropfen dadurch zu erschweren, daß die Leitschaufeln und ihre Träger ganz
besonders gut gegen Wärmeabgabe nach außen geschützt sind.
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Die im folgenden beschriebene Erfindung unterscheidet sich von einem
Teil der vorgenannten Vorschläge zunächst dadurch, daß darauf verzichtet wird, den
ganzen Arbeitsdampf zu erfassen. Nur das ausgeschleuderte Wasser soll unschädlich
gemacht werden, wie es auch die schon erwähnte Absaugung des anfallenden Wassers
in den Kondensator bezweckt.
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Über den Laufschaufeln am Umfang des Turbinengehäuses sind Verdampffiächen,
gegebenenfalls in besonderen Ringkanälen, anzubringen; die eine bedeutend höhere
Temperatur haben als der Arbeitsdampf an dieser Stelle der Turbine. Diese Verdämpfflächen
sollen dabei möglichst geschützt gegen Wärmeabfluß nach dem Gehäuse hin angebracht
sein, so daß eine übermäßige Erwärmung des Turbinengehäuses unter allen Umständen
vermieden wird, sie sollen sich frei, ihrer Erwärmung entsprechend, dehnen können
und das gewollte Schaufelspiel nicht verkleinern. Trotz des hohen Temperaturunterschiedes
wird eine wirksame Wiedererwärmung des Arbeitsdampfes nicht erreicht, weil die Verdampfflächen
eigentlich außerhalb der Strömung liegen. An eine ähnliche Maßnahme wie die Zwischenüberhitzung
ist also nicht gedacht. Auch könnte nur ein kleiner Teil der Arbeitsdampfmenge irgendwie
durch diese Verdampfflächen beeinflußt werden; aber dieser Teil ist derjenige, welcher
die größte Feuchtigkeit aufweist.
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Auf diese; wie beschrieben, angebrachten Verdampfflächen wird das
Wasser durch die Fliehkraft vom Laufrad abgeschleudert und hat dabei annähernd eine
Fortschrittsgeschwindigkeit, welche der Umfangsgeschwindigkeit der Spitze der Schaufel
entspricht. Es wird also auf diese Weise ein Wärmeaustausches geschaffen, der unter
. Verhältnissen arbeitet, wie sie sonst wohl nie bei diesen Apparaten erzielt werden
könnten. Das zu verdampfende Wasser wird hier eine Geschwindigkeit haben, die eine
vielfache .derjenigen ist, die sonst bei derartigen Einsichtungen erreicht wird.
Die Wärmedurchgangszahl bei einem derartigen Anstauscher wird ebenfalls eine vielfache
von der bei den üblichen Austauschern sein. Daher findet auch bei kleinen Verdampfflächen
eine wirksame Wiederverdampfung ausgespritzter Wassertropfen
statt.
Die Wirkung dieser Verdampfflächen wird etwa eine ähnliche sein, wie man sie beobachten
kann, wenn man auf eine heiße Herdplatte Wassertropfen spritzt. Fast im Augenblick
des Aufpralles beginnt bereits die Verdampfung, zumindest eine Zersplitterung des
Wassertropfens. Durch die in dem Wassertropfen enthaltene kinetische Energie und
durch die Fliehkraft wird der Tropfen so lange mit immer neuen Teilen der Verdampffläche
in Berührung gebracht, bis er verdampft ist. Wenn auf diese Weise die Rückkehr größerer
Wassertropfen in die Schaufelung sicher vermieden wird, so ist dadurch die Haltbarkeit
der Turbinenschaufelung schon ein ganzes Stück gefördert. Es ist tatsächlich zu
beobachten, daß Wassertröpfchen, die während der Entspannung in der Leitschaufelung
entstehen, im allgemeinen sehr fein verteilt und klein sind, daher nur wenig geringere
Geschwindigkeit haben als der Arbeitsdampf und infolgedessen auch nicht auf den
Schaufelrücken auftreffen. Wenn dagegen Wassertropfen in größerer Form wieder in
den Arbeitsdampfstrom gelangen, beginnt ihre schädliche Wirkung auf die nachfolgenden
Schaufeln, und es soll deshalb mit. dieser Einrichtung eine Rückkehr des einmal
ausgeschleuderten Wassers durch Verdampfung unter allen Umständen vermieden werden.
Im Bereich der hohen Umfangsgeschwindigkeiten (also der Schaufelspitzen) befindet
sich der Teil des Arbeitsdampfstromes, welcher die größte Feuchtigkeit durch Anreicherung
mit größeren Wassertropfen aufweist. Die Wucht des Aufpralls dieser Wassertropfen,
die sich nicht mehr durch den Arbeitsdampf genügend beschleunigen lassen, ist abhängig
von der Geschwindigkeit der Laufschaufel, so daß mit Rücksicht auf geringe Auswaschung
eine mäßige Geschwindigkeit angebracht erscheint. Dies ist aber bei Grenzmaschinen
und überhaupt im Unterdruckgebiet nicht ausführbar, und es muß für die Ausscheidung
der Tropfen Sorge getragen werden. Durch das Vorhandensein der Verdampfflächen rnuß
ein abgeschleuderter Tropfen erst verdampfen und kann sich als Dampf wieder ungehindert
dem Arbeitsstrom beimischen, um weitere Arbeit in der Turbine zu verrichten. Die
Heizung der Verdampfflächen kann mit Dampf, heißen Gasen oder mit elektrischem Strom
geschehen. Jedenfalls muß die Temperatur jeder Verdampffläche so viel über ihrer
Umgebungstemperatur liegen, daß ein auf die Verdarnpffläche aufgeschleuderter Tropfen
augenblicklich zu verdampfen beginnt. Es ist nicht beabsichtigt, mit diesen Verdampfflächen
etwa den Feuchtigkeitsgrad des ganzen Arbeitsdampfes zu verkleinern. Abgesehen von
der Unmöglichkeit, genügend Austauschflächen hierfür unterzubringen, würden dazu
sehr große Wärmemengen gehören, die in keinem Verhältnis zu dem geringen Ge-,vinn
an Wirkungsgrad stehen würden.
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Diejenigen bereits als bekannt erwähnten Heizflächen, die den ganzen
Arbeitsdampf erwärmen sollen, sind, entsprechend den veränderten Betriebsverhältnissen
der Turbine, zu- und abschaltbar eingerichtet. Eine ähnliche Maßnahme bei den nach
vorliegendem Patentanspruch ausgeführten Verdampfflächen braucht nicht getroffen
zu werden. Da nämlich die Verdampfflächen außerhalb der eigentlichen Arbeitsdampfströmung
liegen, sind sie soAange praktisch unwirksam, als keine abgeschleuderten Wassertropfen
auf sie aufprallen. Trotzdem sie also auf erhöhter Temperatur gehalten werden, findet
kein wesentlicher Wärmeaustausch bei trockenem Dampf statt, so daß die Wirkung die
gleiche ist, als wenn das Heizmittel für diese Verdampfflächen abgestellt wäre.
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In der Abb. i ist ein Längsschnitt durch den Schaufelteil einer axialen
Gleichdruckturbine dargestellt. Selbstverständlich kann eine ähnliche Abbildung
auch für Überdruckteile Gültigkeit haben. Über den Schaufelkränzen i zwischen je
zwei in das Gehäuse 3 in üblicher Art eingesetzten Zwischenböden z sind die Verdampfflächen
4. angebracht. Die Abdämmung 5 verhindert eine ungewünschte Wärmeabgabe an das Turbinengehäuse.
Die Heizung der Verdampfflächen ist hier durch elektrischen Strom vorgesehen, welcher
durch die Zuführung 6 eingeleitet wird. Haltebolzen 7, welche entsprechend der Wärmedehnung
der Verdampfflächen in eingefrästen Bahnen gleiten können, verhindern eine für die
Betriebssicherheit gefährliche Verlagerung der Verdampfflächen.
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Die Abb. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Turbine, aus welchem
ersichtlich ist, daß die Verdampfflächen aus mehreren Stücken bestehen. Die Bezeichnungen
sind die gleichen wie in Abb. i.