DE69920358T2

DE69920358T2 - Schaufelkonfiguration für Dampfturbinen

Info

Publication number: DE69920358T2
Application number: DE69920358T
Authority: DE
Inventors: Tadashi 1-1-1 Tanuma; Taro 1-1-1 Sakamoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: US6769869B2; EP0985801A3; EP0985801A2; CN1239810C; CN1243910A; US20020054817A1; JP2000045704A; KR100362833B1; US20020048514A1; EP0985801B1; US6375420B1; DE69920358D1; KR20000012075A

Description

Die Erfindung betrifft Dampfturbinen. Insbesondere betrifft die Erfindung den Aufbau von Turbinenschaufeln für eine Dampfturbine.
Bei Turbinen besteht in letzter Zeit eine Tendenz dahingehend, längere Schaufeln in der Endturbinenstufe und in den Turbinenstufen stromaufwärts zu der Endstufe zu verwenden, um weniger Kraftstoff zu verbrauchen und effektiver zu arbeiten.
10 zeigt beispielsweise eine Dampfturbine der 700 000 kW Ausgangsklasse, bei der lange Schaufeln in der Endturbinenstufe und in den Turbinenstufen stromaufwärts der Endturbinenstufe verwendet werden. Dies ist eine Turbine vom Axialflusstyp, bei dem mehrere Stufen 5 in Reihe in dem Turbinenantriebsdampfstrom entlang der Axialrichtung der Turbinenwelle 2, die in einem Turbinengehäuse 1 untergebracht ist, angeordnet sind. Jede Stufe 5 enthält einen Satz von festen Turbinendüsenschaufeln 3 und einen stromabwärts benachbarten Satz von Turbinenlaufschaufeln 4.
Die Turbinendüsenschaufeln 3 jeder Stufe sind in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 2 herum ausgerichtet, mit ihren äußeren Enden durch einen äußeren Düsendeckel 6 abgestützt, der an dem Turbinengehäuse 1 fixiert ist, und mit ihren inneren Enden durch einen inneren Düsendeckel 7 benachbart zu der Turbinenwelle 2 angeordnet. Eine Dichtung 7a, die von dem inneren Düsendeckel 7 getragen wird, dichtet den inneren Düsendeckel 7 ab, um die Welle 2 zu drehen.
Die Turbinenlaufschaufeln 4 jeder Stufe sind umfangsmäßig um die Turbinenwelle 2 herum ausgerichtet, benachbart und stromabwärts der Turbinendüsenschaufeln 3 dieser Stufe. Jede Turbinenlaufschaufel erstreckt sich radial von der Welle 2 weg und hat einen eingebetteten Schaufelbereich 8, der in der Welle 2 eingebettet ist, einen Schaufelwirkbereich 9 vom Fuß bis zur Spitze und einen Schaufelspitzenverbindungsbereich 10. Der Schaufelwirkbereich 9 ist der Teil der Schaufel, der die tatsächliche Arbeit verrichtet (ein Drehmoment erzeugt), wenn der Turbinenantriebsdampf durch die Turbinenlaufschaufeln strömt.
Die Turbinenlaufschaufeln 4 sind mit Zwischenverbindungen 11 in den Zwischenbereichen der Schaufelwirkbereiche 9 versehen, die zur Stabilisierung der Wirkbereiche 9 des gesamten Satzes von Schaufeln dienen. Die Zwischenverbindungen 11 enthalten, wie in 11 gezeigt, Naben 11a und 11b auf den jeweiligen Rücken („Saugseite" oder „Saugoberfläche", wie allgemein bezeichnet) 9c und 9d und Bäuchen („Druckseite" oder „Druckoberfläche, wie allgemein bezeichnet) 9e und 9f eines Schaufelwirkbereichs 9a und des benachbarten Schaufelwirkbereichs 9b. Eine Verbindungsmuffe 11c verbindet die Naben 11a und 11b drehbar über Anschlüsse (nicht gezeigt), die an beiden Enden der Naben 11a und 11b vorgesehen sind. Folglich werden eine Vibration der Zwischenbereiche, die durch Faktoren induziert wird, wie zeitliche Schwankungen der Düsenkraft des Turbinenantriebsdampfes, der von den Turbinendüsenschaufeln 3 strömt, und eine Turbinenwellenvibration auf einen kleinen Pegel reduziert.
Die Spitzen der Turbinenlaufschaufeln 4 werden durch Schaufelspitzenverbindungen 10 stabilisiert, die beispielsweise als plattenförmige Auslegerteile 10a und 10b vom sog. „Dämpfungstyp" integriert aus dem Schaufelwirkbereich 9 herausgeschnitten gebildet sind, wie in 12 gezeigt. Während des Betriebs wird die Schaufelspitzenvibration unterdrückt, indem die wechselseitige Kontaktreibung der Auslegerteile 10a und 10b verwendet wird.
Die oben beschriebene Anordnung der Zwischenverbindungen 11 und der Schaufelspitzenverbindungen 10 liefert eine effektive Maßnahme gegen Vibration, die durch Faktoren induziert wird, wie etwa seitliche Abweichung der Turbinenantriebsdampfdüsenkraft, in Turbinen mit langen Schaufeln. Bei bekannten Dampfturbinen (wie in 10 gezeigt), die lange Schaufeln aufweisen, bei denen die Schaufelwirkungsbereiche 9 der Turbinenlaufschaufeln 4 einen Meter überschreiten, treten aufgrund der Schaufellänge viele andere Probleme auf. Eines dieser liegt darin, dass während des Betriebs das Throat/Pitch-Verhältnis (S/T) sich aufgrund der Zentrifugalkraft ändert, was eine Reduzierung des aerodynamischen Wirkungsgrads zur Folge hat.
Versuche sind beim Stand der Technik unternommen worden, um dieses Problem zu lösen, indem das sog. „vereinfachte dreidimensionale Schaufeldesignverfahren" ausgewählt wurde. Bei diesem Verfahren wird die Querschnittsform der Turbinenlaufschaufel geändert, um der Tatsache zu entsprechen, dass das äquivalente Geschwindigkeitsdiagramm in Höhenrichtung der Passage stark geändert worden ist. Wenn jedoch die Turbinenlaufschaufeln 4 der Dampfturbine lang sind, wie in 13 gezeigt, variiert der Einlassstromwinkel des Turbinenantriebsdampfes stark relativ zu der Turbinenschaufel entlang dem Schaufelwirkbereich 9 von dem Schaufelfuß zum Schaufelmitteldurchmesser (Teilkreisdurchmesser) zur Schaufelspitze.
In 13 ist α der Einlassstromwinkel des Turbinenantriebsdampfes zu der Turbinenlaufschaufel 4, BV der Turbinenantriebsstrom-Einlassstromgeschwindigkeitsvektor, der in der Turbinenlaufschaufel 4 strömt, SV der Turbinenantriebsstrom-Auslassstromgeschwindigkeitsvektor, der aus den Turbinendüsenschaufeln (nicht gezeigt) herausströmt, und U die Umfangsgeschwindigkeit. Der Index R, P und T kennzeichnet jeweils den Schaufelfuß, die Schaufelmitteldurchmesserposition (Teilkreisdurchmesser) und die Schaufelspitzenposition.
In diesem Beispiel besteht eine Anforderung darin, die Schaufelquerschnittsformen jeweils am Schaufelfuß, an der Schaufelmitteldurchmesserposition und Schaufelspitzenpositionen des Schaufelwirkbereichs 9 zu ändern; um den Turbinenantriebsdampf-Einlassstromwinkeln α_R, α_P und α_T an jeder Position zu entsprechen. Als Voraussetzung hierfür müssen jedoch zuerst die Turbinenantriebsdampf-Einlassstromgeschwindigkeitsvektoren BV_R, BV_P und BV_T an jeder Position gefunden werden.
Die Turbinenantriebsdampf-Einlassstromgeschwindigkeitsvektoren BV_R, BV_P und BV_T an jeder Position können aus äquivalenten Geschwindigkeitsdiagrammen gefunden werden, die aus den Auslassstromgeschwindigkeiten SV_R, SV_P und SV_T des Turbinenantriebsdampfes, der von dem Schaufelfuß, der Schaufelmitteldurchmesserposition und den Schaufelspitzenpositionen der Turbinendüsenschaufeln ausströmt, und dem Umfangsgeschwindigkeitsvektor (die Turbinenwellenumfangsgeschwindigkeitskomponente), der durch den Radius und die Drehwinkelgeschwindigkeit an jeder Position bestimmt ist (die Drehwinkelgeschwindigkeit ist natürlich konstant, unabhängig von der Radialposition), gebildet sind.
Für die Turbinenantriebsdampf-Einlassstromgeschwindigkeitsvektoren BV_R, BV_P und BV_T an verschiedenen Positionen, die aus den äquivalenten Geschwindigkeitsdiagrammen gefunden wurden, können die Einlassstromwinkel variieren. Der Einlassstromwinkel α_R an dem Schaufelfuß liegt beispielsweise typischerweise in einem Bereich von ungefähr 30° bis ungefähr 50°, während der Einlassstromwinkel α_T an der Schaufelspitze typischerweise in dem Bereich von ungefähr 140° bis ungefähr 170° liegt, und ihre Winkeldifferenz kann ein Maximum von ungefähr 140° aufweisen. Diese große Winkeldifferenz ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass die Radialposition der Schaufelspitze (gemessen von der Turbinenwellendrehachse) mindestens das Doppelte von dem Schaufelfuß ist, und verhältnismäßig ist die Umfangsgeschwindigkeitskomponente an der Schaufelspitze mindestens das Doppelte als am Schaufelfuß.
Wenn die Turbinenlaufschaufel nicht modifiziert wird, um diese große Abweichung im Einlassstromwinkel in Radialrichtung zu kompensieren, nimmt der aerodynamische Verlust merklich zu. Folglich wurden bekannte Dampfturbinen modifiziert, indem der Verdrehungswinkel des Schaufelquerschnitts variiert wurde, um an die Turbinenantriebsdampf-Einlassstromwinkel α_R, α_P und α_T an verschiedenen Positionen auf den Schaufelwirkbereich 9 angepasst zu werden; und darüber hinaus wurde die Schaufelquerschnittsform nahe der Vorderkante in Richtung des Einlassstromgeschwindigkeitsvektors modifiziert.
14 zeigt eine Darstellung eines Umfangsrichtungsquerschnitts bei jeder Höhe der Turbinenlaufschaufelreihe, entwickelt auf einer Ebene, und zeigt die Konfiguration der Turbinenlaufschaufeldampfpassage. S ist der Throat und gibt die Breite des schmalsten Teils in der Zwischenschaufeldampfpassage an, die zwischen dem Rücken einer Schaufel und dem Bauch der nächsten Turbinenlaufschaufel gebildet ist. T ist der Pitch, der der Spalt zwischen den Turbinenlaufschaufeln in Umfangsrichtung ist. Das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) ist ein aerodynamischer Designparameter, der nicht von der Größe der Dampfturbine abhängt, und entspricht dem Auslassstromwinkel der Turbinenlaufschaufeln. Mit anderen Worten, wenn das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) zunimmt, wird der Turbinenlaufschaufel-Auslassstromwinkel, der definiert ist, indem die Umfangsrichtung als Null genommen wird, größer, und wenn die Schaufelauslassstromgeschwindigkeit als konstant angenommen wird, wird die Axialstromgeschwindigkeitskomponente größer und die Stromrate dieses Querschnitts nimmt zu. Umgekehrt, wenn das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) abnimmt, wird der Turbinenlaufschaufel-Auslassstromwinkel kleiner und die Stromrate dieses Querschnitts nimmt ab. Die Definition des Throat/Pitch Verhältnisses (S/T) ist gleich für die Turbinendüsenschaufeln.
In langen Schaufelstufen, wie beispielsweise der Turbinenendstufe, wird die Druckdifferenz zwischen der inneren Wandseite (Schaufelfuß) und der äußeren Wandseite (Schaufelspitze) aufgrund der tangentialen Geschwindigkeitskomponente, die durch die Turbinendüsenschaufeln erzeugt wird, größer. Beim Design von langen Schaufelstufen ist es notwendig, eine Throat/Pitch (S/T) Verhältnisverteilung auszuwählen, die diesen Druckunterschied berücksichtigt.
15 zeigt ein Beispiel einer Turbinenlaufschaufel-Throat/Pitch (S/T) Verhältnisverteilung, die normalerweise bei herkömmlichem Stand der Technikdesigns ausgewählt wird. Bei dem „vereinfachten dreidimensionalen Designverfahren" gemäß dem Stand der Technik werden derartige Designs erzeugt, dass die Stromratenverteilung pro Ringbereicheinheit in Radialrichtung ungefähr für die Turbinendüsenschaufeln und die Turbinenlaufschaufeln konstant ist, da es schwierig ist, den dreidimensionalen Verlust jedes Schaufelquerschnitts genau zu schätzen. Für die Turbinenlaufschaufel nahm die Stromgeschwindigkeit an der äußeren Wandseite zu, wo der statische Eingangsdruck hoch war, anstatt dass die statische Ausgangsdruckverteilung ungefähr konstant war. Folglich wurde ein Design ausgewählt, bei dem zusätzlich die axiale Stromgeschwindigkeit reduziert wurde, indem das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) auf der äußeren Wandseite reduziert wurde, die Axialstromgeschwindigkeit erhöht wurde, indem das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an der inneren Wandseite erhöht wurde, wo umgekehrt der statische Eingangsdruck gering ist, und die Turbinenlaufschaufel-Auslassstromgeschwindigkeit klein ist. Die Stromverteilung in Radialrichtung wurde folglich etwa gleichmäßig.
Bei Turbinenlaufschaufeln, die in dieser Weise designed sind, gibt es keine Probleme, wenn die Schaufelhöhe klein ist. Bei langen Schaufeln, mit einer Schaufelhöhe von mehr als einem Meter, ist es jedoch schwierig, eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Schaufelansatzquerschnitts der Turbinenlaufschaufeln, entsprechend dem relativen Druckabfall des statischen Eingangsdrucks sicherzustellen. Dies kann zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit führen. Aufgrund des gleichen Grads der Flussrate an dem Schaufelansatzquerschnitt und an den anderen Querschnitten entsteht darüber hinaus das Problem, dass die aerodynamische Leistungsfähigkeit der Turbinenstufe im Ganzen reduziert wird.
16 zeigt die Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung gemäß einer bekannten Turbinendüsenschaufel. Im Gegensatz zu einer Turbinenlaufschaufel, bei einem ungefähr gleichmäßigen Eingangsgesamtdruck, hat bei einer Turbinendüsenschaufel die Ausgangsstatikdruckverteilung eine Verteilung, die von innen nach außen zunimmt. Bei dem „vereinfachten dreidimensionalen Designverfahren" gemäß dem Stand der Technik wurde vorausgesetzt, dass die Stromverteilung in Radialrichtung gleichmäßig ist, da es schwierig war, die Verlustverteilung in Radialrichtung vorherzusagen. Aus diesem Grund wurde die in 16 gezeigte Throat/Pitch Verteilung (S/T) ausgewählt, die kontinuierlich von dem Schaufelfuß zur Schaufelspitze zunimmt.
Das Problem bei der in 16 gezeigten Verteilung liegt darin, dass aufgrund des kleiner werdenden Auslassstromwinkels am Schaufelfuß, der Verlust in diesem Bereich zunimmt. Ebenso besteht das Problem, dass, wenn die Schaufelspitze nahe an der Wandfläche ist, der Verlust zunimmt durch sekundäre Stromturbulenzen, die in den Ecken zwischen der Wandfläche und der Turbinendüsenschaufel auftreten. Da der gleiche Grad an Stromrate, wie in den anderen Schaufelregionen, auch durch diese Region strömt, verschlechtert sich die aerodynamische Leistungsfähigkeit der Turbinenstufe im Ganzen.
17 zeigt eine Radialrichtungsverteilung des aerodynamischen Verlustes bei herkömmlichen Turbinendüsenschaufeln. An der Schaufelfußseite, durch Reduzierung des Auslassstromwinkels, indem das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) kleiner gemacht wird, entsteht ein Teufelskreis, bei dem der Verlust immer mehr zunahm, je mehr sich die Auslassstromgeschwindigkeit erhöhte.
Es ist folglich eine Aufgabe ein dreidimensionales Gesamtdesignverfahren zu entwickeln, welches den Effekt berücksichtigt, durch welchen die Stromverteilung in Umfangsrichtung variiert und den Effekt der Schaufeldeformierung aufgrund der Zentrifugalkraft. Bekannte Lösungen haben jedoch bis heute nicht alle Probleme beseitigt. Im Folgenden wird eine dieser Lösungen unter Bezugnahme auf die 14 und 15 beschrieben. Eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln ist in einer Form designed, bei der die Anströmkante in Uhrzeigersinnrichtung von dem Schaufelfuß zur Schaufelspitze verdreht ist. Wenn eine Zuglast aufgrund der Zentrifugalkraft auf den Schaufelwirkbereich 9 ausgeübt wird, tritt folglich eine Zurückverdrehung (Entdrehung) in Pfeilrichtung AR, wie in 14 gezeigt, auf. Wie in 15 gezeigt, ändert sich das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) der Turbinenlaufschaufel 4, obwohl in der Verteilung eingestellt, wie durch die durchgezogene Linie gezeigt, von dem Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze bei Ruhezustand, theoretisch in eine Verteilung, die durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, während des Betriebs. Die Maßnahmen, die getroffen werden, um die Vibration der Turbinenlaufschaufeln zu steuern (also die Zwischenverbindungen 11 in dem Zwischenbereich des Schaufelwirkbereichs 9 und die Spitzenverbindungen 10 an den Schaufelspitzen), begrenzen ein Entdrehen an diesen Verbindungspunkten und die Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung bei ungefähr 70% bis ungefähr 95% Höhe, die zwischen den Verbindungen 10 und 11 normalisiert ist, wie in 15 gezeigt, nimmt nach außen hin zu und wird ein breiter Durchlass.
Diese Situation kann weitere Probleme zur Folge haben. Im Falle von langen Turbinenlaufschaufeln 4, bei denen der Durchmesser des Schaufelfußes 1,4 m oder mehr ist, und der Schaufelwirkbereich 9 einen Meter überschreitet, überschreitet die äquivalente Geschwindigkeit des Dampfes, der die Turbinenlaufschaufel verlässt (die Geschwindigkeit, die durch die Koordinaten definiert ist, die durch die Turbinenlaufschaufeln gesetzt sind) die Schallgeschwindigkeit zumindest in dem Bereich von dem Mitteldurchmesser des Schaufelwirkbereichs 9 (PCD: Teilkreisdurchmesser) zur Schaufelspitze und wird ein Überschallgeschwindigkeitsstrom. Bei einem Bereich der Turbinenantriebsdampf-Einlassstromwinkel, wie in 13 gezeigt, entlang dem Schaufelwirkbereich 9, wenn der oben genannte Anschwellbereich in der Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung auftritt bei ungefähr 75% bis ungefähr 95% normalisiertem Schaufelhöhenbereich, wird der Überschallstrom des Turbinenantriebsdampfes übermäßig expandiert und eine starke Verdichtungsstoßwelle wird auf der Turbinenlaufschaufel erzeugt.
Bekannte Dampfturbinen haben folglich verschiedene Nachteile. Sie verwenden Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilungen, die fast gleichmäßige Stromverteilungen in Radialrichtung ergeben, was große Reibverluste nahe der Wandfläche an den Schaufelansätzen der Turbinenlaufschaufeln zur Folge hat und nahe an der äußeren Wandfläche der Turbinendüsenschaufelspitzen. Sie leiden auch unter Verdichtungsstoßwellen, die durch die Interaktion des Überschalldampfstroms mit den aufgeblasenen Schaufelbereichen zwischen beschränkten Teilen des Schaufelwirkbereichs 9 aufgrund der Schaufelentwindung. Diese Nachteile verhindern eine Turbinenform gemäß den Designkriterien.
Die US 4,643,645 oder US 5,203,676 offenbart eine Anordnung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 oder 12.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Dampfturbine, die designed ist, um die Turbinenschaufelreihenperformance zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung liegt in der Schaffung einer Turbinenlaufschaufel, die einen stabilen Turbinenantriebsdampfstrom liefert, wodurch die Leistungsfähigkeit der Turbine verbessert wird.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Turbinendüsenschaufel, die den Turbinenantriebsdampf in stabiler Weise strömen lässt, wodurch die Performance der Turbine verbessert wird.
Diese Aufgaben werden mit einer Turbinenlaufschaufelanordnung gemäß Anspruch 1 und einer Turbinendüsenschaufelanordnung gemäß Anspruch 12 und einer Dampfturbine gemäß Anspruch 15 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgaben ist ein dreidimensionales Schaufeldesignverfahren, das für eine Turbinenlaufschaufel gemäß der Erfindung entwickelt und ausgewählt wurde, eines, das den Turbinenantriebsdampf als einen dreidimensionalen Strom behandeln und diesen dreidimensionalen Strom steuern kann. Folglich ist die Genauigkeit größer als bei dem herkömmlichen vereinfachten dreidimensionalen Schaufeldesignverfahren.
Anders ausgedrückt, ist in der Turbinenschaufelreihe das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) der Turbinenlaufschaufeln vor dem Betrieb Offset. Wenn eine Schaufelverdrehung während des Betriebs auftritt, wird ein übermäßig expandierter Strom in der Überschallgeschwindigkeitsregion verhindert, indem eine entsprechende Throat/Pitch Rate (S/T) Verteilung erzeugt wird, entsprechend dem Turbinenantriebsdampf-Eingangswinkel, durch Halten geeigneter Werte.
Gleichzeitig ist eine Stromverteilung in Radialrichtung derart gegeben, dass bei den Turbinenlaufschaufeln und den Turbinendüsenschaufeln der Turbinenantriebsdampfstrom in Regionen nahe der Wandfläche reduziert ist, wo sonst Verluste groß wären, während andererseits der Turbinenantriebsdampfstrom in Regionen erhöht wird, die von der Wandfläche beabstandet sind, wo die Verluste gering sind.
Eine vollständigere Darstellung der Erfindung und viele weitere Vorteile selbiger werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
1 eine schematische Teilquerschnittsansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Dampfturbine gemäß der Erfindung zeigt;
2 einen Verlustverteilungsgraph für die Turbinenlaufschaufelanordnung gemäß der Erfindung;
3 eine überlagerte Draufsicht, die individuelle Schaufelquerschnittsansichten zeigt, geschnitten entlang willkürlicher Positionen entlang der Höhe einer Turbinenlaufschaufel von dem Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze, gemäß der Erfindung;
4 einen Graphen einer statischen Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung für eine Turbinenlaufschaufel gemäß der Erfindung, verglichen mit einer bekannten statischen Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung und einer Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung während des Betriebs;
5 zeigt einen Graphen einer Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung, der ein statisches Throat/Pitch Verhältnis (S/T) von einer Schaufelhöhe von ungefähr 0% bis zu einer Schaufelhöhe von ungefähr 50% für eine Turbinenlaufschaufel gemäß der Erfindung zeigt;
6 einen Graphen einer Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung verglichen mit einem Throat/Pitch Verhältnis (S/T) von einer Schaufelhöhe von ungefähr 0% zu einer Schaufelhöhe von ungefähr 100% für eine Turbine, die sich gemäß der Erfindung bewegt, in Ruhe und im Betrieb;
7 einen Graphen einer Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung, der das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) von einer Schaufelhöhe von ungefähr 0% zu einer Schaufelhöhe von ungefähr 100 % für eine Turbinendüsenschaufel gemäß der Erfindung zeigt;
8 einen Turbinenstufenverlustverteilungsgraph, der die Beziehung zwischen dem Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an dem Schaufelfuß und einen Turbinenstufenverlust für eine Turbinendüsenschaufel gemäß der Erfindung zeigt;
9 einen Turbinenstufenverlustverteilungsgraph, der die Beziehung zwischen dem Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an der Schaufelspitze und den Turbinenstufenverlust für eine Turbinendüsenschaufel gemäß der Erfindung zeigt;
10 eine schematische Querschnittsansicht, die eine Turbinendüsenschaufel und eine Turbinenlaufschaufel in einer Endturbinenstufe zeigt;
11 eine Teilquerschnittsansicht entlang der Schnittlinie 11-11 in 10, die eine Zwischenverbindung zeigt;
12 eine schematische Schrägansicht der Schaufelspitzenverbindungen, betrachtet von der Richtung der Pfeile 12-12 in 10;
13 eine schematische Darstellung, die äquivalente Geschwindigkeitsgraphen zeigt für einströmenden Turbinenantriebsdampf für jede Schaufelfuß-, Schaufelmitteldurchmesser- und Schaufelspitzenposition einer Turbinenlaufschaufel in einer Endstufe;
14 eine teilentwickelte Querschnittsansicht, die eine Schaufelreihe von Turbinenlaufschaufeln in einer Endturbinenstufe zeigt;
15 einen Graphen einer Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung, verglichen mit einer Throat/Pitch Rate (S/T) bei Ruhe und während des Betriebs, für eine Turbinenlaufschaufel in der Endturbinenstufe;
16 einen Graphen einer Throat/Pitch Verhältnis (S/T). Verteilung, die ein Throat/Pitch Verhältnis (S/T) für eine Turbinendüsenschaufel in einer Endturbinenstufe zeigt; und
17 einen Verlustverteilungsgraph für eine Turbinendüsenschaufel in einer Endturbinenstufe.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von Turbinenlaufschaufeln und Turbinendüsenschaufeln, die in eine Turbine eingebaut werden, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die in den Zeichnungen zugewiesenen Bezugszeichen beschrieben.
In der Dampfturbine gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, ist eine Turbinenstufe 22 aus einer Anordnung von Turbinendüsenschaufeln 20, die an ihren Enden durch einen inneren Düsendeckel 23 und einen äußeren Düsendeckel 24 abgestützt sind, und aus einer Anordnung von Turbinenlaufschaufeln 21 gebildet, die in die Turbinenwelle 25 eingebettet sind. Eine Mehrzahl von derartigen Turbinenstufen 22 ist entlang der Turbinenwelle 25 angeordnet.
Die Schaufeln bestehen aus einer Legierung aus ungefähr 88 Gew% bis ungefähr 92 Gew Titanium, ungefähr 4 Gew% bis ungefähr 8 Gew% Aluminium und ungefähr 2 Gew% bis ungefähr 6 Gew% Vanadium. Eine Rotationsgeschwindigkeit von 3000 rpm wird in 50 Hz Bereichen verwendet und eine Rotationsgeschwindigkeit von 3600 rpm wird in 60 Hz Bereichen verwendet.
Jede Turbinenlaufschaufel 21 hat einen eingebetteten Schaufelteil 26 und einen Schaufelwirkbereich 27. Jede Turbinenlaufschaufel 21 ist ebenfalls mit einer Schaufelspitzenverbindung 28 an der Schaufelspitze und einer Zwischenverbindung 29 an dem Schaufelzwischenteil vorgesehen. Der Durchmesser des Schaufelfußes eines Schaufelwirkbereichs 27 beträgt 1,4 m oder mehr und die Schaufelhöhe beträgt 1,0 m oder mehr.
Die Zwischenverbindung 29 ist an einer Position im Bereich ungefähr 50% bis ungefähr 70 der normalisierten Schaufelhöhe installiert und ausgelegt, um die Vibration der Turbinenlaufschaufeln 21 während des Betriebs zu reduzieren und gleichzeitig irgendwelche Verwindungen der Turbinenlaufschaufel 21 auf einen geringen Pegel zu reduzieren. Die Schaufelspitzenverbindung 28 und die Zwischenverbindung 29 haben jeweils den gleichen Aufbau, wie in den 11 und 12 gezeigt, und wie in den folgenden Figuren beschrieben.
Die Turbinenlaufschaufel 21 hat eine Schaufelreihenperformanceverteilung gemäß 2. Diese Schaufelreihenperformanceverteilung zeigt einen aerodynamischen Verlust (Turbinenlaufschaufelverlust) auf der vertikalen Achse und eine normalisierte Schaufelhöhe auf der horizontalen Achse, und zeigt, dass der aerodynamische Verlust in einem normalisierten Schaufelhöhenbereich von ungefähr 15% bis ungefähr 45% gering wird. Diese Schaufelreihenperformanceverteilung wurde erhalten durch numerische Analyse des Turbinenantriebsdampfstroms und stimmt gut mit den experimentellen Daten für Modellturbinen überein und entspricht den effektiven Daten, wenn ein dreidimensionales Design einer Schaufelreihe durchgeführt wird.
Wie in 3 gezeigt, mit den Turbinenlaufschaufeln 21, die derartigen Designanforderungen unterworfen und mit einer derartigen Schaufelreihenperformanceverteilung versehen werden, kann das dreidimensionale Strommuster der Turbinenschaufelreihe optimiert werden durch entsprechendes Setzen des Throat/Pitch Verhältnis (S/T), wobei der Pitch zwischen einem Schaufelwirkbereich 27a und dem benachbarten Schaufelwirkbereich 27b gleich T ist und die Breite des Strom-Throat (schmalster Durchlass), der von dem Rücken 30 des einen Schaufelwirkbereichs 27a und dem Bauch des benachbarten Schaufelwirkbereichs 27b gebildet wird, gleich S ist.
Wenn Schaufelquerschnitte entlang der Schaufelhöhe von dem Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze an willkürlichen Stellen genommen werden, wie in 3 gezeigt (beispielsweise wenn der Schaufelquerschnitt an dem Schaufelfuß (Schaufelhöhe 0%) als A₀ genommen wird, der Schaufelquerschnitt bei der Schaufelhöhe von ungefähr 15% als A₁₅ genommen wird, der Schaufelquerschnitt bei der Schaufelhöhe von ungefähr 30% als A₃₀ genommen wird, der Schaufelquerschnitt bei der Schaufelhöhe von ungefähr 85% als A₈₅ genommen wird und der Schaufelquerschnitt an der Schaufelspitze (Schaufelhöhe 100%) als A₁₀₀ genommen wird, dann, wenn ein größerer Verdrehungswinkel jedem Querschnitt A₀, A₁₅ .... gegeben wird, als beim Stand der Technik, verschiebt sich TERL (Trailing Edge Ridge Line) (gezeigt als unterbrochene Linie), die jede Austrittskante 31, 31 .... verbindet, zu der Offset OTERL (Offset Trailing Edge Ridge Line) (gezeigt als durchgezogene Linie).
In der Praxis ist der Verdrehungswinkel in Uhrzeigersinnrichtung angegeben, so dass der Querschnitt A₀ sich von Punkt P₀ zu Punkt Q₀ verschiebt, sich der Querschnitt A₁₅ von Punkt P₁₅ zum Punkt Q₁₅ verschiebt und sich der Querschnitt A₈₅ von Punkt P₈₅ zum Punkt Q₈₅ verschiebt und ebenso ist der Verdrehungswinkel entgegen dem Uhrzeigersinn gegeben, so dass der Querschnitt A₃₀ sich vom Punkt P₃₀ zum Punkt Q₃₀ verschiebt und der Querschnitt A₁₀₀ sich vom Punkt P₁₀₀ zum Punkt Q₁₀₀ verschiebt. Die OLERL (Offset Leading Edge Ridge Line) ist durch die durchgezogene Linie gebildet, die die Anströmkanten 32, 32 .... jedes Querschnitts A₀, A₁₅, .... verbindet. Die Verdrehungswinkel, die jedem Querschnitt A₀, A₃₀, .... gegeben sind, sind im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn, bei einer Betrachtung mit den Anströmkanten von links und gleichzeitig mit den Rücken nach oben weisend.
Wenn das Off-Setting durchgeführt wird durch Einstellen der Verdrehungswinkel, wie oben erwähnt, hat das Throat/Pitch Verhältnis (S/T), das durch den Abstand zwischen den Turbinenlaufschaufeln bestimmt wird, die Verteilung, wie durch die durchgezogene Linie in 4 gezeigt, bei Ruhe, und die Verteilung, wie durch die unterbrochene Linie gezeigt, bei Betrieb.
Wenn ein größerer Schaufelverdrehungswinkel als beim Stand der Technik jedem Querschnittsbereich A₀, A₁₅, .... gegeben wird und das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) für jeden Querschnitt A₀, A₁₅, .... basierend auf dem Schaufelverdrehungswinkel bestimmt wird, dann bildet diese Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung, wie durch die durchgezogene Linie in 4 gezeigt, ungefähr eine S-Kurve mit einem maximalen Wert und einem minimalen Wert.
Gleichzeitig wird die durchgezogene Linie merklich von der bekannten Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Position, wie durch die einfach gepunktete Linie gezeigt, verschoben und gehalten, sozusagen Offset. „Maximaler Wert" und „minimaler Wert" sind hier definiert durch:

1) Wenn f (x) "negativ ist, wenn f (x)' = 0, f (x) ist ein maximaler Wert.
2) Wenn f (x) "positiv ist, wenn f (x)' = 0, f (x) ist ein minimaler Wert.

Mit anderen Worten, ein „Maximumwert" ist einer, der von kleineren Werten umgeben ist; ein „Minimalwert" ist einer, der von größeren Werten umgeben ist. Im Folgenden werden „maximaler Wert" als ein Maximum und „minimaler Wert" als Minimum bezeichnet.
In dieser Weise wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) vorher bestimmt, indem jedem Querschnitt A₀, A₁₅, ... ein größerer Verdrehungswinkel gegeben wird, als beim Stand der Technik, und das bestimmte (S/T) zu der Position versetzt wird, wie durch die durchgezogene Linie gezeigt. Dieser Differentialverdrehungswinkel (verglichen mit dem Stand der Technik) ist hier definiert als „Differentialschaufelverdrehungswinkel".
Zusammen mit dem Entdrehen, das während des Betriebs auftritt, verschiebt sich die (S/T) Verteilung von der Offsetposition und passt sich an die Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Position, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt, an. Folglich kann mehr Turbinenantriebsdampf in Regionen strömen, wo Verluste klein sind und weniger in Regionen, wo Verluste groß sind, was eine verbesserte Turbinenschaufelreihenperformance zur Folge hat.
Der Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilungsgraph für die Turbinenlaufschaufel 21, wie in 4 gezeigt, ist einer, bei dem der Differentialschaufelverdrehungswinkel über alle Schaufelquerschnitte A₀, A₁₅, .... für die gesamte Schaufel vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze gesetzt worden ist. Ob man den Differentialschaufelverdrehungswinkel über die gesamte Länge der Schaufel oder über einen kleineren Bereich der Schaufel einstellt, hängt jedoch davon ab, ob der Turbinenantriebsdampfstrom unter der Schallgeschwindigkeit, nahe der Schallgeschwindigkeit oder über der Schallgeschwindigkeit ist.
Wenn der Turbinenantriebsdampfstrom Überschall oder schallnahe ist für die Turbinenlaufschaufel 21, wie in 5 gezeigt, wird das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) bestimmt, indem jedem Schaufelquerschnitt in dem Schaufelhöhenbereich von ungefähr 10 bis ungefähr 45% ein Differentialschaufelverdrehungswinkel gegeben wird, wobei der Schaufelfuß (Schaufelhöhe 0%) als Referenz verwendet wird und die vorbestimmte Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilung als eine Kurve geformt wird, die mindestens einen minimalen Wert oder einen maximalen Wert aufweist, oder eine sog. S-förmige Kurve bildet, die einen minimalen Wert und einen maximalen Wert aufweist. In der Praxis sollte der minimale Wert des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) vorzugsweise an einer Schaufelhöhenposition im Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 20% gebildet sein und der maximale Wert des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) sollte an einer Schaufelhöhenposition im Bereich von ungefähr 15% bis ungefähr 45% gebildet sein.
Das vorbestimmte Throat/Pitch Verhältnis (S/T), indem ein Differenzschaufelverdrehungswinkel jedem Querschnitt des Schaufelhöhenbereichs von ungefähr 10% bis ungefähr 45% gegeben wird, und durch Setzen der Throat/Pitch Verhältnis (S/T) Verteilungskurve derart, dass sie mindestens einen minimalen Wert oder einen maximalen Wert oder eine S-Form mit einem Minimum und einem Maximum aufweist, wie oben beschrieben, kompensiert das Schaufelentwinden, das während des Betriebs auftritt, und lässt gleichzeitig mehr Turbinenantriebsdampf in die Region, wo der Turbinenlaufschaufelverlust klein ist, wie in 2 gezeigt, wodurch folglich die Turbinenreihenperformance verbessert wird. Jedoch muss besondere Aufmerksamkeit dem Differenzschaufelverdrehungswinkel an Schaufelhöhenpositionen von ungefähr 10% oder weniger gegeben werden.
Speziell wenn das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) kleiner nahe der Wandfläche (Turbinenwelle) an dem Schaufelfuß wird, wird der Auslassstromwinkel kleiner und sekundäre Stromverluste nehmen zu aufgrund von Turbulenzen in der Umgebung des Schaufelfußes in der Ecke zwischen der Schaufel und dem eingebetteten Bereich, wo eine Fußausnehmung zusätzlich vorliegt, um eine Spannungskonzentration abzubauen. Um zu verhindern, dass das tatsächliche Throat/Pitch Verhältnis (S/T), das die Fußausnehmung enthält, zu klein wird, ist es notwendig, den Schaufelverdrehungswinkel der Fußausnehmung einzustellen, um das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) größer zu machen.
Wenn der Turbinenantriebsdampf bei Überschallgeschwindigkeit strömt für die Turbinenlaufschaufel 21, wie in 6 gezeigt, mit dem Schaufelfuß als Referenz in gleicher Weise, wie oben erwähnt, werden die Throat/Pitch Verhältnisses (S/T) vorbestimmt, indem jedem Schaufelquerschnitt von einer Schaufelhöhe von ungefähr 10% bis zu einer Schaufelhöhe von ungefähr 95% ein Differentialschaufelverdrehungswinkel gegeben wird. Die Verteilung der vorbestimmten Throat/Pitch Verhältnisse (S/T) bildet folglich eine S-förmige Kurve, die einen minimalen Wert und einen maximalen Wert in dem Schaufelhöhenbereich von ungefähr 10% bis ungefähr 95% aufweist, und ist gleichzeitig Offset in einer Kurve, die einen minimalen Wert bei einem Schaufelhöhenbereich von ungefähr 70% bis ungefähr 95 aufweist, und vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 80% bis ungefähr 90%. Diese Anordnung unterdrückt den Schwellbereich (wie in 15 gezeigt), der auftritt, wenn sich die Schaufeln während des Betriebs entwinden und stellt sicher, dass der Turbinenantriebsstrom im stabilen Zustand strömt, wodurch folglich die Erzeugung von Verdichtungsstoßwellen unterdrückt wird.
Eine weitere Verbesserung des Turbinenwirkungsgrads bei Turbinen mit langen Schaufeln kann realisiert werden, indem den Schaufelquerschnitten der Turbinendüsenschaufeln 20 Differentialschaufelverdrehungswinkel gegeben werden, so dass die Dampfauslassströme von den Turbinendüsenschaufeln effizienter mit den Turbinenlaufschaufeln in ihrer dynamischen Konfiguration kooperieren. Das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) für die Turbinendüsenschaufeln ist in gleicher Weise definiert, wie (S/T) für die Turbinenlaufschaufeln 4, wie in 14 gezeigt.
Bei Berücksichtigung der Verteilung dieses Throat/Pitch Verhältnis (S/T) in Schaufelhöhenrichtung von dem Schaufelfuß (Schaufelhöhe 0%) bis zur Schaufelspitze (Schaufelhöhe 100%), wie in 7 gezeigt, erscheint sie in dem Schaufelhöhenbereich von ungefähr 20% bis ungefähr 80% nach außen angeschwollen, wenn der Schaufelfuß als Referenz genommen wird, als würde ein maximaler Wert gebildet werden. Für die Turbinendüsenschaufel 20, den Schaufelfuß benachbart zu dem inneren Düsendeckel 23, wie in 1 gezeigt, ist die Schaufelspitze benachbart zu dem äußeren Düsendeckel 24.
Diese Verteilung des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) resultiert durch das Geben von Differentialschaufelverdrehungswinkeln den Querschnitten, als wenn ein maximaler Wert in dem Schaufelhöhenbereich von ungefähr 20% bis ungefähr 80% gebildet werden würde; Setzen des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an dem Schaufelfuß (Schaufelhöhe 0%) im Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5; und Setzen des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an der Schaufelspitze (Schaufelhöhe 100%) im Bereich von ungefähr 0,14 bis ungefähr 0,5. Der Gesamtverlust (Turbinendüsenschaufelverlust plus Turbinenlaufschaufelverlust) wird folglich reduziert.
Das ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Throat/Pitch Verhältnis (S/T), wie in 8 gezeigt, ist der bevorzugte Anwendungsbereich, der von einer Modellturbine erhalten wird. Wenn die Throat/Pitch Verhältnisse (S/T) an dem Schaufelfuß und der Schaufelspitze zu klein werden, tritt mit den oben genannten Werten ein rapider Verlustanstieg an einer Grenze auf, da der sekundäre (Turbulenz-)Stromverlust nahe der Wandfläche bei diesem Wert als eine Grenze stark zunimmt. Der Stromverteilungsausgleich über der Radialrichtung ist gestört, wodurch ein übermäßig großer Strom an der Wandfläche erzeugt wird und der Reibverlust nahe der Wand rapide zunimmt.
Das Setzen des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an der Spitze (Schaufelhöhe 100%) auf ungefähr 0,14 bis ungefähr 0,5 basiert auf der Tatsache, dass, wie in 9 gezeigt, der Turbinenstufenverlust kleiner wird. Dieser Bereich des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an der Spitze ist der bevorzugte Anwendungsbereich und wird ähnlich von einer Modellturbine gewonnen.
Das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) für die Turbinendüsenschaufeln 20 wird also bestimmt, indem den Schaufelquerschnitten ein Differentialschaufelverdrehungswinkel gegeben wird, so dass die Verteilung des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) veranlasst wird nach außen sich aufzublähen als würde der maximale Wert gebildet werden, innerhalb eines Schaufelhöhenbereichs von ungefähr 20% bis ungefähr 80%. Gleichzeitig wird das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an dem Schaufelfuß (Schaufelhöhe 0%) in den Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 gesetzt, während das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) an der Schaufelspitze (Schaufelhöhe 100%) in den Bereich von ungefähr 0,14 bis ungefähr 0,5 gesetzt wird. Folglich wird mehr Turbinenantriebsdampf konzentriert und veranlasst in die Region zu strömen, wo der Turbinenstufenverlust gering ist. Folglich kann die Turbinenschaufelreihenperformance gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert werden.
Obwohl für die Turbinendüsenschaufeln das Einstellen des Schaufelverdrehungswinkels der direkteste Weg zum Einstellen des Throat/Pitch Verhältnis (S/T) ist, kann das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) auch eingestellt werden, indem die Krümmung von dem Bereich, der die Saugfläche bildet, bis zur Austrittskante geändert wird. Wenn die Krümmung des Bereichs, der dem Rücken bis zur Austrittskante bildet, kleiner ausgebildet wird, kommt die Austrittskante näher zu dem Rücken der benachbarten Schaufel und das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) wird kleiner. Umgekehrt, wenn die Krümmung größer gemacht wird, wird die Throat/Pitch Rate (S/T) größer. Ferner kann das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) eingestellt werden, indem die Austrittskantendicke geändert wird. Da jedoch die Schaufelreihenperformance reduziert wird, wenn die Austrittskante dicker ausgebildet wird, wird es notwendig, andere Einstellungen vorzunehmen, so dass der Gesamtwirkungsgrad erhalten bleibt.
Für Turbinenlaufschaufeln, die in einer Dampfturbine gemäß der Erfindung verwendet werden, um die Schaufelentwindung, die während des Betriebs auftritt, zu kompensieren, wird die Verteilung des Throat/Pitch Verhältnis (S/T), das gemäß dem Differenzschaufelverdrehungswinkel bestimmt wird, der den Schaufelquerschnitten gegeben wird, versetzt, so dass es größer wird als beim Stand der Technik, und während des Betriebs wird folglich das Throat/Pitch Verhältnis (S/T) auf einem optimalen Wert gehalten. Der Turbinenantriebsdampf strömt folglich in einer stabileren Weise und die Turbinenschaufelreihenperformance wird verbessert.
Für die Turbinendüsenschaufeln wird die Verteilung des Throat/Pitch Verhältnis (S/T), das gemäß dem Differentialschaufelverdrehungswinkel bestimmt wird, der den Schaufelquerschnitten gegeben wird, derart ausgebildet, dass es nach außen zunimmt, so als wenn der maximale Wert gebildet werden würde. Folglich wird mehr Turbinendampf konzentriert und veranlasst in die Region zu strömen, wo der Turbinenstufenverlust klein ist. Folglich kann die Turbinenschaufelreihenperformance weiter gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden.
Offensichtlich können verschiedene Modifikationen und Änderungen der Erfindung vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Turbinenlaufschaufelanordnung für eine Dampfturbine, die eine Mehrzahl von Stufen (22) aufweist, die jeweils mit Turbinenlaufschaufeln (21), die an der Turbinenwelle (25) angebracht sind, und mit festen Turbinendüsenschaufeln (20) versehen sind, die axial benachbart zu den Turbinenlaufschaufeln positioniert sind, wobei die Turbinenlaufschaufeln (21) umfangsmässig beabstandet sind mit benachbarten Turbinenlaufschaufeln, die zwischen ihren Enden und ebenso an ihren radialen äußeren Spitzen verbunden sind, wobei jede der Turbinenlaufschaufeln (21) vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehwinkel an Schaufelquerschnitten (A₀, A₁₅, ..., A₁₀₀) entlang der Höhe jeder Turbinenlaufschaufel (21) unterschiedlich verdreht sind, um eine Verteilung des Throat/Pitch-Verhältnisses (S/T) entlang der Turbinenlaufschaufelhöhenrichtung von dem Schaufelfuß zur Schaufelspitze zu erzeugen, die einer Kurve folgt, die mindestens ein Minimum und/oder ein Maximum aufweist.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach Anspruch 1, bei der die Throat/Pitch-Verhältnis (S/T) Verteilung versetzt ist, um eine Turbinenlaufschaufelaufdrehung zu berücksichtigen, die während des Betriebs der Dampfturbine aufgrund von Zentrifugalkraft auftritt.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Maximum in einem Turbinenlaufschaufelhöhenbereich von ungefähr 15% bis ungefähr 45% liegt.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach Anspruch 3, bei der das Minimum in einem Turbinenlaufschaufelhöhenbereich von ungefähr 10% bis ungefähr 20% liegt, und das Maximum in einem Turbinenlaufschaufelhöhenbereich von ungefähr 25% bis ungefähr 35% liegt.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Minimum in einem Turbinenlaufschaufelhöhenbereich von ungefähr 70% bis ungefähr 95% liegt.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der manche der unterschiedlichen Schaufeldrehwinkel den Schaufelquerschnitten im Uhrzeigersinn gegeben sind, und manche der unterschiedlichen Drehwinkel den Schaufelquerschnitten entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn gegeben sind.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach Anspruch 6, beider die unterschiedlichen Schaufeldrehwinkel, die in Uhrzeigersinnrichtung gegeben sind, an Positionen in einem Turbinenlaufschaufelhöhenbereich von ungefähr 0% bis ungefähr 15% liegen, und an Positionen in einem Turbinenlaufschaufelhöhenbereich von ungefähr 85%, während die unterschiedlichen Schaufeldrehwinkel, die entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn gegeben sind, bei ungefähr 30% Schaufelhöhenposition und ungefähr 100% Schaufelhöhenposition sind.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Turbinenlaufschaufelanordnung einen Durchmesser von mindestens 1,4 Meter am Fuß aufweist, die Turbinenlaufschaufelhöhe mindestens 1,0 Meter beträgt, und die Turbinenwelle mit 3.000 Umdrehungen pro Minute oder 3.600 Umdrehungen pro Minute dreht.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Turbinenlaufschaufeln aus einer Titanlegierung sind, mit einer Zusammensetzung von ungefähr 88 Gewichtsprozent bis ungefähr 92 Gewichtsprozent Titan, ungefähr 4 Gewichtsprozent bis ungefähr 8 Gewichtsprozent Aluminium und ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 6 Gewichtsprozent Vanadium.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Zwischenverbindungen der Turbinenlaufschaufeln innerhalb eines Turbinenlaufschaufelhöhenbereichs von ungefähr 50% bis ungefähr 70% liegen.
Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die unterschiedlichen Drehwinkel der Turbinenlaufschaufel in einer Turbinenendstufe und mindestens einer von der Endturbine stromaufwärts liegenden Turbinenstufe angenommen sind.
Turbinendüsenschaufelanordnung für eine Dampfturbine, die eine Mehrzahl von Stufen (22) aufweist, die jeweils versehen sind mit Turbinenlaufschaufeln (21), die an der Turbinenwelle (25) angebracht sind, und mit festen Turbinendüsenschaufeln (22), die axial benachbart zu den Turbinenlaufschaufeln (21) positioniert sind, wobei jede der Turbinendüsenschaufeln (20) vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkel an Schaufelquerschnitten entlang der Höhe jeder Turbinendüsenschaufel unterschiedlich verdreht sind, um eine Verteilung des Throat/Pitch-Verhältnisses (S/T) entlang der Turbinenlaufschaufelhöhenrichtung vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze zu erzeugen, die einer Kurve folgt, die mindestens ein Maximum aufweist, welches in einem Turbinendüsenschaufelhöhenbereich von ungefähr 20% bis ungefähr 80% liegt.
Turbinendüsenschaufelanordnung nach Anspruch 12, bei der die Verteilung des Throat/Pitch-Verhältnisses (S/T) in einem Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 an der Schaufelfußposition und in einem Bereich von ungefähr 0,14 bis ungefähr 0,5 an der Schaufelspitzenposition ist.
Turbinendüsenschaufelanordnung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die unterschiedlichen Drehwinkel der Turbinendüsenschaufel in einer Endturbinenstufe und mindestens einer Turbinenstufe stromaufwärts von der Endturbine angenommen sind.
Dampfturbine mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse drehbaren Welle und einer Mehrzahl von Stufen (22), die jeweils mit einer Turbinenlaufschaufelanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und mit einer festen Turbinendüsenschaufelanordnung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 versehen sind.