DE756302C - Regelungsvorrichtung fuer Niederdruckdampf- oder Niederdruckgasturbinen - Google Patents

Description

Die Regelungsvorrichtung der Erfindung bezweckt, bei der Regelung von Niederdruekdampf- oder Niederdruekgasturbinen ehre günstigere Strömung der Arbeitsmittel durch die Turbine bei wechselnden Betriebsverhältnissen zu ermöglichen, als dies bisher mit den bekannten Regelungsmitteln der Fall ist. Dabei soll unter geringeren Verlusten ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht werden.

Bisher wurden Dampf- oder Gasturbinen gewöhnlich durch Drosselung des Arbeitsmittels geregelt. Entweder strömte das gesamte Arbeitsmittel durch ein Regelventil, oder einzelne bzw. mehrere Düsen waren mit Regelventilen oder anderen Regelmittdn versehen. Es ist aber auch bekannt, daß Arbeitsmittel in Abhängigkeit von der Belastung einer wechselnden Anzahl von Leitschaufeln zuzuführen. Alle Regelungsarten ergeben· eine Verschlechterung des Wirkungsgrades bei allen Belastungen außerhalb der Normalbelastung der Turbine. Besonders die zuerst genannte Drosselregelung ist in dieser Hinsicht sehr ungünstig. Bei -der Düsenregelung oder P'artialregelung kommen noch Verluste hinzu, die durch das Zurückströmen, des Ar-

beitsmittels in die nicht -gefüllten Schaufelkanäle und die Ventilationsarbeit der unwirksamen Schaufeln entstehen, wenn ein oder mehrere Düsen bzw. Leitschaufelgruppen ganz abgschaltet sind. Werden die Düsen zur Regelung mit beweglichen Düsenwänden versehen, so führt dies schließlich zu umständlichen Bauarten und zu großen Abständen zwischen den verschiedenen Düsen. ίο Gemäß der Erfindung sind am Einlaß eines Axialturbinenrades um in der Hauptsache radial, vorzugsweise senkrecht zur Turbinenwelle stehende Achsen drehbare Leitschaufeln angeordnet, die das dem Turbinenrad zuströmende Arbeitsmittel regeln. Derartige drehbare Leitschaufeln sind im Prinzip bei Wasserturbinen bekannt, so daß die Erfindung in der Anwendung dieser Schaufeln bei Niederdruckdampf- oder Gasturbinen beruht. so Durch diese Anwendung der bekannten Schaufeln werden die Nachteile der bisherigen Regelungsarten behoben, obwohl zunächst nicht zu erwarten war, daß sich die aus dem Wasserturbinenbau bekannten Leitschaufeln auch bei Dampf- und Gasturbinen mit Erfolg einsetzen lassen. Es mußte mit Rücksicht auf das andere Arbeitsmittel befürchtet werden, daß insbesondere bei den hohen Geschwindigkeiten Schaufelschwingungen auftreten und daß ferner die Schaufellagerung nicht einwandfrei ausgeführt werden kann. Wie festgestellt werden konnte, treffen aber diese Bedenken für das Niederdruckgebiet bei Dampfund Gasturbinen nicht zu.

Die Erfindung beschränkt sich daher auf die Anwendung derartiger Leitschaufel bei Dampf- oder Gasturbinen mit einem Druck von 6 ata.

Wichtig ist für die Ausführung der Erfindung, daß die Leitschaufeln um radial, vorzugsweise senkrecht zur Turbinenwelle stehende Achsen drehbar sind. Bei Wasserturbinen siind die Leitschaufeln um axial zur Turbinenwelle liegende x\chsen schwenkbar. Es gibt zwar auch Schaufeln, die um radial zur Turbinenwelle vorgesehene Achsen geschwenkt werden können. Hier handelt es sich aber um andere Zwecke.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Diagramm dargestellt.

Fig. ι zeigt schematisch einen Axialschnitt durch eine einkränzige Turbine,

Fig. 2 die Regelvorrichtung für eine Leitschaufel von der Mitte der Turbine aus gesehen,

Fig. 3 einige Leitschaufeln mit zugehöriger Lagerung von der Seite gesehen,

Fig. 4 Endansichten der in Fig. 3 dargestellten Leitschaufeln in zwei verschiedenen Öffnungsanlagen,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Wänneinhaltentropiediagramm, das die Arbeit des Dampfes in einer Dreifachexpansionsmaschine mit nachgeschalteter Abdampfturbine unter verschiedenen Betriebsverhältnissen veranschaulicht.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbine ist eine Abdampfturbine, die insbesondere zum Antrieb von Hilfsmaschinen für Schiffe geeignet ist. Von der Hauptmaschine kommender Abdampf strömt durch die Einlaßleitung 1 in eine im Turbinengehäuse ausgebildete schalenförmige Einlaßkammer 2. An die Einlaßkammer schließt sich ein Kranz von Leitschaufeln 3 an, die mit Hilfe von Zapfen 4 in einem festen Ring 5 drehbar gelagert sind. Auf den vom Ring 5 gegen das Innere der Turbine sich erstreckenden Zapfen 4 sind Arme 6 befestigt, an deren anderen Enden Winkelzapfen 7 angebracht sind. Jeder Winkelzapfen 7 besitzt einen um den im Arm 6 befestigten Zapfen drehbaren Kopf, von dem aus sich ein Zapfen 8 in eine Bohrung einer auf der Reglerwelle 9 befestigten Reglerscheibe 10 erstreckt, in der der Zapfen S drehbar und verschiebbar geführt ist. Die Reglerwelle 9 ist im Turbinengehäuse bei 11 und 12 gelagert. Durch Drehung der Reglerwelle können die Leitschaufeln 3 je nach der Belastung der Turbine in die gewünschte Lage gebracht werden. Der Ring 5, in dem die Leitschaufelzapfen 4 gelagert sind, ist zweiteilig ausgeführt, und die beiden Teile 'werden, wie in Fig. 3 gezeigt, mit Hilfe von Schrauben 13 miteinander verbunden und an der inneren Wand der Einlaßkammer befestigt. Aus Fig. 4 geht die Stromlinienform der Leitschaufeln hervor, so daß die Strömungsrichtung des Dampfes auch bei wesentliehen Änderungen des Durchströmquerschnittes nur sehr unbedeutend geändert wird. Ferner ist erkennbar, daß die Leitschaufelkanäle in den verschiedenen Öffnungslagen divergierend sind und daß der Endquerschnitt der Leitschaufelkanäle gleichzeitig mit einer Änderung des kleinsten Querschnittes geändert wird. Auf Grund dieses Umstandes' wird erreicht, daß der kleinste Querschnitt und der Endquerschnitt der Leitschaufelkanäle sich stets der durchströmenden Dampfmenge anpassen können, beispielsweise derart, daß das Druckverhältnis in den Leitschaufelkanälen und damit die Ausströmgeschwindigkeit des Dampfes bei wechselnden Belastungen der Turbine unverändert gehalten wird oder derart, daß das Druckverhältnis in den Leitschaufelkanälen bei veränderlichem Anfangsdruck der Turbine in Abhängigkeit von diesem Druck geändert wird. iao

Zum Zweck der Überbelastung der Turbine ist eine besondere Überlastleitung 14 (Fig. 1)

vorgesehen, durch die der Turbine Dampf von höherem Druck als dem normalen Anfangsdruck zugeführt werden kann. In der Überlastleitung ist -ein Ventil 15 vorgesehen, das in der schematisch gezeigten Ausfithrungsform nach Fig. 1 als Drosselventil ausgebildet ist. Die Überlastleitung erstreckt sich mit einem als Düse ausgebildeten Teil 16 zwischen zwei Leitschaufeln durch den Leitschaufelkranz.

Vom Leitschaufelkranz strömt der Dampf durch die Schaufeln 22 des Turbinenrades 21, deren Welle 19 in einem Lager 20 gelagert ist, in den Auslaß 23.

Bei der in der Zeichnung gezeigten, Maschine ist ein Drehzahlregler 28, beispielsweise ein Pendelreigler, über Zahnrädergetriebe 24, 25 und 26, 27 mit der Turbinenwelle verbunden. Die Reg|ermuffe 29 wirkt auf das eine Ende eines zweiarmigen Hebels 30, dessen anderes Ende mit einem Schieberventil 31 verbunden ist, das die Ölzufuhr zu zwei Servomotoren 32 und 33 regelt. Der Kolben 34 des Servomotors 32 ist mit der Reglerwelle 9 verbunden und stellt die Leitschaufeln 3 ein. Der Kolben, 35 des Servomotors 33 wird durch eine Feder 36 in einer bestimmten Normallage gehalten und ist mit einem Reglerarm 37 verbunden, mit Hilfe dessen er das Überlastventil 15 betätigen kann.

Die Regelvorrichtung arbeitet in folgender Weise: Wenn die Drehzahl der Turbine infolge zunehmender Belastung abnimmt, verschiebt sidi die Reglermuffe 29 nach unten und das Schieberventil 31 nach oben, wodurch Drucköl der Unterseite des Servomotorkolbens 34 zuströmt. Gleichzeitig wird der oberhalb des Servomotorkolbens 34 befindliehe Raum durch das Schieberventil 31 mit einem nicht gezeigten ölablauf des Schieberventilgehäuses verbunden.. Bei der Aufwärtsbewegung des Servomotorkolbens 34 werden die Leitschaufeln 3 mehr geöffnet, und es/wird eine größere Dampfmenge zugeführt, so daß die Drehzahl der Turbine wieder auf den normalen Wert steigt. Ist jedoch die Belastungszunahme so groß, daß die Drehzahl nicht den gewünschten Wert erreicht, auch wenn sich der Servomotorkolben 34 bis in seine obere Grenzlage bewegt hat und die Leitschaufeln daher vollständig geöffnet sind, so verschiebt sich die Reglermuffe 29 bei fortschreitender Drehzahlverminderung so weit nach unten, daß das Schieberventil 31 bis in die Nähe seiner oberen Endlage verstellt wird. Dadurch wird Drucköl dem Servomotor 33 zugeführt, dessen Kolben, 35 sich gegen die Wirkung, der Feder 36 nach oben verschiebt und das Überlastventil 15 öffnet, durch das der Turbine Dampf von höherem Druck als dem Druck in der Einlaßkammer 2 durch die Düse 16 zugeführt wird. Das Überlastventil wird so. lange offen gehalten, als die Drehzahl trotz weitester Öffnung der Leitschaufeln unter dem normalen Wert liegt. Sobald jedoch die Drehzahl wieder genügend weit steigt, so daß das Schieberventil 31 die Druckölzufuhr zum Servomotor 33 schließen kann, wird das Überlastventil wieder geschlossen. Die Feder 36 führt dabei den Servomotorkolben in seine normale Lage zurück, wodurch das Überlastventil 15 geschlossen wird.

In Fig. 5 ist in einem Wärmeinhaltentropiediagramm die Zustandsänderung des Diampfes in einer Draifachexpansionsmaschine mit daran angeschlossener Abdampfturbine veranschaulicht, und zwar bei gewöhnlicher Regelung durch Drosselung des Einlaßdampfes vor der Turbine und bei einer Regelung der Turbine gemäß vorliegender Erfindung. Der Anfangsdruck des Dampfes ist, wie durch Punkt A angegeben, zu 15 ata angenommen worden. Von diesem Punkt aus expandiert der Dampf im Hochdruckzylinder bis auf den Punkt B, bei dem der Druck beispielsweise 5,5 ata beträgt. Im Mitteldruckzylinder expandiert der Dampf darauf längs der Linie B-C bis zum Punkt C, bei dem der Druck beispielsweise bis auf 1,5 ata sinkt. Bei der Expansion im Niederdruckzylinder ändert sich der Zustand' des Dampfes nach der Linie C-E. Auf Grund des Verlauf eis der Expansionslinie im Niederdruckzylinder bei verschiedenen Enddrücken und des entsprechenden Verlaufes in der nachgeschalteten Turbine wurde gefunden, daß die Expansion im Niederdruckzylinaer vorteilhaft nicht weiter als bis auf etwa 0,4 ata erfolgen soll, da eine weitere Expansion unter diesen Druck in einer Turbine mit besserem Wirkungsgrad vorgenommen werden kann. Dies beruht hauptsächlich darauf, daß die Kondensationsverluste im Niederdruckzylinder bei tiefer Expansion bedeutend zunehmen. Man unterbricht daher zweckmäßig die Expansion im Niederdruckzylinder bei etwa 0,4 ata," wie dies durch den Punkt D im Diagramm angegeben ist. Das Wärmegefälle der Hauptmaschine entspricht dann der Strecke A-F. Wenn es sich um den Antrieb von Hilfsmaschinen mit Hilfe eines Teiles des Abdampfes einer Dampfmaschine durch Entspannung in einer Abdampfturbine handelt, wird im allgemeinen die Forderung aufgestellt, daß die Drehzahl der Turbine unabhängig von Belastungsänderungen, der Hauptmaschine und den dadurch im Auslaß der Hauptmaschine entstehenden Druckänderungen auf unveränderter Höhe zu halten ist. Um dies zu ermöglichen, hat man früher in

den Dampfeinlaß der Turbine ein Drosselventil eingesetzt, mit dem die Turbine von Hand aus oder selbsttätig geregelt wenden kann, so daß ihre Drehzahl unverändert bleibt. Durch die Drosselung wird der Druck unter Beibehaltung des Wärmeinhaltes des Dampfes gesenkt, so daß der Zustand vor der Turbine beispielsweise durch den Punkt G angegeben wird. Von diesem Punkte aus wird der ίο Dampf in der Turbine beispielsweise bis auf den Enddruck von 0,05 ata entspannt, wie dies durch Punkt H angedeutet ist. Bei Verwendung von verstellbaren Leitschaufeln gemäß der Erfindung kann man jedoch die Drehzahl der Turbine durch Handregelung oder selbsttätige Regelung unverändert halten, auch wenn der Einlaßdruck der Turbine schwankt. Zu diesem Zwecke können die Leitschaufeln so angeordnet werden, daß bei verschiedener Einstellung derselben in den Leitschaufelkanälen verschiedene Expansionsverhältnisse erhalten werden. Im vorliegenden Beispiel läßt man daher gemäß der Erfindung· die Expansion in der Turbine im Punkt D beginnen und im Punkt K beenden. Bei dem gewählten Enddruck der Hauptmaschine wird dann der Gewinn an Wärmegefälle durch Anwendung der verstellbaren Leitschaufeln gegenüber der Drosselregelung der Turbine gleich dem Abstand J₁.

Wenn der Abdampf der Hauptmaschine ganz oder zum größten Teil einer Abdampfturbine zugeführt wird, die einen Verdichter antreibt, der zur Erhöhung des Dampfdruckes, beispielsweise vor dem Mitteldruckzylinder einer Dreifachexpansionsmaschine, dient, spielt es keine große Rolle, wenn die Drehzahl der Turbine etwas schwankt. Es kann in diesem Falle zweckmäßig sein, die Turbine von Hand aus oder selbsttätig so zu regeln, daß" der Druck vor der Turbine, d. h. der Enddruck der Hauptmaschine, unverändert gehalten wird, beispielsweise auf 0,4 ata. Die Leitschaufeln der Turbine können dabei so ausgebildet werden, daß das Expansionsverhältnis in den Leitschaufelkanälen bei verschiedenen Einstellungen der Leitschaufeln gleichbleibt, d. h. so, daß der Endquerschnitt der Leitschaufeln bei einer Änderung der Einstellung verhältnisgleich mit der Änderung des kleinsten Querschnittes geändert wird. Der durch Aufrechterhaltung eines unveränderten Enddruckes der Hauptmaschine erzielbare Gewinn an Wärmegefälle ist gleichfalls aus dem Diagramm der Fig. 5 ersichtlich. Es ist nämlich einleuchtend, daß, wenn die Belastung der Hauptmaschine sinkt und man dabei ein Abfallen des Enddruckes der Hauptmaschine, beispielsweise auf den durch den Punkt L angedeuteten Druck von 0,2 ata, zulassen würde, man nach der Expansion in der Turbine zu dem durch den Punkt O angedeuteten Endzustand käme, in dem der Wärmeinhalt des austretenden Dampfes größer ist als im Punkt K. Zum Punkt K kommt man, wenn man durch Verminderung des Leitschaufelquerschnittes unter Beibehaltung des Expansionsverhältnisses in den Leitschaufelkanälen die Turbine so einstellt, daß ihr Eintrittsdruck bzw. der Enddruck der Hauptmaschine die ganze Zeit über unverändert gehalten wird. Der in diesem Fall durch Beihaltung eines unveränderlichen Druckes vor der Turbine und eines unveränderlichen Druckverhältnisses in den Leitschaufelkanälen erhaltene Gewinn an gesamtem ausgenutztem Wärmegefälle ist im Vergleich mit dem Fall, in dem ein Sinken des Enddruckes der Hauptmaschine bis auf 0,2 ata (Punkt L) zugelassen wird, gleich der Strecke J₂.

Die Regelung nach der Ernndung eignet sich besonders für Turbinen, die mit dem ganzen oder einem Teil des Abdampfes oder der Abgase einer Kolbenmaschine getrieben werden, jedoch kann die Erfindung auch bei Dampf- oder Gasturbinen zur Verwendung kommen, bei denen die gesamte oder der größte Teil der aus dem Dampf oder Gas zu gewinnenden Leistung in einer oder mehreren durch Anzapfdampf getriebenen Turbinen gewonnen wird. Die Regelung kann ferner bei mehrkränzigen Turbinen verwendet werden, und zwar entweder nur für das erste Rad und/oder für einen oder mehrere Leitschaufelkränze nachfolgender Räder, so daß man auch in den zu den nachfolgenden Rädern führenden Leitschaufelkanälen eine möglichst vollkommene Strömung erhält und Wirbel Verluste in den Leitschaufeln soweit wie möglich vermeidet. Die Reglerscheibe 10 kann auch durch einen Ring ersetzt werden, der in geeigneter Weise gelagert ist, und die Regelorgane können ganz auf der Druckseite des Turbinengehäuses angeordnet werden.

An Stelle der Verstellung der Leitschaufeln mit Hilfe eines Drehzahlreglers ist in vielen Fällen die Verwendung eines Druckreglers zweckmäßig, der die Leitschaufeln entweder in Abhängigkeit vom Druck in der Einlaßkammer der Turbine oder in Abhängigkeit vom Druck im Auslaß oder einer Anzapfleitung der Hauptmaschine verstellt. Der Druckregler kann derart ausgeführt sein, daß der Eintrittsdruck oder der Enddruck einer Hauptmaschine unverändert gehalten wird, wobei die von der Turbine abgegebene Leistung sich naturgemäß mit der zur Verfügung stehenden Dampf- oder Gasmenge ändert. Es kann auch ein Druckregler verwendet werden, der die Leitschaufeln in Abhängigkeit vom Drucke in der Auslaßleitung

einer von der Turbine getriebenen Pumpe oder eines Verdichters oder -des in einem anderen Teil einer Hauptmaschine herrschenden Druckes einstellt. Für die Verstellung der Leitschaufeln kann schließlich auch eine Handregelung vorgesehen sein, gegebenenfalls in Verbindungmit einer selbsttätigen Regelung.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Regelungsvorrichtung für Niederdruckdampf- oder. Niederdruckgasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß eines Axialturbinenrades um in der Hauptsache radiale, vorzugsweise senkrecht zur Turbinenwelle stehende Achsen drehbare und zur Regelung des dem Turbinenrad zuströmenden Arbeitsmittels dienende Leitschaufeln angeordnet sind.
2. 2. Regelungsvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die um radiale Achsen drehbaren und mit Ragelarmen (6) versehenen Leitschaufeln (3) durch ein Glied (7) mit einer Reglerscheibe (10) o. dgl. verbunden sind, welches eine am Regelarm (6) drehbar gelagerte radiale Achse und eine an der Reglerschaibe (10) o. dgl. drehbar und axial verschiebbar gelagerte axiale Achse hat.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

   USA.-Patentschriften Nr. 1 978 809, 2 037 395.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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