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Axiale Uberdruck-Dampfturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine
axial beaufschlagte Überdruck-Dampfturbine für hohe Temperaturen mit als Drehkörper
ausgebildeten, im Gehäuse mit radialer Dehnungsmöglichkeit zentriertem Träger der
Leitschaufeln und feststehenden Dichtungen. Mit den Leitschaufelträgern und den
Dichtungselementen, die in Achsebene unterteilt sind und die wie Drehkörper wirken,
wird erreicht, daß bei allen- Betriebszuständen - da auch der Läufer ein Drehkörper
ist - stets ringförmige Spalte oder Spielräume vorhanden sind, durch die der Lässigkeitsdampf
strömt, der sich der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie entzieht.
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Die Größe der Spalte wird bei der Fabrikation bestimmt und bei der
Montage nachgeprüft; sie ändert sich während des Betriebes. Handelt es sich - wie
allgemein üblich - um radiale Spalte, so sind zwei verschiedene Arten von Ursachen
für die Spaltänderungen während des Betriebes maßgebend.
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Die erste Art umfaßt die rechnungsmäßig exakt feststellbaren Änderungen
des Spaltes. Dazu gehört die Dehnung des umlaufenden Teiles unter der Einwirkung
der Fliehkraft. Diese Dehnung macht der benachbarte feststehende Teil nicht mit,
so daß die Spalte sich beim Übergang von der ruhenden zur umlaufenden Maschine um
einen kleinen, genau berechenbaren Betrag vermindern.
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Wichtiger ist die zweite Art von Einflüssen, die mit den Temperaturänderungen
während des Betriebes zusammenhängen.
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Die Temperaturen der den Spalt begrenzenden Maschinenteile sind natürlich
abhängig von den
Temperaturen des Treibmittels. Um einen Überblick
über diese zu bekommen, ist in Abb. i der Zustandsverlauf in einer Turbine für große
Gefälle im I. S.-Diagramm von M o 11 i er aufgetragen, die mit Frischdampf von ioo
atü und 5oo° betrieben wird und auf einen Kondensator arbeitet, in dem eine Luftleere
von o,o5 atü herrscht.
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Der Zustandsverlauf des Dampfes in der Maschine, die mit einfacher
Drosselregelung arbeiten soll, ist eingetragen für volle Dampfmenge, entsprechend
der Vollast, für halbe Dampfmenge, etwa der halben Last entsprechend, und für ein
Zehntel der vollen Dampfmenge, entsprechend dem Leerlaufzustand.
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Die Beschaufelung der Turbine ist in drei Teile unterteilt, und der
Dampfzustand am Anfang und am Ende dieser drei Teile kann der Abb. i entnommen werden.
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Die Ergebnisse der Untersuchung sind nun in Abb. 2 derart verwertet,
daß die Dampftemperaturen vor und hinter den drei Schaufelteilen, mit Hochdruckteil
HD, Mitteldruckteil MD und Niederdruckteil ND bezeichnet, bei wechselnder
Belastung aufgetragen sind.
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Die Belastung soll wechseln vom kalten Stillstand auf Leerlauf, auf
Halblast, auf Vollast, wieder auf halbe Last, nochmals auf volle Last, dann auf
Leerlauf und schließlich auf Stillstand.
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Der Abb.2 ist zu entnehmen, daß die großen Temperaturschwankungen
des Dampfes im Hochdruckteil derTurbine sich auf die Inbetriebsetzung, nämlich auf
den Übergang vom kalten Stillstand zum Leerlauf, beschränken. Die Schwankungen _
der Temperaturen bei Belastungsänderungen, also" bei beliebigem Wechsel zwischen
Leerlauf und Vollast, sind in diesem Turbinenteil sehr gering, etwas stärker im
Mitteldruckteil und im Niederdruckteil der Maschine.
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Das Bedürfnis nach kleinen Spaltweiten besteht nun vor allem im Hochdruckteil,
während in den übrigen Teilen mit Rücksicht auf das breitere Band des arbeitenden
Dampfstrahles größere Spaltweiten zulässig sind.
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Den starken Temperaturerhöhungen bei Inbetriebsetzung stehen im Hochdruckteil
der Maschine sehr kleine Temperaturänderungen während des Betriebes gegenüber; während
größere Temperaturerniedrigungen überhaupt nicht vorkommen, auch nach Abstellung
der Treibmittelzufuhr nicht, da in Abwesenheit dieses Wärmeträgers nur ein langsamer
Temperaturausgleich innerhalb der Maschine und mit der Außenluft möglich ist. Die
Maschine steht bereits, bevor der Hochdruckteil sich merklich abkühlt. Die Auslaufzeit
der Maschine beträgt ja nur Minuten, die Abkühlzeit aber Stunden.
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Die beiden Abb. i und 2 geben aber lediglich einen Einblick in die
Temperaturen des Treibmittels. Die vom Dampf bespülten Maschinenteile selbst stimmen
in den Temperaturen mit dem Treibmittel erst nach lang a haltendem Dauerbetrieb
mit gleichbleibender Belastung überein ünr auch nur in den Teilen, die allseitig
vom Treibmittel umspült sind. In den Übergängen von einem zum anderen -Belastungsfall
hinkt die Temperaturzu- oder -abnahme der Maschinenteile den entsprechenden Temperaturänderungen
des Treibmittels mehr oder weniger nach.
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Bleibt bei der Inbetriebsetzung, also zwischen kaltem Stillstand und
Leerlauf, während die größten Temperaturzunahmen auftreten, der feststehende Begrenzungsteil
der Spalte, nämlich der Leitschaufelträger oder der Dichtungsträger, zurück gegenüber
dem benachbarten umlaufenden Teil, so verkleinern sich die Spalte im Betrieb gegenüber
dem Montagezustand.
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Es wurde schon vorgeschlagen, dadurch auf diese Betriebsvorgänge in
günstiger Weise Einfluß zu nehmen, daß das Gehäuse mit Vorheizkammern ausgestattet
wird, die mit Frischdampf beheizt werden.
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Die Erfindung besteht aber in einer Axial-Überdruck-Turbine, bei welcher
die äußeren Spaltbegrenzer in den Schaufel- und Dichtungsteilen als Drehkörper ausgebildet,
radial dehnbar am Gehäuse zentriert, allseitig vom Dampf umspült und von kleinerer
Wandstärke und kleinerer Masse sind als die inneren Spaltbegrenzer im Bereich derselben
Radialspalte.
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Dadurch entstehen große Betriebssicherheit bei beliebig raschem Anfahren,
d. h. bei dem gefährlichsten Betriebsvorgang der Maschine, und ein hoher Wirkungsgrad,
weil kleine Spaltbreiten hergestellt und während der Beharrungszustände aufrechterhalten:
werden können, eo daß geringe Lässigkeitsverluste auftreten. Die Beherrschung der
Spaltvorgänge während des Betriebes ermöglicht es auch, die Turbine treffsicherer
herzustellen, da die Spaltweiten und damit die Abmessungen der Spaltbegrenzer einwandfrei
festgelegt werden können. Es ist ferner eine genauere Vorausberechnung des Wirkungsgrades
der Turbine möglich, da die Spaltbreite während der für die Wirtschaftlichkeit maßgebenden
Beharrungszustände bekannt ist.
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Bei denjenigen Beharrungszuständen, bei denen bisher die Unfälle durch
Streifen der umlaufenden an den feststehenden Teilen, an Dichtungen und Schaufeln
aufgetreten sind und die häufig zu Außerbetriebnahme der Maschine führten, sind
derartige Anstände nunmehr mit Sicherheit vermieden, weil bei diesen »gefährlichen«
Betriebszuständen besonders große Spalte vorhanden sind, die größer sind als die
der Fabrikation zugrunde gelegten und bei Montage gemessenen Spaltgrößen.
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Es wirken folgende Forderungen zusammen: i. Nicht nur die umlaufenden,
sondern auch die feststehenden Begrenzungskörper der Spalte müssen Rotationskörper
sein oder sich im Betrieb wie Rotationskörper verhalten.
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2. Sie müssen derart im Gehäuse zentrischelastisch gelagert sein,
daß sie widerstandslos ihre Abmessungen mit den Temperaturen ändern können.
3.
Die feststehenden Begrenzungskörper der Spalträume müssen vom Treibmittel derart
bespült werden, daß sie im Beharrungszustand die gleiche Temperatur annehmen wie
die benachbarten umlaufenden Teile.
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4.. Die Wärmedehnungszahlen der den Spalt begrenzenden Teile müssen
praktisch gleich sein.
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5. Wandstärke und Masse der feststehenden Begrenzungskörper müssen
im dichtenden Bereich kleiner sein als diejenigen der benachbarten umlaufenden Teile,
damit die feststehenden Teile bei den mit der Inbetriebnahme verbundenen Temperaturerhöhungen
den umlaufenden Teilen voreilen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abb.3 dargestellt.
Die Hauptteile der Maschine sind der Läufer z, das Gehäuse 2 mit dem Eintrittsstutzen
3 und dem Austrittsstutzen .I und der in Form eines Drehkörpers ausgebildete Leitschaufelträger
5, der wärmebeweglich in das Gehäuse 2 eingebaut ist. Das Ausführungsbeispiel geht
dabei von einer Gegendruckturbine aus, bei der also der den Abdampf stutzen q. verlassende
Dampf noch verhältnismäßig heiß ist.
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Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Leitschaufelträger 5
allseitig vom Dampf bespült ist, und zwar im Raum 6 vom Dampf der Eintrittstemperatur
des Trommelteiles und im Raum 7 vom Abdampf. Infolge der gewählten Verhältnisse
der Formen und Abmessungen des Leitschaufelträgers gegenüber dem Läufer tritt bei
einer Erwärmung eine Voreilung der feststehenden gegenüber den umlaufenden Turbinenteilen
ein, und zwar unmittelbar durch den Betriebsdampf, ohne daß es einer besonderen
Heizung bedürfte. Bei Inbetriebnahme wird der Leitschaufelträger sehr rasch warm,
er vergrößert seine Abmessungen rascher als der Laufschaufelträger, so daß sich
sämtliche radialen Spalte vergrößern und auch bei raschester Inbetriebsetzung keinerlei
Streifgefahr besteht. Das gleiche gilt bei plötzlicher Lastzunahme. Bei Lastabnahme
treten nur geringe Erniedrigungen der Temperatur des Dampfes, der den Hochdruckteil
des Leitschaufelträgers bespült, ein.