EP0296440B1

EP0296440B1 - Dampfturbine für Teillastbetrieb

Info

Publication number: EP0296440B1
Application number: EP88109355A
Authority: EP
Inventors: Jürg Dr. Bütikofer; Hans Meyer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1993-01-27
Anticipated expiration: 2008-06-13
Also published as: CH672817A5; DE3877839D1; US4881872A; EP0296440A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine, gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Bei Teilbeaufschlagung werden im Dampfturbinenbau Regelräder mit separat öffnenden Düsengruppen verwendet, weil der damit erzielbare Wirkungsgrad über den wesentlichen Leistungsbereich betrachtet besser ist als bei anderen Systemen, wobei das Regelrad bewirkt, dass Arbeit aus dem Dampf entzogen wird, dergestalt, dass die Leistungsregelung an sich optimal wirkt. Um bei den nachfolgenden Stufen Vollbeaufschlagung zu erreichen wird ein Ausgleichsraum vorgesehen, der den Uebergang von Teilbeaufschlagung auf Vollbeaufschlagung ermöglicht.
Bei Dampfturbinen der kleinen Leistungsklasse, welche durch eine kleine Dampfmenge und durch einen kleinen Rotordurchmesser charakterisiert sind, wird der Durchmesser des Regelrades grösser als der Durchmesser der nachfolgenden Stufen ausgeführt. Hierdurch gewinnt man zwischen der Austrittsebene des teilbeaufschlagten Regelrades und der Eintrittsebene der ersten vollbeaufschlagten Stufe soviel Raum, dass sich die Strömung nach dem Regelrad bis zum Eintritt in den folgenden Turbinenteil weitgehend gleichmässig über den ganzen Querschnitt des Strömungskanals verteilen kann, so dass die Verluste infolge Strömungsinhomogenitäten in den vollbeaufschlagten Stufen klein bleiben.
Indessen, bei Dampfturbinen für grössere Leistungen, welche durch grosse Dampfmengen und grossen Rotordurchmesser charakterisiert sind, ist es konstruktiv nicht möglich, ein vorgesehenes Regelrad gegenüber dem nachfolgenden vollbeaufschlagten Teil viel grösser auszuführen. Damit bleibt der Raum zwischen teilbeaufschlagtem Regelrad und nachfolgendem vollbeaufschlagtem Turbinenteil zur Vergleichmässigung der Strömung über den ganzen Umfang des Strömungskanals kleiner und Strömungsinhomogenitäten bleiben erhalten. Ein zu kleiner Radraum führt denn auch im Teillastbetrieb zu erheblichen Verlusten. Im Extremfall könnte das Regelrad mit dem gleichen Durchmesser wie die Beschaufelung der folgenden Turbinenstufe ausgeführt werden; jedoch würde dann eine besondere Ausgleichsstrecke erforderlich, z.B. in Form eines sehr grossen Axialabstandes oder einer Strömungsumkehr, was eine Verlängerung und/oder Verschlechterung der Turbine bedeutet. Nachteilig ist bei Strömungsinhomogenitäten auch, dass hierdurch die Schaufeln der dem Regelrad nachfolgenden Stufen zu schädlichen Schwingungen angeregt werden können.
In De-C-713 016 ist eine in Strömungsrichtung dem Regelrad nachgeschaltete Verteilvorrichtung ersichtlich, welche indessen eine Aufhebeung des Dralles bewirkt. Somit ist festzustellen, dass damit eine Konservierung des Orientierungssinnes des Dralles verlorengeht. Demnach muss bei dieser Konfiguration vor den Laufschaufeln ein Leitrad vorgesehen werden, das dann die fehlende Orientierung der Strömung erzeugt, bevor die Beaufschlagung der Beschaufelung der Turbine stattfindet. Damit ist es nicht möglich, den aus dem Regelrad austretenden Massenstrom mit einem deutlichen Drall zu versehen, bevor er in den Ueberströmkanal einströmt. Somit sind auch keine zusätzlichen Druckgradienten in Umfangsrichtung zu erwarten.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei im Teillast betriebenen Dampfturbinen der eingangs genannten Art eine Vergleichmässigung der Strömung beim Uebergang von Teilbeaufschlagung in der Regelstufe auf die Vollbeaufschlagung der restlichen Stufen zu bewerkstelligen.
Die Aufgabe wird primär dadurch gelöst, dass hinter dem Regelrad ein Drallgitter eingebaut wird, wobei gleichzeitig die erste Leitschaufelreihe der folgenden Beschaufelung der Turbine weggelassen wird.
Die Wirkungsweise ist so, dass das Drallgitter den aus dem Regelrad austretenden Massenstrom mit einem deutlichen Drall versieht, bevor er in den Ueberströmkanal entlassen wird. Durch den Drall erzeugt man bei Teilbeaufschlagung einen zusätzlichen Druckgradienten in Umfangsrichtung, der eine tangentiale Ausgleichsströmung schafft. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Lösung gleich gut angewendet werden kann, selbst wenn kein Durchmesserunterschied zwischen Regelrad und nachfolgender Beschaufelung besteht: Der Platzbedarf ist nicht grösser als in existierenden Regelradmaschinen, womit sich die Lösung ausgezeichnet zur Nachrüstung existierender Anlagen eignet.
Eine mögliche Variante geht dahin, dass die konventionelle, erste Leitschaufelreihe an die vom Drallgitter kommende Strömung angepasst wird, dergestalt, dass in dieser Leitreihe eine geringere Umlenkung auftritt.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Insbesondere wird dort der Einbau von Strömungsführungsteilen zwischen Drallgitter und nachfolgender Beschaufelung der Turbine beansprucht.
Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente werden in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Erfindung ist gleichermassen für Turbinen der Reaktionswie der Aktions-Bauweise anwendbar, weshalb die Ausführungsbeispiele für den einen oder anderen Typ zu verstehen sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Es zeigt:

Fig. 1: eine Grundausführung mit eingebautem Drallgitter, wobei die erste Reaktionsleitschaufelreihe bereits entfernt ist,
Fig. 2: eine weitere Ausführung, jedoch mit zusätzlichem Wirbelraum,
Fig. 3: eine weitere Ausführung mit zusätzlichem Wirbelraum und radialem Leitgitter zur Drallkorrektur,
Fig. 4: eine weitere Ausführung mit zusätzlichen Vorkehrungen zur Strömungsführung und einem Drallkorrekturgitter,
Fig. 5: eine weitere Ausführung mit mehreren teilbeaufschlagten Stufen vor dem Drallgitter,
Fig. 6: eine weitere Ausführung mit "Curtis-Stufe" vor dem Drallgitter,
Fig. 7: eine weitere Ausführung, ohne Durchmesserunterschiede zwischen Regelrad und Aktionsbeschaufelung der Turbine und
Fig. 8: ein Drallgitter, dessen Beaufschlagungsbogen an den Beaufschlagungsbogen der vorangehenden Regelstufe angepasst ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Dampfturbine ersichtlich, und zwar zeigt sie den Bereich zwischen Düse 3 / Regelrad 2 und den ersten Schaufelreihen 7, 8 der Turbine. Beim vorliegenden Regelteil ist der Durchmesser des Regelrades 2 grösser als der Durchmesser der Nabe 1 und der ersten Laufschaufelreihe 7.
Der Durchmesserunterschied muss dabei so gehalten werden, dass bei einer vom Bauaufwand her vertretbaren Länge des Ueberströmkanals 9 zwischen Regelstufe und Reaktionsstufe das Kanalvolumen zur vollständigen Homogenisierung der Strömung über den ganzen Kanalumfang ausreicht. In Strömungsrichtung ist nach dem Regelrad 2 eine Scheibe 5 vorgesehen, in welcher ein Drallgitter 4, das die kontrollierte Drallabströmung ermöglicht, eingebaut ist. Die Scheibe 5 ist im Stator 10 fixiert, und sie reicht in ihrer Radialebene bis zum Aussendurchmesser der Nabe 1. Dort sind Dichtungen 6 vorgesehen, welche eine Leckströmung zwischen dem Regelrad 2 und der Scheibe 5, minimieren. Von der Wirkungsweise her betrachtet ist zu sagen, dass das Drallgitter 4 die aus dem Regelrad 2 austretenden Teilströme mit deutlichem Drall versieht und danach in den Ueberströmkanal 9 entlässt. Hier geschieht auch die Vergleichmässigung der Strömung. Durch den so bewirkten Strömungsausgleich werden die dynamischen Anregungskräfte auf die folgenden Schaufeln, insbesondere auf die erste Laufschaufelreihe 7, minimiert. Es ist vorteilhaft, wenn die erste Leitschaufelreihe, wie in Fig. 1 gezeigt ist, weggelassen wird, da die Auslegung des Drallgitters 4 und die zusätzliche Drallerhöhung durch die Strömungsführung im vorgegebenen Ueberströmkanal 9 vorzugsweise so geschieht, dass eine günstige Zuströmung zur ersten Laufreihe erreicht wird. Durch den Einbau vorliegenden Drallgitters 4 wird der Platzbedarf nicht grösser als in existierenden Regelradmaschinen, wodurch sich die Lösung ausgezeichnet zur Nachrüstung existierender Anlagen eignet.
Fig. 2 unterscheidet sich zu Fig. 1 lediglich in der Ausbildung des Ueberströmkanals 9. Während in Fig. 1 der Ueberströmkanal 9 eine direkte Linienführung zu den Schaufelreihen beschreibt, weist der Ueberströmkanal gemäss Fig. 2 einen zusätzlichen Wirbelraum 11 auf, der sich unmittelbar nach dem Drallgitter 4 in den Stator 10 buchtförmig ausweitet. Dieser Wirbelraum 11 ist ein zusätzlicher Ausgleichsraum, in welchem die Strömung in Richtung Laufschaufeln 7 umgelenkt wird.
Fig. 3 weist gegenüber Fig. 2 eine zusätzliche Massnahme auf, welche wiederum den erwähnten Zweck verfolgt, die Laufschaufeln 7 mit einer optimierten Strömung zu beaufschlagen. Unmittelbar nach dem Wirbelraum 11 wird ein radiales Leitgitter 12 vorgesehen, das eine allfällige Drallkorrektur der Strömung ermöglicht. Dieses Leitgitter 12 ist zwischen Stator 10 und Scheibe 5 montiert.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante zur Optimierung der Drallwirkung ab Ausgang des Drallgitters 4. Da sind einmal die Strömungsführungen 13 und 14, welche die Strömung im Ueberströmkanal 9 auch platzmässig kanalisieren. Eine erste Führung 13 zwingt die Strömung ab Drallgitter 4 sofort den Ueberströmkanal 9 zu durchströmen. Eine weitere Führung 14 verläuft ebenfalls ab Drallgitter 4 in Strömungsrichtung parallel zur Wand des Ueberströmkanals 9. Endseitig ist die Strömungsführung 14 auslaufend im Sinne einer Uebergangshilfe für die Richtungsänderung der Strömung ausgebildet. Ein Drallkorrekturgitter 15 kann unmittelbar vor der ersten Laufschaufelreihe 7 vorgesehen werden.
Die in Fig. 5 ersichtliche Lösung entspricht derjenigen aus Fig. 1 mit dem Unterschied, dass nunmehr zwei oder mehrere teilbeaufschlagte Stufen 16 vor dem Drallgitter 4 wirken. Zwischen den teilbeaufschlagten Laufrädern 16 ist jeweils ein teilbeaufschlagtes Leitgitter 17 vorgesehen. Eine solche Lösung eignet sich vorzüglich für Beaufschlagungen mit sehr kleinen Eintrittsvolumenströmen, womit Teilbeaufschlagung über mehrere Stufen geschaffen werden kann, mit anschliessendem Ausgleich über den ganzen Umfang.
In diesem Zusammenhang muss auch die Ausführung gemäss Fig. 6 angesehen werden. Unterschiedlich zu der vorangegangenen Figur ist lediglich die stromaufwärts des Drallgitters 4 gewählte Schaltung: Hier handelt es sich um eine "Curtis-Stufe" 18, 19. Ueber die technische Umschreibung der "Curtis-Stufe" 18, 19 wird unter anderem auf A. Stodola, Dampf- und Gasturbinen, 5. Auflage, Berlin 1922, S. 496 ff. und W. Traupel, Thermische Turbomaschinen, Bd. 1, 3. Auflage, Berlin 1977, S. 152 ff., verwiesen.
Fig. 7 zeigt eine andere Bauart, bei welcher die verwendeten Aktionsräder 20, 21, 22 der Turbine keinen Durchmesserunterschied gegenüber der stromaufwärts gelegenen Regelungsstufe 2, 3 aufweisen. Der Zwischenraum 23 ist so dimensioniert, dass die vom Drallgitter 4 erzeugte Drallströmung bis zur Beaufschlagung der vollbeaufschlagten Aktionsreihe 20, 21, 22 nicht unzulässig reduziert wird.
Fig. 8 zeigt die Scheibe 5 und das Drallgitter 4 in einer Axialansicht. Das aktiv wirkende Drallgitter 4 ist auf eine Beaufschlagungsbogenzone 24 reduziert, womit diese in Uebereinstimmung mit dem Düsengitter der Regelstufe wirkt. Der übrige Umfang ist glatt und dient als zusätzlicher Ventilationsschutz. Das Winkelmass des Beaufschlagungsbogens 24 ergibt sich aus dem Beaufschlagungsbogen des Düsengitters 4. Diese Ausführung ist für kleine Massenströme vorgesehen, bei denen nicht der gesamte Umfang der Scheibe 5 benötigt wird.

Claims

Dampfturbine, die im Teillastbetrieb mit einer Düsengruppenregelung betreibbar ist, mit einer in Strömungsrichtung nachgeschalteten Verteilvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilvorrichtung ein dem Regelrad (2) in Strömungsrichtung nachgeschaltetes Drallgitter (4) ist, mit welchem eine Drallerhöhung der Strömung erzeugbar ist, und dass die Beschaufelung der dem Drallgitter (4) in Strömungsrichtung nachgeschalteten Turbine mit einer Laufschaufelreihe (7, 20) beginnt.
Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ueberströmkanal (9) zwischen Drallgitter (4) und Laufschaufelreihe (7, 20) ein Wirbelraum (11) vorgesehen ist.
Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ueberströmkanal (9) Strömungshilfen (12, 13, 14, 15) zur Konservierung des vom Drallgitter (4) erzeugten Dralls vorgesehen ist.
Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drallgitter (4) eine Curtis-Stufe (18, 19) vorgeschaltet ist.
Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung der Turbine eine Reaktionsbeschaufelung (7) oder eine Aktionsbeschaufelung (20) ist.