EP0493627A1 - Vorrichtung zum Regulieren des durchströmten Querschnitts einer Turbomaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Regulieren des durchströmten Querschnitts einer Turbomaschine Download PDF

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EP0493627A1
EP0493627A1 EP90125802A EP90125802A EP0493627A1 EP 0493627 A1 EP0493627 A1 EP 0493627A1 EP 90125802 A EP90125802 A EP 90125802A EP 90125802 A EP90125802 A EP 90125802A EP 0493627 A1 EP0493627 A1 EP 0493627A1
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EP
European Patent Office
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pin
guide
blade
turbomachine
turbine
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Withdrawn
Application number
EP90125802A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Boss
Ueli Wieland
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/167—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes of vanes moving in translation

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating the free cross section in the diffuser of axially flowed through turbomachines, in particular extraction steam turbines.
  • Such devices are usually used in steam extraction turbines. They allow a variable steam mass flow to be branched out of the turbine, for example for process purposes.
  • controlled withdrawals are known in which the entire mass flow after flowing through a turbine part is led out of the turbine, regulated and then reintroduced into the subsequent sub-turbine.
  • overflow control valves are flanged onto the turbine housing, with which the steam quantity flowing into the subsequent turbine part is controlled and the removal pressure is thereby kept constant.
  • the guide vanes can be rotated about their own longitudinal axis in order to reduce the cross section.
  • the fulcrum can lie on the front edge of the blade, within the blade profile or on the rear edge of the blade.
  • the cross-section through which the flow passes can be completely blocked on the occasion of an adjustment.
  • the aerodynamically important blade geometry is also retained.
  • the inflow and outflow of the guide vanes are changed to a greater or lesser extent, which impairs the operation of at least the immediately following rotor blades.
  • the invention tries to avoid these disadvantages. It is the object of the invention to create an adjusting device with which the inflow conditions to the guide apparatus remain unchanged and the outflow conditions are only moderately influenced by the guide apparatus.
  • this is achieved in that a pin penetrating the blade carrier of the turbomachine can be inserted radially from the blade root of the guide blade to the blade tip opposite the rotor of the turbomachine between each two adjacent blade blades of the guide blades of the first stage.
  • the system does not show, for example, the inlet elements, ie the quick-closing and regulating valves, the bearings and their bearing housings, the various taps, the exhaust part, etc.
  • the direction of flow of the working fluid is indicated by arrows.
  • the double extraction turbine shown in FIG. 1 is a single-shaft, 3-part turbine with controlled withdrawals 1 and 2 for process steam, for example, as is used to drive a generator (not shown) or for a mechanical drive. It consists of a high-pressure turbine 3 in the back-pressure type, a medium-pressure turbine 3 'also in the back-pressure type and a low-pressure turbine 3' 'in the condensation type. The latter is necessary to compensate for the fluctuations in the power requirement of the company if, for example, in addition to the two regulated steam pressures in taps 1 and 2, the frequency also has to be maintained.
  • the rotor blades of the three turbine parts are arranged on a common rotor 4.
  • the blade carriers 6, 6 ', 6'' are suspended in the largely cylindrical turbine housing 5 so that they can be moved by heat.
  • This control stage blading usually works according to the constant pressure principle and is carried out in one stage in the case shown.
  • the steam then flows through the reaction blading of the high-pressure turbine 3 'and reaches the high-pressure exhaust steam 9.
  • the steam to be expanded remains within the turbine housing.
  • the steam not removed in FIG. 1 flows through the medium-pressure turbine 3 ′ and reaches the medium-pressure exhaust steam 10.
  • the steam not removed in FIG. 2 flows through the low-pressure turbine 3 ′′. From the outlet, the steam arrives in the exhaust steam housing, not shown, and from there into a condenser, on the cooled pipes of which the now relaxed steam is deposited.
  • the new regulating device which regulates the respective extraction pressure and thus the extraction steam quantity downstream of a steam extraction via an intervention in the subsequent guide apparatus, can be used both on the medium-pressure turbine 3 'and on the low-pressure turbine 3' 'according to the dash-dotted line.
  • the medium pressure turbine 3 ' is partially shown in longitudinal section.
  • rotor 4 and blade carrier 6 ' are not hatched.
  • the blades 11a and 11b of the first two stages, which are used in the rotor 4, and the guide blades 12a, 12b and 12c of the first three stages, which are arranged in the blade carrier 6 ', are shown from the blading, the profiles of which are cylindrical throughout from the foot to the head.
  • the actual control device now consists of a number of pins 13 which can be inserted radially into the flow channel, specifically in the plane of the first guide row 12a.
  • the number of pins corresponds to the number of guide vanes.
  • Each pin is guided within a bush 14 seated in the blade carrier. This bush penetrates from the outside of the blade carrier and extends into the blade root 15.
  • the pin is cylindrical in its upper guide part.
  • the part that is intended to be introduced into the flow-through channel is tapered. This taper corresponds to the different distance between two adjacent blade profiles above the channel height.
  • this faning is shown to the extent that the simply hatched profiles represent the blade position and the fully inserted pin at the level of the blade root 15, while the cross-hatched parts represent the corresponding positions on the blade tips facing the rotor.
  • the pin 13 fully retracted in the flow channel blocks the narrowest cross section between two adjacent blades. Since the profiles are cylindrical, this narrowest cross section is on a radial and is usually found in the area of the pressure-side trailing edge of the blades.
  • the radial movement of the pins is carried out by means of an overall drive.
  • a turntable 17 centered and supported on the blade carrier 6 'by means of three cams 16 (FIG. 4) is provided with guide grooves 18.
  • guide grooves In these guide grooves, the number of which corresponds to that of the pins, two locating pins 19 engage per pin, which are fastened to the pin in a suitable manner.
  • the guide grooves are segments of an Archimedean spiral and extend from the outside diameter of the rotating ring to its inside diameter (Fig. 4).
  • the guide grooves have the same distance from one another in the direction of the center axis of rotation in order to ensure a problem-free movement of the locating bolts.
  • a retaining ring 20 is provided which is fastened to the blade carrier and provided with radial slots (not shown), the locating bolts 19 running in these slots.
  • the drive of the turntable 17 is shown in Fig.4. In this illustration, the retaining ring has been omitted for reasons of clarity.
  • the drive is flanged to the outside of the turbine housing 5 and essentially consists of two hydraulically adjustable servomotors 21 with extending and retracting pistons.
  • the opposing pistons are each connected via a linkage 22 to a pin 23 arranged on the turntable. Since, on the occasion of the piston movement and the associated rotational movement of the plate, the pins 23 also execute a slight radial movement take appropriate precautions at one or the other connection point of the linkage 22.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment described and shown. In deviation from the solution shown, it is just as possible to provide individual drives for the plurality of pins instead of the overall drive. Furthermore, the guide grooves can also have a circular arc shape instead of a spiral shape. Finally, the invention can also be used for guide vanes which are provided with cover strips or cover plates at the tip of the blade. With such blades, the fully retracted sift can be given additional guidance in the cover plate, which can have a favorable effect on the absorption of forces. Contrary to the illustration in FIG. 3, the diameter of the pins can also be selected such that, in the retracted state, a residual gap between the pin and the blades remains, which guarantees cooling of the blades downstream of the pins during operation.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Regulieren des freien Querschnitts im Leitapparat von Entnahmedampfturbinen sind zwischen je zwei benachbarten Schaufelblättern der Leitschaufeln (12a) der ersten Stufe Stifte (13) radial vom Schaufelfuss (15) der Leitschaufel bis zur dem Rotor (4) der Turbomaschine gegenüberliegenden Schaufelspitze einführbar, znd zwar im engsten Querschnitt zwischen zwei Leitschaufeln (12a). <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regulieren des freien Querschnitts im Leitapparat von axial durchströmten Turbomaschinen, insbesondere von Entnahmedampfturbinen.
    • Stand der Technik
  • Derartige Vorrichtungen gelangen üblicherweise bei Dampf-Entnahmeturbinen zur Anwendung. Sie gestatten das Abzweigen eines variablen Dampfmassenstromes, beispielsweise zu Prozesszwecken, aus der Turbine. Bei konventionellen, axial durchströmten Dampfturbinen sind solche geregelte Entnahmen bekannt, bei welchen der ganze Massenstrom nach Durchströmen eines Turbinenteils aus der Turbine herausgeleitet, geregelt und anschliessend wieder in die nachfolgende Teilturbine eingeführt wird. Für jede intern geregelte Entnahme sind mehrere nacheinander öffnende Überström-Stellventile am Turbinengehäuse angeflanscht, mit denen die in den anschliessenden Turbinenteil strömende Dampfmenge gesteuert und dadurch der Entnahmedruck konstant gehalten wird.
  • Vorrichtungen der eingangs genannten Art, bei welcher der freie durchströmte Querschnitt im Leitapparat zur Regulierung des Dampfmassenstromes verändert wird, sind ebenfalls in Form von verstellbaren Leitschaufeln bekannt. Dabei können beispielsweise die Leitschaufeln um ihre eigene Längsachse gedreht werden, um den Querschnitt zu reduzieren. Dabei kann der Drehpunkt an der Schaufelvorderkante, innerhalb des Schaufelprofils oder an der Schaufelhinterkante liegen. Bei all diesen Varianten kann anlässlich einer Verstellung der durchströmte Querschnitt vollständig versperrt werden. Auch die strömungstechnisch wichtige Schaufelgeometrie bleibt erhalten. Jedoch wird bei diesen Lösungen die Zuströmung und die Abströmung der Leitschaufeln mehr oder weniger stark verändert, was die Arbeitsweise zumindest der direkt nachfolgenden Laufschaufeln beeinträchtigt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung zu schaffen, mit welcher die Zuströmbedingungen zum Leitapparat unverändert bleiben und die Abströmbedingungen vom Leitapparat nur mässig beeinflusst werden.
  • Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwischen je zwei benachbarten Schaufelblättern der Leitschaufeln der ersten Stufe ein den Schaufelträger der Turbomaschine durchdringender Stift radial vom Schaufelfuss der Leitschaufel bis zur dem Rotor der Turbomaschine gegenüberliegenden Schaufelspitze einführbar ist.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem dain zu sehen, dass die Verengung des Strömungskanals über die Höhe erfolgt. Dies bedeutet unter anderm. dass der nicht versperrte Teil der Schaufelprofile keine aerodynamische Verschlechterung erfährt. Desweiteren erfolgt eine Aufteilung der vorherrschenden Druckkräfte auf die Schaufeln und die Stifte. Schliesslich treten grundsätzlich keine unbekannten Festigkeitsprobleme auf, da die Leitschaufeln selbst immobil bleiben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Dampfturbine dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig.1
    einen schematischen Längsschnitt durch eine Doppelentnahmeturbine;
    Fig.2
    einen Teillängsschnitt durch eine stromabwärts einer Entnahme liegenden Teilturbine;
    Fig.3
    die teilweise Abwicklung eines Zylinderschnittes auf dem Durchmesser des Leitschaufelfusses;
    Fig.4
    einen Querschnitt durch die Turbine in der Ebene der ersten Leitreihe gemäss Linie 3-3 in Fig.2.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Einlassorgane, d.h. die Schnellschluss- und Regelventile, die Lager mitsamt ihren Lagergehäusen, die diversen Anzapfungen, der Abdampfteil usw. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Bei der in Fig 1. dargestellten Doppelentnahmeturbine handelt es sich um eine einwellige 3-teilige Turbine mit geregelten Entnahmen 1 und 2 für beispielsweise Prozessdampf, wie sie zum Antrieb für einen nicht gezeigten Generator oder für einen mechanischen Antrieb Anwendung findet. Sie besteht aus einer Hochdruckturbine 3 in Gegendruckbauart, einer Mitteldruckturbine 3' ebenfalls in Gegendruckbauart und einer Niederdruckturbine 3'' in Kondensationsbauart. Letztere ist zum Ausgleich der Schwankungen im Leistungsbedarf des Betriebes erforderlich, wenn beispielsweise ausser den beiden geregelten Dampfdrücken in den Entnahmen 1 und 2 auch noch die Frequenz gehalten werden muss.
  • Die Laufbeschauflungen der drei Teilturbinen sind auf einem gemeinsamen Rotor 4 angeordnet. Im weitgehend zylindrischen Turbinengehäuse 5 sind die Schaufelträger 6, 6', 6'' wärmebeweglich eingehängt. Ueber einen nicht gezeigten Ventilgehäuseblock, welcher am Turbinengehäuse 5 angeflanscht ist, strömt der Frischdampf in den Düsenkasten 7 der Hochdruckturbine 3 ein, von wo er die Regelstufenbeschauflung des Regelrades 8 beaufschlagt. Diese Regelstufenbeschauflung arbeitet üblicherweise nach dem Gleichdruckprinzip und ist im gezeigten Fall einstufig ausgeführt. Der Dampf durchströmt anschliessend die Reaktionsbeschaufelung der Hochdruckturbine 3' und gelangt in den Hochdruckabdampf 9. Im Gegensatz zur eingangs erwähnten Lösung mit Überström-Stellventilen verbleibt der weiter zu entspannende Dampf innerhalb des Turbinengehäuses. Der nicht in 1 entnommene Dampf durchströmt die Mitteldruckturbine 3'und gelangt in den Mitteldruckabdampf 10. Der nicht in 2 entnommene Dampf durchströmt die Niederdruckturbine 3''. Aus derem Austritt gelangt der Dampf in das nicht gezeigte Abdampfgehäuse und von dort in einen Kondensator, an dessen gekühlten Rohren der nunmehr entspannte Dampf niedergeschlagen wird.
  • Soweit sind Doppelentnahme-Kondensationsturbinen bekannt. Die neue Regulierungsvorrichtung, welche stromabwärts einer Dampfentnahme über einen Eingriff im anschliessenden Leitapparat den jeweiligen Entnahmedruck und damit die Entnahmedampfmenge regelt, kann gemäss strichpunktierter Linie sowohl an der Mitteldruckturbine 3' als auch an der Niederdruckturbine 3'' angewendet werden.
  • In Fig.2 ist die Mitteldruckturbine 3' teilweise im Längsschnitt dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind Rotor 4 und Schaufelträger 6' nicht schraffiert. Von der Beschaufelung, deren Profile vom Fuss bis zum Kopf durchwegs zylindrisch ausgebildet sind, sind die im Rotor 4 eingesetzten Laufschaufeln 11a und 11b der ersten beiden Stufen sowie die im Schaufelträger 6' angeordneten Leitschaufeln 12a, 12b und 12c der drei ersten Stufen gezeigt.
  • Die eigentliche Regelvorrichtung besteht nunmehr aus einer Anzahl von Stiften 13, die radial in den Strömungskanal einführbar sind und zwar in der Ebene der ersten Leitreihe 12a. Die Anzahl Stifte entspricht dabei der Anzahl Leitschaufeln. Jeder Stift ist innerhalb einer im Schaufelträger sitzenden Büchse 14 geführt. Diese Büchse durchdringt den Schaufelträger von seiner Aussenseite her und reicht bis in den Schaufelfuss 15. In seinem oberen Führungsteil ist der Stift zylindrisch ausgebildet. Jener Teil, der zur Einführung in den durchströmten Kanal bestimmt ist, ist konisch verjüngt. Diese Verjüngung entspricht dabei dem unterschiedlichen Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufelprofilen über der Kanalhöhe. In der Abwicklung in Fig.3 ist diese Fächerung dahingehend dargestellt, als die einfach schraffierten Profile die Schaufelstellung und den voll eingeführten Stift in Höhe des Schaufelfusses 15 darstellen, während die kreuzschraffierten Partien die entsprechenden Stellungen an den dem Rotor zugewandten Schaufelspitzen darstellen. Der voll im Strömungskanal eingefahrene Stift 13 versperrt jeweils den engsten Querschnitt zwischen zwei benachbarten Schaufeln. Da die Profile zylindrisch ausgebildet sind, befindet sich dieser engste Querschnitt auf einer Radialen und findet sich in der Regel im Bereich der druckseitigen Hinterkante der Schaufeln.
  • Die radiale Bewegung der Stifte wird mittels eines Gesamtantriebes vollzogen. Hierzu wird das Prinzip des an sich bekannten Backenfutterantriebes in gehöriger Abwandlung angewendet. Ein mittels drei Nocken 16 (Fig.4) am Schaufelträger 6' zentrierter und gelagerter Drehteller 17 ist mit Führungsnuten 18 versehen. In diese Führungsnuten, deren Anzahl jener der Stifte entspricht, greifen pro Stift zwei Aufnahmebolzen 19 ein, welche auf geeignete Art am Stift befestigt sind. Die Führungsnuten sind Segmente einer archimedischen Spirale und erstrecken sich vom Aussendurchmesser des Drehringes bis zu dessen Innendurchmesser (Fig.4). Die Führungsnuten haben in Richtung Drehmittelachse den gleichen Abstand zueinander, um einen problemlosen Bewegungsablauf der Aufnahmebolzen zu gewährleisten. Durch Drehung des Drehtellers wird somit das Antriebsdrehmoment in eine vektoriell gerichtete geradlinige Bewegung umgewandelt, und die Antriebskraft wird auf die einzuführenden Stifte übertragen. Um die radiale Führung der Stifte weiter zu verbessern, ist ein am Schaufelträger befestiger, mit Radialschlitzen (nicht dargestellt) versehener Haltering 20 vorgesehen, wobei die Aufnahmebolzen 19 in diesen Schlitzen laufen.
  • Der Antrieb des Drehtellers 17 ist in Fig.4 gezeigt. Bei dieser Darstellung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit der Haltering weggelassen. Der Antrieb ist aussen an das Turbinengehäuse 5 angeflanscht und besteht im wesentlichen aus zwei hydraulisch regulierbaren Stellmotoren 21 mit aus- und einfahrenden Kolben. Die gegenläufigen Kolben sind jeweils über ein Gestänge 22 mit einem am Drehteller angeordneten Zapfen 23 verbunden. Da anlässlich der Kolbenbewegung und der damit verbundenen Drehbewegung des Tellers die Zapfen 23 auch eine geringe radiale Bewegung ausführen, sind entsprechende Vorkehrungen an der einen oder andern Verbindungsstelle des Gestänges 22 zu treffen.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene und gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abweichung zur dargestellten Lösung ist es genau so gut möglich, statt des Gesamtantriebes Einzelantriebe für die Mehrzahl von Stiften vorzusehen. Desweiteren können die Führungsnuten statt einer Spiralenform auch Kreisbogenform aufweisen. Schliesslich kann die Erfindung auch Anwendung finden bei Leitschaufeln, die an der Schaufelspitze mit Deckbändern oder Deckplatten versehen sind. Der voll eingefahrene Sift kann bei solchen Schaufeln eine zusätzliche Führung in der Deckplatte erhalten, was sich günstig auf die Kräfteaufnahme auswirken kann. Entgegen der Darstellung in Fig.3 kann der Durchmesser der Stifte auch so gewählt werden, dass im eingefahreren Zustand ein durchströmter Restspalt zwischen Stift und Schaufelblättern bestehen bleibt, der während des Betriebes die Kühlung der Beschaufelung stromabwärts der Stifte garantiert.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Regulieren des freien Querschnitts im Leitapparat von axial durchströmten Turbomaschinen, insbesondere von Entnahmedampfturbinen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen je zwei benachbarten Schaufelblättern der Leitschaufeln (12a) der ersten Stufe ein den Schaufelträger (6',6'') der Turbomaschine durchdringender Stift (13) radial vom Schaufelfuss (15) der Leitschaufel bis zur dem Rotor (4) der Turbomaschine gegenüberliegenden Schaufelspitze einführbar ist.
  2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (13) im engsten Querschnitt zwischen zwei Leitschaufeln (12a) einführbar ist.
  3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (13) konisch ausgebildet ist entsprechend der Fächerung der Leitschaufeln (12a) in der Radialebene des Stiftes.
  4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Vorschubbewegung des Stiftes (13) über einen mit Führungsnuten (18) versehenen Drehteller (17) vorgenommen wird, wobei mindestens ein mit dem Stift (13) verbundener Aufnahmebolzen (19) in die vorzugsweise spiralförmig im Drehteller verlaufenden Nuten eingreift.
EP90125802A 1990-12-29 1990-12-29 Vorrichtung zum Regulieren des durchströmten Querschnitts einer Turbomaschine Withdrawn EP0493627A1 (de)

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