EP2128386A2 - Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle der Tropfengröße und zugehörige Dampfturbine - Google Patents

Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle der Tropfengröße und zugehörige Dampfturbine Download PDF

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EP2128386A2
EP2128386A2 EP09161199A EP09161199A EP2128386A2 EP 2128386 A2 EP2128386 A2 EP 2128386A2 EP 09161199 A EP09161199 A EP 09161199A EP 09161199 A EP09161199 A EP 09161199A EP 2128386 A2 EP2128386 A2 EP 2128386A2
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EP
European Patent Office
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steam turbine
vanes
steam
drop
guide vanes
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EP2128386B1 (de
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Thomas Hammer
Tetsuo Kishimoto
Norbert Sürken
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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the drop impact erosion in steam turbines by controlling the droplet size, where formed by condensation in the vapor flow primary droplets of water, which are partially deposited on the vanes and continue to and behind the vanes secondary drops, which is a considerably larger Have volume as the primary drops.
  • the invention relates to a steam turbine with an auxiliary device for carrying out this method.
  • This water film flows - driven by the vapor flow - to the trailing edges of the vanes and tears off there in the form of drops, which are substantially larger than the primary droplets formed primarily by condensation in the vapor volume. Because these secondary drops have a high mass compared to the primary drops, they can follow the steam flow only to a limited extent because of their inertia and therefore collide with high relative speeds on the rotor blades rotating downstream of the vane. In doing so, they sometimes cause high damage through drop impact erosion.
  • the first category falls both measures for the discharge of water through channel-like structures to the outside (suction slots / Absauggebohrungen) as well as measures for the evaporation of the water films by heating the vanes from the inside.
  • the second category includes measures to control the condensation in the vapor volume, which results in the formation of a higher number of smaller droplets that can better follow the flow and therefore do not deposit on the vanes so quickly.
  • the third category includes measures that modify the surface properties of vanes as well as measures that promote atomization by targeted vapor ejection in the area of the trailing edge of the vane.
  • Measures to control volume condensation can be a major source of water film formation on vanes influence, namely the volume condensation. Part of the finest droplets thus formed can still accumulate on the vanes. The surface condensation as a second source of water on the turbine blades can not be prevented by a measure of the second category.
  • the heating of the guide vanes requires, in addition to the use of small amounts of higher-energy heating steam increased equipment complexity, which can significantly increase the cost of the product steam turbine despite proven high efficiency.
  • the size of the secondary drops either at the drop break on the Greatly reduce the trailing edge of the vanes, or at least accelerate the destruction of large secondary drops before they reach the next row of turbine blades.
  • This is inventively achieved in that electrical fields are generated on the vanes, which lead due to the electrostatic forces for premature demolition of the water droplets and thus reduced secondary droplet sizes. Since the electric fields also exert dipole forces on the droplets in the volume, which increase with increasing droplet diameter, secondary droplets in the vapor volume can be comminuted with suitable electric fields.
  • the electric fields are generated by applying electrical voltages to suitable electrode structures in the steam turbine.
  • the electrodes are formed by the turbine blades themselves by moving blades and vanes to different electrical potentials.
  • the complete rotor is suspended in isolation and subjected to high voltage while the guide vanes and the turbine housing are grounded.
  • the rotor can be grounded, while the vanes are used isolated and subjected to high voltage.
  • the proposed measures according to the invention are characterized by low energy consumption, because hardly any electrical power has to be provided for the generation of electric fields.
  • a significant electric current that would lead to the dissipation of electrical energy, does not flow under the conditions prevailing in steam turbines - namely extremely pure steam to prevent corrosion.
  • the energy requirement can be estimated roughly by the difference of the surface energies, which become coarser during comminution results in finer droplets.
  • the droplet size can be determined according to the invention by the amplitude of the electric field, i. for a given electrode geometry by the electrical voltages used, control.
  • the force that leads to the destruction of the water drops also requires no electrical charge of the drops, z. B. by ionization or addition of ion-forming materials.
  • the reason for this is that water is dipole-polarizable, i. an electric field induces a dipole moment to which the electric field in turn exerts a force that causes the droplet to elongate until it finally becomes unstable and decays because the surface tension is no longer sufficient due to the strong curvature of the surface, to hold the drop together.
  • a voltage of fixed frequency can be applied to the electrode system. This causes the vibration of droplets, as they reach a certain size, to resonate with the electric field. This very quickly leads to extreme deformation of the drops, which leads to decay.
  • the frequency of the electric field can be cyclically varied within a certain range. As a result, a certain range of sizes of drops is crushed.
  • the high voltage can be applied to the rotor blades by passing the rotor axis in isolation through the outer casing of the steam turbine.
  • the disadvantage of this arrangement is that on the one hand the rotor must be electrically isolated from the generator, on the other hand, the high voltage must be supplied to a rotating part safely and smoothly.
  • the preferred solution is therefore to ground the rotor with blades and instead to apply high voltage to the vanes. Since the housing of the steam turbine should be largely grounded for safety reasons, various arrangements are proposed for this purpose.
  • individual vanes are used in isolation in the housing of the steam turbine.
  • a plurality of guide vanes can be acted upon in parallel with the same voltage.
  • this embodiment also allows the control of adjacent vanes with different voltages. So z. B. worked with multi-phase power supply which reduces the emission of electromagnetic waves to the outside. In addition, this results in a further reduction of the electrical capacity of the structure.
  • regions may be isolated from the remainder of the respective vane and provided with an electrical feedthrough to the outside. In this way can be z. B. avoid electrical insulation problems of the vanes against the rotor, without causing any significant loss of efficiency.
  • a region which is preferably subjected to high voltage may, for this purpose, lie in the region of the trailing edge of the guide blade that lies further outward.
  • the applied high voltage does not exceed a critical value at which the formation of electrical gas discharges would occur.
  • the amplitude of the voltage on a guide vane is controlled so that the so-called reduced electric field, that is the quotient of electric field strength and number density of the vapor molecules, does not locally exceed 80 ⁇ 10 21 Vm 2 .
  • FIGS. 1 to 3 1 means a steam turbine, of which only one part is shown.
  • Arrangements with more rows of blades are also conceivable.
  • the influx of steam takes place.
  • the vapor stream is directed into the assembly of stator 4 and rotor 2 with the blades 3, 3 ', 3 ", which causes the rotor to rotate via the conversion of flow energy to mechanical energy, thereby operating a mechanically connected generator and electrical power be generated.
  • a saturation line S (also: dew line) is drawn, after which the steam is present in the thermodynamic equilibrium partly in liquid, partly in gaseous state.
  • the rotor 2 has an electrically insulating bushing 13 and a subsequent slip ring 14, via which an AC voltage source 15 is connected, which supplies an AC voltage U (t).
  • stator vanes 5 are electrically insulated from the stator 2 or housing and form a separately insulated component 10 which is connected to the voltage source 15 for the alternating voltage U (t) .
  • the rotor 2 is earthed in this case thus the same effect as in FIG. 1 ,
  • FIG. 2 In another modification of FIG. 2 be according to FIG. 3
  • an insulating layer 11 and electrically insulated thereon an electrode 12 is applied to the trailing edge of one of the guide vanes 5, 5 ', 5 "applied to the voltage source 15 for the AC voltage U (t)
  • the structure and the electrical connection largely correspond to the FIG. 2
  • the use of alternating voltages is typically carried out at frequencies of 100 Hz to 100 kHz.
  • the range is preferably between 1 kHz and 10 kHz, because it leads particularly efficiently to the destruction of drops with diameters in the range of a few 0.1 mm.
  • the time required for the destruction of the droplets is reduced by a factor of 10-20 compared to DC voltage, and the voltage amplitude can be reduced by a factor of 5.
  • FIG. 4 In the FIG. 4 is a single vane of a turbine designated 50, which has a conventional convex-concave profile profile. At the trailing edge of the vane 50, which acts as a tear-off edge for liquid water, an electrode 52 is attached via an insulator 51. To the electrode 52, the electrical voltage from the voltage source 15 according to the Figures 2 and 3 created. It is thus the arrangement after FIG. 3 realized.

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Abstract

Bei Dampfturbinen bilden sich durch die Kondensation in der Dampfströmung Primärtropfen von Wasser, die sich teilweise an den Leitschaufeln ablagern. Weiterhin entstehen an und hinter den Leitschaufeln Sekundärtropfen, die ein erheblich größeres Volumen als die Primärtropfen haben. Gemäß der Erfindung wird durch elektrische Felder an den Leitschaufeln die Größe der Sekundärtropfen beim Tropfenabriss an der Hinterkante der Leitschaufeln zumindest reduziert, wobei aufgrund der elektrostatischen Kräfte es zu einem vorzeitigen Abriss der Wassertropfen und damit zu einer reduzierten Sekundärtropfengröße kommt. Bei der zugehörigen Dampfturbine, die Leitschaufeln einerseits und nachfolgende Laufschaufel andererseits aufweist, werden durch die Turbinenschaufeln Elektroden gebildet, indem Lauf- und Leitschaufeln auf unterschiedliches elektrisches Potential legbar sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle der Tropfengröße, bei denen durch Kondensation in der Dampfströmung Primärtropfen von Wasser entstehen, die sich teilweise an den Leitschaufeln ablagern und weiterhin an und hinter den Leitschaufeln Sekundärtropfen, die ein erheblich größeres Volumen als die Primärtropfen haben. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Dampfturbine mit einer Hilfseinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Bei Dampfturbinen wird insbesondere im Wasserdampf enthaltene Energie in mechanische Energie umgewandelt und damit ein elektrischer Generator oder auch eine Arbeitsmaschine angetrieben. Um die im Dampf gespeicherte Wärme so weit wie möglich für die Umwandlung in mechanische Energie nutzen zu können, werden Niederdruck-Dampfturbinen so betrieben, dass die Kondensation des Wasserdampfes bereits in der Turbine einsetzt und so am Austritt ein stark expandierter Dampf mit typisch 10-16 % Nässe vorliegt. Ein Teil dieses Kondensats führt zur Bildung eines Wasserfilms auf den Turbinenschaufeln der Stufen, die stromab der einsetzenden Kondensation liegen. Da die Laufschaufeln und der ggf. auf ihnen befindliche Wasserfilm rotationsbedingt erheblichen Fliehkräften ausgesetzt sind, findet eine Wasseransammlung nur auf den Leitschaufeln in signifikantem Ausmaß statt. Dieser Wasserfilm fließt - getrieben durch die Dampfströmung - an die Hinterkanten der Leitschaufeln und reißt dort in Form von Tropfen ab, die wesentlich größer sind als die primär durch Kondensation im Dampfvolumen gebildeten Primärtropfen. Weil diese Sekundärtropfen eine im Vergleich zu den Primärtropfen hohe Masse haben, können sie wegen ihrer Massenträgheit der Dampfströmung nur bedingt folgen und prallen deshalb mit hohen Relativgeschwindigkeiten auf die stromab der Leitschaufel rotierenden Laufschaufeln. Dabei richten sie teilweise hohe Schäden durch Tropfenschlagerosion an.
  • Um letztere Schäden zu begrenzen, wurden bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, die die auf den Leitschaufeln angesammelten Wassermengen reduzieren sollen. Diese Maßnahmen kann man in drei Kategorieneinteilen:
    • 1.: Maßnahmen zur Reduzierung der auf den Leitschaufeln angesammelten Wassermengen;
    • 2.: Maßnahmen zur Reduzierung der Abscheidung von Wasser auf den Leitschaufeln;
    • 3.: Maßnahmen zur Reduzierung der Sekundärtropfengröße.
  • In die erste Kategorie fallen sowohl Maßnahmen zur Ableitung des Wassers durch kanalartige Strukturen nach außen (Absaugeschlitze/Absaugebohrungen) als auch Maßnahmen zur Verdampfung der Wasserfilme durch Beheizung der Leitschaufeln von innen. In die zweite Kategorie fallen Maßnahmen zur Steuerung der Kondensation im Dampfvolumen, die zur Ausbildung einer höheren Zahl kleinerer Tropfen führen, die der Strömung besser folgen können und sich deshalb nicht so schnell auf den Leitschaufeln ablagern. In die dritte Kategorie fallen sowohl Maßnahmen, die die Oberflächeneigenschaften von Leitschaufeln modifizieren als auch Maßnahmen, die durch gezielte Dampfausblasung im Bereich der Leitschaufelhinterkante eine Tropfenzerstäubung befördern.
  • Maßnahmen der ersten Kategorie sind nur begrenzt erfolgreich, weil Strukturen, die zur nahezu vollständigen Ableitung des Wassers von der Leitschaufel führen, sowohl die Strömung in der Dampfturbine nachhaltig beeinflussen als auch die verfügbare Menge an Arbeitsfluid reduzieren und damit den Wirkungsgrad reduzieren.
  • Maßnahmen zur Steuerung der Kondensation im Volumen können eine Hauptquelle der Bildung von Wasserfilmen auf Leitschaufeln beeinflussen, nämlich die Volumenkondensation. Ein Teil der so gebildeten feinsten Tröpfchen kann sich trotzdem noch auf den Leitschaufeln ansammeln. Die Oberflächenkondensation als zweite Quelle des Wassers auf den Turbinenschaufeln lässt sich durch eine Maßnahme der zweiten Kategorie nicht unterbinden. Außerdem beruht ein Teil der bisher vorgeschlagenen Maßnahmen zur Steuerung der Volumenkondensation auf dem Zusatz Ionen bildender Substanzen, die die chemische Korrosion fördern können und deshalb nicht wünschenswert erscheinen.
  • Die Beheizung der Leitschaufeln erfordert neben dem Einsatz geringer Mengen von höher energetischem Heizdampf einen erhöhten apparativen Aufwand, der die Kosten des Produktes Dampfturbine trotz erwiesener hoher Wirksamkeit signifikant erhöhen kann.
  • Bislang vorgeschlagene Maßnahmen zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Leitbeschauflungen haben insbesondere Einschränkungen durch die geringe Beständigkeit z. B. von wasserabweisenden Beschichtungen. Die Dampfausblasung an der Leitschaufelhinterkante führt wie die Maßnahmen der ersten Kategorie zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades über die Verwendung höherenergetischen Dampfes, welcher der Arbeitsumsetzung nicht mehr zur Verfügung steht.
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem der schädigende Einfluss der Sekundärtropfen in Dampfturbinen reduziert werden kann. Dazu soll eine zugehörige Dampfturbine geschaffen werden.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Dampfturbine ist Gegenstand des Patentanspruches 11. Weiterbildungen des Verfahrens und der Dampfturbine sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Mit der Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die die Größe der Sekundärtropfen entweder beim Tropfenabriss an der Hinterkante der Leitschaufeln stark reduzieren oder zumindest zu einer beschleunigten Zerstörung großer Sekundärtropfen führen, bevor sie die nächste Reihe von Turbinenschaufeln erreichen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an den Leitschaufeln elektrische Felder erzeugt werden, die aufgrund der elektrostatischen Kräfte zum vorzeitigen Abriss der Wassertropfen und damit zu reduzierten Sekundärtropfengrößen führen. Da die elektrischen Felder auch Dipolkräfte auf die Tropfen im Volumen ausüben, die mit zunehmendem Tropfendurchmesser anwachsen, können bei geeigneten elektrischen Feldern auch Sekundärtropfen im Dampfvolumen zerkleinert werden.
  • Bei der Erfindung werden die elektrischen Felder dadurch erzeugt, dass an geeigneten Elektrodenstrukturen in der Dampfturbine elektrische Spannungen angelegt werden. Im einfachsten Fall werden die Elektroden durch die Turbinenschaufeln selbst gebildet, indem Lauf- und Leitschaufeln auf unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden. Dabei ist eine besonders einfache Realisierung möglich, wenn der komplette Läufer isoliert aufgehängt und mit Hochspannung beaufschlagt wird, während die Leitschaufeln und das Turbinengehäuse geerdet sind. Umgekehrt kann auch der Läufer geerdet sein, während die Leitschaufeln isoliert eingesetzt und mit Hochspannung beaufschlagt werden. Diese Variante ist zwar aus Gründen der Betriebssicherheit aufwendiger, da das Turbinengehäuse geerdet sein sollte, erlaubt dafür aber die Steuerung einzelner Stufen der Dampfturbine mit unterschiedlichen Spannungen, die dem jeweiligen Druck angepasst sein können.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen zeichnen sich durch niedrigen Energieverbrauch aus, weil für die Erzeugung der elektrischen Felder kaum elektrische Leistung bereitgestellt werden muss. Ein nennenswerter elektrischer Strom, der zur Dissipation elektrischer Energie führen würde, fließt unter den in Dampfturbinen herrschenden Bedingungen - nämlich extrem reiner Dampf zur Vermeidung von Korrosion - nicht. Der Energiebedarf lässt sich grob abschätzen durch die Differenz der Oberflächenenergien, die sich bei der Zerkleinerung grober zu feineren Tröpfchen ergibt.
  • Die Tropfengröße lässt sich erfindungsgemäß durch die Amplitude des elektrischen Feldes, d.h. bei gegebener Elektrodengeometrie durch die verwendeten elektrischen Spannungen, steuern. Die Kraft, die zur Zerstörung der Wassertropfen führt, erfordert auch keine elektrische Ladung der Tropfen, z. B. durch Ionisation oder Zusatz Ionen bildender Materialien. Der Grund dafür ist, dass Wasser Dipol-polarisierbar ist, d.h. durch ein elektrisches Feld wird ein Dipolmoment induziert, auf das das elektrische Feld wiederum eine Kraft ausübt, die zur Verformung (Elongation) des Tröpfchens führt, bis es schließlich instabil wird und zerfällt, weil die Oberflächenspannung aufgrund der starken Krümmung der Oberfläche nicht mehr ausreicht, um den Tropfen zusammenzuhalten.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn das elektrische Feld nicht als stationäres, sondern als Wechselfeld betrieben wird. Durch Einstellung der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes lassen sich resonante Schwingungen der Tropfen anregen, die zu einer effizienteren Zerkleinerung der Tropfen beim Abriss oder auch im Volumen führen. Die erforderliche Spannungsamplitude kann dadurch stark gesenkt werden. Die Möglichkeit, Resonanzeffekte auszunutzen, eröffnet gleich mehrere Wege, Tropfenschlag-Erosion zu verhindern:
  • Zum einen kann eine Spannung fester Frequenz an das Elektrodensystem angelegt werden. Das führt dazu, dass die Schwingung von Tropfen, sowie sie eine bestimmte Größe erreichen, in Resonanz mit dem elektrischen Feld kommen. Dadurch kommt es sehr schnell zu einer extremen Verformung der Tropfen, die zum Zerfall führt. Zum anderen kann die Frequenz des elektrischen Feldes in einem bestimmten Bereich zyklisch variiert werden. Das führt dazu, dass ein bestimmtes Größenspektrum von Tropfen zerkleinert wird.
  • Für die Bereitstellung der elektrischen Felder lassen sich erfindungsgemäß unterschiedliche Elektrodenanordnungen und Möglichkeiten nutzen, die Hochspannung einem Teil des Elektrodensystems zuzuführen:
  • Wie bereits angegeben, kann die Hochspannung an die Laufschaufeln angelegt werden, indem die Achse des Rotors isoliert durch das Außengehäuse der Dampfturbine geführt wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, dass einerseits der Rotor elektrisch gegen den Generator isoliert werden muss, anderseits die Hochspannung einem rotierenden Teil sicher und störungsfrei zugeführt werden muss.
  • Die bevorzugte Lösung liegt deshalb darin, den Rotor mit Laufschaufeln zu erden und stattdessen die Leitschaufeln mit Hochspannung zu beaufschlagen. Da das Gehäuse der Dampfturbine dabei aus Sicherheitsgründen weitgehend geerdet sein sollte, werden dafür verschiedene Anordnungen vorgeschlagen.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden einzelne Kränze von Leitschaufeln isoliert in die Dampfturbine eingesetzt, und jeweils ganze Kränze von Laufschaufeln werden mit der gewünschten Spannung beaufschlagt. Unterschiedliche Kränze können so angepasst an den Druck geometrische Parameter etc. mit unterschiedlichen Spannungen angesteuert werden. Ein neben verbesserter Betriebssicherheit weiterer Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der Grundidee, alle Leitschaufeln auf ein elektrisches Potential zu legen, besteht darin, dass die Kapazität der daraus resultierenden elektrischen Schaltung gegenüber der Grundidee reduziert werden kann. Das reduziert den Aufwand für die Bereitstellung geeigneter elektrischer Spannungen.
  • In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind einzelne Leitschaufeln isoliert in das Gehäuse der Dampfturbine eingesetzt. Es können insbesondere mehrere Leitschaufeln parallel mit der gleichen Spannung beaufschlagt werden. Prinzipiell erlaubt diese Ausführungsform aber auch die Ansteuerung benachbarter Leitschaufeln mit unterschiedlichen Spannungen. So kann z. B. mit mehrphasiger Spannungsversorgung gearbeitet werden, was die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen nach außen reduziert. Außerdem ergibt sich hier eine weitere Reduzierung der elektrischen Kapazität des Aufbaus.
  • Schließlich können in weiteren Ausführungsformen der Erfindung bei einer Reihe von Leitschaufeln Bereiche gegen den Rest der jeweiligen Leitschaufel isoliert und mit einer elektrischen Durchführung nach außen versehen werden. Auf diese Art lassen sich z. B. elektrische Isolationsprobleme der Leitschaufeln gegen den Rotor vermeiden, ohne dass es zu nennenswerten Einbußen in der Wirksamkeit kommt. Ein bevorzugt mit Hochspannung beaufschlagter Bereich kann zu diesem Zweck im weiter außen liegenden Bereich der Hinterkante der Leitschaufel liegen.
  • Bei der Steuerung der Potentiale ist zu beachten, dass die angelegte Hochspannung einen kritischen Wert nicht überschreitet, bei dem es zur Ausbildung elektrischer Gasentladungen kommen würde. Erfindungsgemäß wird deshalb die Amplitude der Spannung an einer Leitschaufel so gesteuert, dass das so genannte reduzierte elektrische Feld, das ist der Quotient aus elektrischer Feldstärke und Anzahldichte der Dampfmoleküle, 80 x 1021 Vm2 lokal nicht übersteigt.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
    • Figur 1
    eine Anordnung zur Beaufschlagung des Rotors einer Dampfturbine mit einer hochfrequenten Wechselspannung,
    Figur 2
    eine alternative Anordnung zur Beaufschlagung der Leitschaufeln bzw. einer Stufe von Leitschaufeln mit einer hochfrequenten Wechselspannung,
    Figur 3
    eine Anordnung zur Beaufschlagung der Hinterkante von Leitschaufeln mit einer hochfrequenten Wechselspannung und
    Figur 4
    den Querschnitt durch eine Turbinenschaufel mit einer Wechselspannungselektrode an der hinteren Profilkante.
  • Gleiche Einheiten haben in den Figuren gleiche oder sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
  • In den Figuren 1 bis 3 bedeutet 1 eine Dampfturbine, von der jeweils nur ein Teil dargestellt ist. Im Einzelnen ist jeweils ein Rotor 2 mit Rotationsachse I vorhanden, auf dem sich einzelne Laufschaufelreihen 3, 3', ... befinden, wobei speziell drei Laufschaufelreihen 3, 3', 3" angedeutet sind. Korrespondierend dazu ist ein Statorteil 4 mit zugehörigen Leitschaufeln 5, 5', 5" vorhanden. Es sind auch Anordnungen mit mehr Schaufelreihen denkbar.
  • Über eine Zuleitung 8 erfolgt der Zustrom von Dampf. Der Dampfstrom wird in die Anordnung aus Statorteil 4 und Rotor 2 mit den Laufschaufeln 3, 3', 3" geleitet, wodurch über die Umwandlung von Strömungsenergie in mechanische Energie der Rotor in Drehung versetzt wird. Damit kann ein mechanisch angeschlossener Generator betrieben und elektrische Leistung erzeugt werden.
  • Beim oder nach dem Einbringen des Dampfes in die Anordnung gemäß den Figuren 1 bis 3 kondensiert der Dampf als kleine Tröpfchen. In den Figuren ist beispielhaft eine Sättigungslinie S (auch: Taulinie) eingezeichnet, nach deren Überschreitung der Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht teils in flüssigem, teils in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt.
  • Der Rotor 2 weist eine elektrisch isolierende Durchführung 13 auf und einen anschließenden Schleifring 14, über den eine Wechselspannungsquelle 15 angeschlossen ist, die eine Wechselspannung U(t) liefert. Die Leitschaufeln 3, 3', 3" sind in diesem Fall geerdet. Dadurch ergibt sich zwischen den Laufschaufeln 3, 3', 3" des Rotors 2 und den Leitschaufeln 5, 5', 5'' des Stators 4 jeweils ein elektrisches Wechselfeld.
  • In einer Alternative zu Figur 1 sind gemäß Figur 2 die Leitschaufeln 5" gegenüber dem Stator 2 bzw. Gehäuse elektrisch isoliert und bildet ein separat isoliertes Bauteil 10, das an die Spannungsquelle 15 für die Wechselspannung U(t) angeschlossen ist. Der Rotor 2 ist in diesem Fall geerdet. Im Ergebnis ergibt sich aber damit die gleiche Wirkung wie in Figur 1.
  • In einer weiteren Abwandlung von Figur 2 werden gemäß Figur 3 nur die Hinterkanten einer der Leitschaufeln 5, 5', 5" mit der hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt. Dazu ist auf der Hinterkante eine Isolierschicht 11 und darauf elektrisch isoliert eine Elektrode 12 aufgebracht, die an die Spannungsquelle 15 für die Wechselspannung U(t) angeschlossen ist. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die elektrische Verschaltung weitestgehend der Figur 2. Der Einsatz von Wechselspannungen erfolgt dabei typischerweise bei Frequenzen von 100 Hz bis 100 kHz. Bevorzugt ist der Bereich zwischen 1 kHz und 10 kHz, weil er besonders effizient zur Zerstörung von Tropfen mit Durchmessern im Bereich einiger 0,1 mm führt. Die für die Zerstörung der Tropfen erforderliche Zeit reduziert sich gegenüber Gleichspannung um einen Faktor 10-20, und die Spannungsamplitude kann um einen Faktor 5 reduziert werden.
  • In der Figur 4 ist eine einzelne Leitschaufel einer Turbine mit 50 bezeichnet, die einen üblichen konvex-konkaven Profilverlauf hat. An der Hinterkante der Leitschaufel 50, die als Abrisskante für flüssiges Wasser wirkt, ist über einen Isolator 51 eine Elektrode 52 angebracht. An die Elektrode 52 wird die elektrische Spannung aus der Spannungsquelle 15 entsprechend den Figuren 2 und 3 angelegt. Es wird damit die Anordnung nach Figur 3 realisiert.
  • Bei der beschriebenen Dampfturbine können weitere Mittel zur Verhinderung der Tropfenschlagerosion und zur Zerstörung von Wassertröpfchen vorhanden sein, wie sie insbesondere als Ultraschallschwinger in der Parallelanmeldung der Anmelderin und mit gleicher Anmeldepriorität mit der Bezeichnung "Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung der Tropfenschlagerosion in einer Dampfturbine und zugehörige Dampfturbine" offenbart sind.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle der Tropfengröße in der Dampfturbine, in der durch Kondensation in der Dampfströmung Primärtropfen von Wasser, die sich teilweise an den Leitschaufeln ablagern, und weiterhin an bzw. hinter den Leitschaufeln Sekundärtropfen von Wasser, die ein erheblich größeres Volumen als die Primärtropfen haben, entstehen,
    mit folgenden Verfahrensschritten:
    - In der Umgebung der Leitschaufeln mindestens einer Reihe werden elektrische Felder erzeugt,
    - wobei diese durch elektrostatische Dipolkräfte zu einer Reduzierung der Sekundärtropfengröße führen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Sekundärtropfengröße durch Zerstörung von Sekundärtropfen im Volumen, d.h. nach dem Tropfenabriss von der Leitschaufel erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Sekundärtropfengröße durch einen vorzeitigen, durch elektrische Dipolkräfte induzierten Tropfenabriss an der Hinterkante der Leitschaufeln erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Felder durch Anlegen elektrischer Spannungen an geeigneten Elektrodenstrukturen in der Dampfturbine erzeugt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Felder Wechselfelder verwendet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f des elektrischen Wechselfeldes zur Anregung resonanter Schwingungen der Tropfen bestimmter Größe gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Wechselfeld sowohl unmittelbar auf der Leitschaufeloberfläche als auch im umliegenden Dampfraum zu einer Zerkleinerung der Tropfen führt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Sekundärtropfengröße in Dampfturbinen durch elektrische Felder mit weiteren Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion kombiniert werden.
  9. Dampfturbine mit einer Hilfseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8 mit einer Dampfturbine (1), mit Leitschaufeln (3, 3', 3'', ...) einerseits und nachfolgenden Laufschaufeln (5, 5', 5'', ...)andererseits, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Elektroden enthält, die mittels wenigstens einer Spannungsquelle (15) auf unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden.
  10. Dampfturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Turbinenschaufeln (3, 3', 3'', ...; 5, 5', 5'', ) Elektroden gebildet werden, indem Laufschaufeln (3, 3', 3'', ...) und Leitschaufeln (5, 5', 5'', ...) auf unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden.
  11. Dampfturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der komplette Läufer mit den Laufschaufeln (3, 3', 3'', ...) mittels einer elektrisch isolierende Durchführung 13 isoliert angeordnet ist und über einen Schleifring 14 mit Hochspannung beaufschlagbar ist, wogegen die Leitschaufeln (5, 5', 53'', ...) 5 und das Turbinengehäuse (4) geerdet sind.
  12. Dampfturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer mit den Laufschaufeln (3, 3', 3'', ...) geerdet ist, wogegen die Leitschaufeln (5, 5', 5'', ...) isoliert eingesetzt und mit Hochspannung beaufschlagbar sind.
  13. Dampfturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) geerdet ist und dass einzelne Stufen der Leitschaufeln (5, 5', 5'', ...) mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagbar sind.
  14. Dampfturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung elektrischer Felder in der Nähe der Leitschaufeln Elektroden (52) in die Dampfturbine eingesetzt sind.
  15. Dampfturbine nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (52) strömungsgünstig ausgeführt ist.
  16. Dampfturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (52) durch die elektrisch vom Rest der jeweiligen Leitschaufel (50) isolierten Hinterkanten der Leitschaufeln gebildet werden.
  17. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Felder Wechselfelder einsetzbar sind, die durch Verwendung von Wechselspannungsquellen 15 mit periodisch zeitabhängigen Spannungen U(t)) erzeugt werden.
  18. Dampfturbine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle 15 Mittel zur Einstellung der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes f besitzt.
  19. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel zur Verhinderung der Tropfenschlagerosion vorhanden sind.
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