EP2128387A2 - Method for reducing or avoiding water drop erosion in steam turbines and corresponding steam turbine - Google Patents

Method for reducing or avoiding water drop erosion in steam turbines and corresponding steam turbine Download PDF

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EP2128387A2
EP2128387A2 EP09161201A EP09161201A EP2128387A2 EP 2128387 A2 EP2128387 A2 EP 2128387A2 EP 09161201 A EP09161201 A EP 09161201A EP 09161201 A EP09161201 A EP 09161201A EP 2128387 A2 EP2128387 A2 EP 2128387A2
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EP
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steam turbine
membrane
vane
steam
droplets
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Withdrawn
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EP09161201A
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Thomas Hammer
Tetsuo Kishimoto
Norbert Sürken
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • F05D2270/60Control system actuates means
    • F05D2270/62Electrical actuators

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing or avoiding drop impact erosion in a steam turbine containing vanes and subsequent blades, at which liquid is condensed and deposited as droplets to form small primary droplets and larger secondary droplets.
  • the invention also relates to an associated steam turbine with auxiliary devices for carrying out the 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 droplets have a high mass compared to the primary droplets, they can follow the steam flow only to a limited extent (inertia) and therefore collide at high relative speeds with the rotor blades rotating downstream of the stator blade. 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 condensation in the vapor volume which result in the formation of a larger number of smaller droplets which are better able to 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 affect a major source of water film formation on vanes, namely 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.
  • part of the previously proposed measures for controlling the volume condensation rely on the addition of ion-forming substances which can promote chemical corrosion and therefore do not appear desirable.
  • 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 frequency of the ultrasonic waves is inventively chosen so that the wavelength in the steam in the range of a few tenths of a millimeter to a few millimeters.
  • the noise amplitudes required for atomization and the associated energy requirement can be minimized.
  • the invention is based on the recognition that the formation of small primary droplets, which represent one of the main sources of larger secondary drops, practically can not be avoided, because steam turbines are operated for efficiency reasons with Dampfendnässen in the order of about 10-16%.
  • the basic idea of the invention is now to comminute the secondary drops at the place of origin or in the immediate vicinity of them, and thus despite the presence of droplets through Preventing drop impact caused erosion or greatly reduce:
  • the shredded secondary drops can follow the flow of steam easily and therefore bounce on the blade surfaces with very small defects (false inflow).
  • the damage caused thereby is comparatively small because of the fraction of the normally occurring value of the drop mass and the relative speeds.
  • the main advantage of a mechanical comminution of the droplets compared with other measures such as the heating of guide vanes surfaces is that the energy expenditure is comparatively low: this is essentially the increase of the surface energy plus the electrical losses during the generation of the ultrasound.
  • the constructional / equipment expense of the solution shown also decreases.
  • FIG. 1 1 means a steam turbine, of which only one part is shown.
  • a rotor 2 with an axis of rotation I on which there are individual rows of blades 3, 3 ', ..., specifically three rows of blades 3, 3', 3 "are indicated, corresponding to a stator part 4 with associated guide vanes 5, 5 ', 5 ".)
  • Arrangements with more or fewer rows of blades are also conceivable.
  • the steam flow takes place.
  • the steam flow is directed into the arrangement of stator part 4 and rotor 2 with the rotor blades 3, 3 ', 3 ", whereby the rotor is set into rotation via the conversion of kinetic energy into mechanical energy
  • a mechanically connected generator or a generator Working machine to be operated.
  • a saturation line S (also: “Tau line”) is drawn, after which the steam is present in the thermodynamic equilibrium partly in the liquid and partly in the gaseous state of matter.
  • a layer 16 of piezoelectric material is applied on the profile trailing edge of a vane 5 ", on which there is an electrode 12.
  • the electrode can be embodied as a film / thin layer 12 is connected to a voltage source 15 for an alternating voltage U (t).
  • U (t) which is suitably predetermined in terms of frequency
  • the piezoelectric vibrator 16 can oscillate be excited in the ultrasonic range (piezoelectric transducer).
  • FIG. 2 Fig. 3 is a section through a single vane 50 having the conventional convex-concave profile profile of turbine blades.
  • the piezoelectric material 56 is applied as a layer, and over it an electrode 52 is arranged flat.
  • the electrode 52 To the electrode 52, the voltage from the voltage source 15 according to the FIG. 1 created. It is thus the arrangement after FIG. 1 realized.
  • FIG. 3 a section through a single vane 50 is shown, which also has the usual convex-concave profile profile of turbine blades.
  • the trailing edge of the vane 50 which realizes a liquid water trailing edge AK, is formed as a sequence of a solid segment of piezoelectric material 57 and another electrode segment 58 forming the trailing edge.
  • FIG. 3 thus, an arrangement in analogy to FIG. 1 realized.
  • the advantage of this arrangement is that high vibration amplitudes can be generated at the trailing edge AK with moderate voltages, wherein the contraction of the piezoelectric material perpendicular to the electric field, which could significantly reduce the concentration of the layer structure, can be kept substantially smaller than in the case of flat applied material, the corresponding FIG. 2 forms a thin layer.
  • an electrostatically stimulable membrane for generating mechanical vibrations in the ultrasonic range be used, whereby a capacitive transducer is formed.
  • FIG. 4 shows an electrically insulating membrane 61, partially provided with an electrode layer 62, which is vibrationally disposed near the trailing edge of the vane 50 flush with the vane surface.
  • the ability of the membrane 61 to vibrate is ensured by a corresponding cavity 60 in the vane 50 forming a cavity.
  • the membrane 61 is excited to high-frequency oscillations, which are transmitted to the water film and thus lead to its atomization.
  • Such a membrane may, for. B. consist of a plastic film. Other materials are possible.
  • the film is embedded in the blade so that a smooth blade surface is formed.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the recessed into the vane 50 capacitive transducer after FIG. 4 in that the electrode 62 'designed as a thin metal film is protected from vapor and moisture by the membrane 61 by being mounted on the side of the membrane 61 facing the cavity 60.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a capacitive sound transducer embedded in a vane, in which a vibratable membrane 66 is formed of a metal foil, in which case the membrane 66 is carried in an electrically insulating frame 65 of insulating material placed on the cavity 60 , It also results in a smooth blade surface. A separate electrode is not necessary because of the electrically conductive membrane.
  • the design of the membrane is chosen so that oscillation frequencies f of at least 10 kHz, but preferably 100 kHz to 1 MHz, stimulate.

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Abstract

The method involves crushing secondary drops in a steam turbine (1) at location of appearance or indirect proximity via acoustic excited vibrations. Smaller, lighter and better accelerated droplets follow a steam flow, and the number of water drops and eroding effects of the drop impacts are reduced to subsequent turbine blade series. The secondary drops are crushed using ultrasonic atomization, where a capacitive sound converter is used for production of the ultrasound. A membrane made of plastic or metal is used for the capacitive sound converter. An independent claim is also included for a steam turbine with an auxiliary device for implementation of the method for decrease or avoidance of water drop impact erosion.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung der Tropfenschlagerosion in einer Dampfturbine, die Leitschaufeln und anschließende Laufschaufeln enthält, an denen Flüssigkeit kondensiert und als Tröpfchen abgeschieden wird, wobei kleine Primärtropfen und größere Sekundärtropfen entstehen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Dampfturbine mit Hilfseinrichtungen zur Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for reducing or avoiding drop impact erosion in a steam turbine containing vanes and subsequent blades, at which liquid is condensed and deposited as droplets to form small primary droplets and larger secondary droplets. In addition, the invention also relates to an associated steam turbine with auxiliary devices for carrying out the method.

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 soweit wie möglich für die Umwandlung in mechanische Energie nutzen zu können, werden Niederdruck-Dampfturbinen so betrieben, dass die Kondensation 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 der Dampfströmung nur bedingt folgen (Massenträgheit) und prallen deshalb mit hohen Relativgeschwindigkeiten auf die stromab der Leitschaufel rotierenden Laufschaufeln. Dabei richten sie teilweise hohe Schäden durch Tropfenschlagerosion an.In steam turbines energy contained in particular in the steam is converted into mechanical energy and thus an electric generator or a working machine driven. In order to be able to use the heat stored in the steam as much as possible for the conversion into mechanical energy, low-pressure steam turbines are operated so that the condensation is already used in the turbine and thus at the outlet of a highly expanded steam with typically 10-16% wetness , Part of this condensate results in the formation of a water film on the turbine blades of the stages which are downstream of the incipient condensation. Since the blades and possibly located on them water film are exposed due to rotation considerable centrifugal forces, an accumulation of water takes place only on the vanes to a significant extent. 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 droplets have a high mass compared to the primary droplets, they can follow the steam flow only to a limited extent (inertia) and therefore collide at high relative speeds with the rotor blades rotating downstream of the stator blade. In doing so, they sometimes cause high damage through drop impact erosion.

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 Kategorien einteilen:

  • 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 order to limit the latter damage, various measures have already been proposed to reduce the amount of water accumulated on the guide vanes. These measures can be divided into three categories:
  • 1 .: measures to reduce the amount of water accumulated on the guide vanes;
  • 2 .: measures to reduce the separation of water on the vanes;
  • 3 .: Measures to reduce the secondary drop size

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.In the first category fall 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 condensation in the vapor volume which result in the formation of a larger number of smaller droplets which are better able to 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.

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.Measures of the first category have only limited success because structures that lead to almost complete discharge of water from the vane, both affect the flow in the steam turbine sustainable and reduce the available amount of working fluid and thus reduce the efficiency.

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.Measures to control volume condensation can affect a major source of water film formation on vanes, namely 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. In addition, part of the previously proposed measures for controlling the volume condensation rely on the addition of ion-forming substances which can promote chemical corrosion and therefore do not appear desirable.

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.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.

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 der Wirkungsgrades über die Verwendung höherenergetischen Dampfes, welcher der Arbeitsumsetzung nicht mehr zur Verfügung steht.Previously proposed measures for changing the surface properties of Leitbeschauflungen have particular limitations due to the low resistance z. B. of water-repellent coatings. The steam blow-out at the vane trailing edge, like the measures in the first category, leads to a reduction in the efficiency over the use of higher-energy steam, which is no longer available to the working implementation.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Bildung grober Tropfen bei einer Dampfturbine zu verringern oder sogar zu verhindern und eine zugehörige Dampfturbine zu schaffen. Die Erfindung fällt somit in die oben genannte dritte Kategorie.Starting from the prior art, it is an object of the invention to reduce the formation of coarse droplets in a steam turbine or even to prevent and to provide an associated steam turbine. The invention thus falls into the above-mentioned third category.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Dampfturbine ist Gegenstand des Patentanspruches 11. Weiterbildungen des Verfahrens einerseits und der Dampfturbine andererseits sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the measures of claim 1. An associated steam turbine is the subject of claim 11. Further developments of the method on the one hand and the steam turbine on the other hand are given in the respective subclaims.

Mit der Erfindung werden Maßnahmen geschaffen, die die Größe der Sekundärtropfen entweder beim Tropfenabriss an der Hinterkante der Leitschaufeln stark reduzieren oder zu einer beschleunigten Zerstörung großer Sekundärtropfen führen, bevor sie die nächste Reihe von Turbinenschaufeln erreichen. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an Teilen der Oberfläche der Leitschaufeln akustische Schwingungen mit Frequenzen im Bereich des Ultraschalls erzeugt werden. Diese Schwingungen führen zum einen zu einer Zerstäubung des Wasserfilms, bevor er in Form großer Sekundärtropfen abreißen kann, zum anderen führen sie zu einer Ausbildung von Ultraschallwellen, die zu einer Zerstäubung von Tropfen im Volumen führen.With the invention, measures are taken which greatly reduce the size of the secondary drops, either at drop break at the trailing edge of the vanes, or lead to accelerated destruction of large secondary drops before reaching the next row of turbine blades. This is inventively achieved in that on parts of the surface of the guide vanes acoustic vibrations are generated with frequencies in the range of ultrasound. These vibrations lead to a sputtering of the water film before it can tear off in the form of large secondary drops, on the other hand they lead to the formation of ultrasonic waves, which lead to an atomization of drops in the volume.

Bei der Ausnutzung des zweitgenannten Effektes zur Zerstäubung von Tröpfchen mit Durchmessern im Sub-Millimeterbereich wird die Frequenz der Ultraschallwellen erfindungsgemäß so gewählt, dass die Wellenlänge im Dampf im Bereich von einigen zehntel Millimetern bis zu einigen Millimetern liegt. Dadurch können die zur Zerstäubung erforderlichen Schallamplituden und der damit verbundene Energiebedarf minimiert werden.When utilizing the second-mentioned effect for atomizing droplets with diameters in the sub-millimeter range, the frequency of the ultrasonic waves is inventively chosen so that the wavelength in the steam in the range of a few tenths of a millimeter to a few millimeters. As a result, the noise amplitudes required for atomization and the associated energy requirement can be minimized.

Weiterhin werden zur Minimierung der Schallamplituden resonante Schwingungen der Wassertropfen im Ultraschallfeld ausgenutzt. Durch Anpassung der Frequenz des Ultraschalls an die zu einem bestimmten Tropfendurchmesser gehörige Resonanzfrequenz können Tröpfchen, deren Durchmesser in der Nähe dieses Durchmessers liegt, besonders effizient zerstäubt werden.Furthermore, to minimize the sound amplitudes resonant vibrations of the water droplets in the ultrasonic field are utilized. By adapting the frequency of the ultrasound to the resonant frequency associated with a given droplet diameter, droplets whose diameter is close to this diameter can be atomized particularly efficiently.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Bildung von kleinen Primärtröpfchen, die eine der Hauptquellen von größeren Sekundärtropfen darstellen, praktisch nicht vermeiden lässt, weil Dampfturbinen aus Effizienzgründen mit Dampfendnässen in der Größenordnung von ca. 10-16 % betrieben werden. Grundidee der Erfindung ist nun, die Sekundärtropfen am Ort der Entstehung oder in unmittelbarer Nähe dazu zu zerkleinern und so trotz der Gegenwart von Tröpfchen die durch Tropfenschlag verursachte Erosion zu verhindern bzw. stark zu vermindern: Die zerkleinerten Sekundärtropfen können der Dampfströmung problemlos folgen und prallen deshalb mit sehr geringen Fehlinzidenzen (Falschanströmung) auf die Laufschaufeloberflächen auf. Der dabei verursachte Schaden ist wegen der auf einen Bruchteil des normalerweise auftretenden Wertes der Tropfenmasse und der Relativgeschwindigkeiten vergleichsweise gering.The invention is based on the recognition that the formation of small primary droplets, which represent one of the main sources of larger secondary drops, practically can not be avoided, because steam turbines are operated for efficiency reasons with Dampfendnässen in the order of about 10-16%. The basic idea of the invention is now to comminute the secondary drops at the place of origin or in the immediate vicinity of them, and thus despite the presence of droplets through Preventing drop impact caused erosion or greatly reduce: The shredded secondary drops can follow the flow of steam easily and therefore bounce on the blade surfaces with very small defects (false inflow). The damage caused thereby is comparatively small because of the fraction of the normally occurring value of the drop mass and the relative speeds.

Der wesentliche Vorteil einer mechanischen Zerkleinerung der Tropfen gegenüber anderen Maßnahmen wie ausgeführten Beheizung von Leitschaufeloberflächen liegt darin, dass der Energieaufwand vergleichsweise gering ist: Im Wesentlichen handelt es sich hier um die Erhöhung der Oberflächenenergie zuzüglich der elektrischen Verluste bei der Erzeugung des Ultraschalls. Der konstruktive/apparative Aufwand der dargestellten Lösung vermindert sich ebenfalls.The main advantage of a mechanical comminution of the droplets compared with other measures such as the heating of guide vanes surfaces is that the energy expenditure is comparatively low: this is essentially the increase of the surface energy plus the electrical losses during the generation of the ultrasound. The constructional / equipment expense of the solution shown also decreases.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims.

Es zeigen in schematischer Darstellung

Figur 1
eine Dampfturbine mit piezoelektrischen Aktuatoren zur Tropfenzerstäubung an der Hinterkante von Leitschaufeln,
Figur 2
ein Schnitt durch eine in Figur 1 verwendete Leitschaufel,
Figur 3
ein Schnitt durch die zu Figur 1 und 2 alternative Gestaltung einer Leitschaufel mit einem piezoelektrischen Aktuator zur Tropfenzerstäubung an der Hinterkante der Turbinenschaufel,
Figur 4
ein Schnitt einer Leitschaufel mit einem kapazitiven Schallwandler,
Figur 5
ein Schnitt einer Leitschaufel mit einem zu Figur 4 alternativen kapazitiven Schallwandler,
Figur 6
ein Schnitt einer Leitschaufel mit einem weiteren zu Figur 4 und 5 alternativen kapazitiven Schallwandler.
It show in a schematic representation
FIG. 1
a steam turbine with piezoelectric actuators for drop sputtering at the trailing edge of vanes,
FIG. 2
a section through an in FIG. 1 used vane,
FIG. 3
a cut through the to FIGS. 1 and 2 alternative design of a guide vane with a piezoelectric actuator for sputtering at the trailing edge of the turbine blade,
FIG. 4
a section of a vane with a capacitive transducer,
FIG. 5
a section of a vane with one to FIG. 4 alternative capacitive sound transducer,
FIG. 6
a section of a vane with another to FIGS. 4 and 5 alternative capacitive transducer.

In der Figur 1 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 oder weniger Schaufelreihen denkbar.In the FIG. 1 1 means a steam turbine, of which only one part is shown. In detail, there is in each case a rotor 2 with an axis of rotation I on which there are individual rows of blades 3, 3 ', ..., specifically three rows of blades 3, 3', 3 "are indicated, corresponding to a stator part 4 with associated guide vanes 5, 5 ', 5 ".) Arrangements with more or fewer rows of blades are also conceivable.

Über eine Zuleitung 8 erfolgt der Dampfzustrom. 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 beispielsweise ein mechanisch angeschlossener Generator oder auch eine Arbeitsmaschine betrieben werden.About a supply line 8, the steam flow takes place. The steam flow is directed into the arrangement of stator part 4 and rotor 2 with the rotor blades 3, 3 ', 3 ", whereby the rotor is set into rotation via the conversion of kinetic energy into mechanical energy Thus, for example, a mechanically connected generator or a generator Working machine to be operated.

Beim oder nach dem Einbringen des Dampfes in die Anordnung gemäß Figur 1 kondensiert der Dampf hauptsächlich in Form kleiner Tröpfchen. In den Figuren ist dazu beispielhaft eine Sättigungslinie S (auch: "Taulinie") eingezeichnet, nach deren Überschreitung der Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht teils in flüssigem teils in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt.During or after the introduction of the steam in the arrangement according to FIG. 1 The vapor condenses mainly in the form of small droplets. In the figures, for example, a saturation line S (also: "Tau line") is drawn, after which the steam is present in the thermodynamic equilibrium partly in the liquid and partly in the gaseous state of matter.

In Figur 1 ist auf der Profilhinterkante einer Leitschaufel 5" eine Schicht 16 aus piezoelektrischem Material aufgebracht. Darauf befindet sich eine Elektrode 12. Die Elektrode kann dabei als Folie/Dünnschicht ausgeführt werden. Diese Dünnschicht kann vorzugsweise durch eine Beschichtung vor dem umliegenden Dampf geschützt werden. Die Elektrode 12 ist mit einer Spannungsquelle 15 für eine Wechselspannung U(t) verbunden. Mit einer hinsichtlich Frequenz geeignet vorgegebenen Wechselspannung U(t) kann der Piezoschwinger 16 zu Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt werden (piezoelektrischer Schallwandler).In FIG. 1 A layer 16 of piezoelectric material is applied on the profile trailing edge of a vane 5 ", on which there is an electrode 12. The electrode can be embodied as a film / thin layer 12 is connected to a voltage source 15 for an alternating voltage U (t). With an AC voltage U (t) which is suitably predetermined in terms of frequency, the piezoelectric vibrator 16 can oscillate be excited in the ultrasonic range (piezoelectric transducer).

In Figur 2 ist ein Schnitt durch eine einzelne Leitschaufel 50 dargestellt, die den üblichen konvex-konkaven Profilverlauf von Turbinenschaufeln hat. An der Hinterkante der Leitschaufel 50, die eine Abrisskante AK für flüssiges Wasser realisiert, ist das piezoelektrische Material 56 als Schicht aufgebracht, und darüber ist flächig eine Elektrode 52 angeordnet. An die Elektrode 52 wird die elektrische Spannung aus der Spannungsquelle 15 entsprechend der Figur 1 angelegt. Es wird somit die Anordnung nach Figur 1 realisiert.In FIG. 2 Fig. 3 is a section through a single vane 50 having the conventional convex-concave profile profile of turbine blades. At the trailing edge of the vane 50, which realizes a liquid water trailing edge AK, the piezoelectric material 56 is applied as a layer, and over it an electrode 52 is arranged flat. To the electrode 52, the voltage from the voltage source 15 according to the FIG. 1 created. It is thus the arrangement after FIG. 1 realized.

In Figur 3 ist ein Schnitt durch eine einzelne Leitschaufel 50 dargestellt, die ebenfalls den üblichen konvex-konkaven Profilverlauf von Turbinenschaufeln hat. Die Hinterkante der Leitschaufel 50, die eine Abrisskante AK für flüssiges Wasser realisiert, ist als Abfolge eines massiven Segmentes aus piezoelektrischem Material 57 und eines weiteren, die Abrisskante bildenden Elektrodensegmentes 58 ausgebildet.In FIG. 3 a section through a single vane 50 is shown, which also has the usual convex-concave profile profile of turbine blades. The trailing edge of the vane 50, which realizes a liquid water trailing edge AK, is formed as a sequence of a solid segment of piezoelectric material 57 and another electrode segment 58 forming the trailing edge.

An das Elektrodensegment 58 wird die elektrische Spannung aus der Spannungsquelle 15 entsprechend der Figur 1 angelegt.To the electrode segment 58, the electrical voltage from the voltage source 15 according to the FIG. 1 created.

Mit Figur 3 wird somit eine Anordnung in Analogie zu Figur 1 realisiert. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass mit moderaten Spannungen hohe Schwingungsamplituden an der Abrisskante AK generiert werden können, wobei die Kontraktion des piezoelektrischen Materials senkrecht zum elektrischen Feld, welche die Konzentration des Schichtaufbaus deutlich reduzieren könnte, wesentlich kleiner gehalten werden kann als im Falle von flächig aufgetragenem Material, das entsprechend Figur 2 eine dünne Schicht bildet.With FIG. 3 Thus, an arrangement in analogy to FIG. 1 realized. The advantage of this arrangement is that high vibration amplitudes can be generated at the trailing edge AK with moderate voltages, wherein the contraction of the piezoelectric material perpendicular to the electric field, which could significantly reduce the concentration of the layer structure, can be kept substantially smaller than in the case of flat applied material, the corresponding FIG. 2 forms a thin layer.

Alternativ zur piezoelektrischen Anregung der Leitschaufeloberfläche kann eine elektrostatisch anregbare Membran zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich verwendet werden, womit ein kapazitiver Schallwandler gebildet wird.Alternatively to the piezoelectric excitation of the vane surface, an electrostatically stimulable membrane for generating mechanical vibrations in the ultrasonic range be used, whereby a capacitive transducer is formed.

Figur 4 zeigt eine elektrisch isolierende, partiell mit einer Elektrodenschicht 62 versehene Membran 61, die schwingungsfähig in der Nähe der Hinterkante der Leitschaufel 50 bündig mit der Leitschaufeloberfläche angeordnet ist. Die Schwingungsfähigkeit der Membran 61 wird durch eine entsprechende einen Hohlraum bildende Ausnehmung 60 in der Leitschaufel 50 gewährleistet. Durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannung an die Elektrodenschicht 62 wird die Membran 61 zu hochfrequenten Schwingungen angeregt, die auf den Wasserfilm übertragen werden und so zu dessen Zerstäubung führen. FIG. 4 FIG. 12 shows an electrically insulating membrane 61, partially provided with an electrode layer 62, which is vibrationally disposed near the trailing edge of the vane 50 flush with the vane surface. The ability of the membrane 61 to vibrate is ensured by a corresponding cavity 60 in the vane 50 forming a cavity. By applying a suitable alternating voltage to the electrode layer 62, the membrane 61 is excited to high-frequency oscillations, which are transmitted to the water film and thus lead to its atomization.

Eine solche Membran kann z. B. aus einer Kunststofffolie bestehen. Auch andere Materialien sind möglich. Die Folie ist in die Schaufel derart eingelassen, dass eine glatte Schaufeloberfläche gebildet ist.Such a membrane may, for. B. consist of a plastic film. Other materials are possible. The film is embedded in the blade so that a smooth blade surface is formed.

Figur 5 zeigt eine andere Ausführungsform des in die Leitschaufel 50 eingelassenen kapazitiven Schallwandlers nach Figur 4, bei dem die als dünner Metallfilm ausgelegte Elektrode 62' durch die Membran 61 vor Dampf und Nässe geschützt ist, indem sie auf der dem Hohlraum 60 zugewandten Seite der Membran 61 angebracht wird. FIG. 5 shows another embodiment of the recessed into the vane 50 capacitive transducer after FIG. 4 in that the electrode 62 'designed as a thin metal film is protected from vapor and moisture by the membrane 61 by being mounted on the side of the membrane 61 facing the cavity 60.

Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines in eine Leitschaufel eingelassenen kapazitiven Schallwandlers, bei der eine schwingungsfähige Membran 66 aus einer Metallfolie gebildet ist, wobei in diesem Fall die Membran 66 in einen elektrisch isolierenden Rahmen 65 aus isolierendem Material getragen wird, der auf den Hohlrum 60 aufgesetzt ist. Es ergibt sich ebenfalls eine glatte Schaufeloberfläche. Eine separate Elektrode ist wegen der elektrisch leitfähigen Membran nicht notwendig. FIG. 6 FIG. 5 shows an alternative embodiment of a capacitive sound transducer embedded in a vane, in which a vibratable membrane 66 is formed of a metal foil, in which case the membrane 66 is carried in an electrically insulating frame 65 of insulating material placed on the cavity 60 , It also results in a smooth blade surface. A separate electrode is not necessary because of the electrically conductive membrane.

In allen Fällen der Figuren 3 bis 6 wird die Auslegung der Membran so gewählt, dass sich Schwingungsfrequenzen f von mindestens 10 kHz, bevorzugt jedoch 100 kHz bis 1 MHz, anregen lassen.In all cases the FIGS. 3 to 6 the design of the membrane is chosen so that oscillation frequencies f of at least 10 kHz, but preferably 100 kHz to 1 MHz, stimulate.

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion lassen sich mit weiteren Maßnahmen kombinieren, wie sie in der der parallelen Patentanmeldung der Anmelderin mit gleicher Anmeldepriorität und der Bezeichnung "Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle der Tropfengröße und zugehörige Dampfturbine" offenbart werden.The measures described above for reducing drop impact erosion can be combined with further measures as disclosed in the Applicant's copending patent application with the same application priority and the term "Method for reducing drop impact erosion in steam turbines by controlling the droplet size and associated steam turbine".

Claims (19)

Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung der Tropfenschlagerosion in einer Dampfturbine, die Leitschaufeln und anschließende Laufschaufeln enthält, an denen Flüssigkeit kondensiert und als Tröpfchen abgeschieden wird, wobei kleine Primärtropfen und größere Sekundärtropfen entstehen, mit folgenden Maßnahmen: - die Sekundärtropfen werden am Ort der Entstehung oder in unmittelbarer Nähe dazu mittels akustisch angeregter Schwingungen zerkleinert, - die dabei entstandenen kleineren, leichteren und damit besser beschleunigbaren Tröpfchen folgen der Dampfströmung besser, - dadurch wird die Zahl und erodierende Wirkung der Tropfeneinschläge auf nachfolgenden Turbinenschaufelreihen reduziert. A method of reducing or avoiding drop impact erosion in a steam turbine, comprising vanes and subsequent blades, at which liquid condenses and separates as droplets to form small primary droplets and larger secondary droplets, comprising: the secondary drops are comminuted at the place of formation or in the immediate vicinity thereof by means of acoustically excited vibrations, - the resulting smaller, lighter and thus better accelerated droplets follow the steam flow better, - This reduces the number and eroding effect of the droplet impacts on subsequent turbine blade rows. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärtropfen bei der Entstehung an den Leitschaufeln oder in unmittelbarer Nähe dazu zerkleinert werden.A method according to claim 1, characterized in that the secondary drops are crushed in the formation of the guide vanes or in the immediate vicinity thereof. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärtropfen durch Ultraschallzerstäubung zerkleinert werden.A method according to claim 2, characterized in that the secondary drops are comminuted by ultrasonic atomization. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Ultraschall piezoelektrischer Schallwandler verwendet wird.A method according to claim 3, characterized in that is used to generate ultrasound piezoelectric transducer. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Ultraschall kapazitiver Schallwandler verwendet wird.A method according to claim 3, characterized in that is used to generate ultrasonic capacitive transducer. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran für den kapazitiven Schallwandler eine Membran aus Kunststoff, die partiell mit einem Metallfilm versehen ist, verwendet wird.A method according to claim 5, characterized in that the membrane for the capacitive sound transducer is a membrane made of plastic, which is partially provided with a metal film is used. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den kapazitiven Schallwandler eine Membran aus einem Metall, die isoliert in die Leistschaufel eingesetzt ist, verwendet wird.A method according to claim 5, characterized in that for the capacitive transducer, a membrane of a metal, which is used in isolation in the power vane, is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaktuator durch eine Beschichtung geschützt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration actuator is protected by a coating. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaktuator durch einen zwischen Schaufel und Aktuator angeordneten Isolator vom Leitschaufelmaterial elektrisch ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration actuator is electrically carried out by a arranged between the blade and actuator insulator from the guide blade material. Dampfturbine mit einer Hilfseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9 mit Leitschaufeln innerhalb des Dampfturbinengehäuses und mehreren Reihen von Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Leitschaufel (5, 5', 5'', ...; 50) piezoelektrisches Material (14) mit wenigstens einer Elektrode (12) vorhanden ist, wobei der Leitschaufel (5, 5', 5'', ...; 50) Mittel (15) zur elektrischen Anregung des piezoelektrischen Materials (16, 56) zugeordnet sind.Steam turbine with an auxiliary device for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 9 with guide vanes within the steam turbine housing and a plurality of rows of moving blades, characterized in that at least one guide vane (5, 5 ', 5'', ... 50) piezoelectric material (14) having at least one electrode (12) is provided, wherein the guide vane (5, 5 ', 5'', ..., 50) means (15) for the electrical excitation of the piezoelectric material (16, 56) are assigned. Dampfturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (56)in der Nähe der Abrisskante (AK) der Leitschaufel (50) angeordnet ist.Steam turbine according to claim 10, characterized in that the piezoelectric material (56) in the vicinity of the trailing edge (AK) of the vane (50) is arranged. Dampfturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material (56) eine Beschichtung auf der Leitschaufel (50) bildet und auf der Schicht aus piezoelektrischen Material (56) eine Elektrode (52) angeordnet ist.Steam turbine according to claim 11, characterized in that the piezoelectric material (56) forms a coating on the vane (50) and on the layer of piezoelectric material (56) an electrode (52) is arranged. Dampfturbine nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator und die zu dessen Anregung verwendete Elektrode als Leitschaufelsegmente ausgeführt sind.Steam turbine according to claim 11 or claim 12, characterized in that the piezoelectric actuator and the zu whose excitation electrode used are designed as vane segments. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitschaufeln (5, 5', 5'', ...; 50) geerdet ist und dass die Elektroden (12, 52) mit einer hochfrequenten Wechselspannung vorgegebener Frequenz (f) beaufschlagbar sind.Steam turbine according to one of claims 10 to 13, characterized in that the at least one guide vanes (5, 5 ', 5'',...; 50) is grounded and that the electrodes (12, 52) with a high-frequency AC voltage of predetermined frequency (f) can be acted upon. Dampfturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselspannungsquelle (15) vorhanden ist.Steam turbine according to claim 14, characterized in that an AC voltage source (15) is present. Dampfturbine mit einer Hilfseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9, mit Leitschaufeln innerhalb des Dampfturbinengehäuses und mehreren Reihen von Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an einer Leitschaufel (5, 5', 5'', ...; 50) eine schwingfähige Membran (61) einer Aussparung (60) vorhanden ist, wobei der Leitschaufel (5, 5', 5'', ...; 50)) Mittel (15, U(t)) zur elektrischen Anregung der Membran (61, 65) zugeordnet sind.Steam turbine with an auxiliary device for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 9, with guide vanes inside the steam turbine housing and a plurality of rows of moving blades, characterized in that at least one guide vane (5, 5 ', 5'', .. 50), a vibratable diaphragm (61) of a recess (60) is provided, wherein the guide vane (5, 5 ', 5'',...; 50)) means (15, U (t)) for electrical excitation associated with the membrane (61, 65). Dampfturbine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (61, 65) in der Nähe der Abrisskante (AK) der Leitschaufel (50) angeordnet ist.Steam turbine according to claim 16, characterized in that the membrane (61, 65) in the vicinity of the trailing edge (AK) of the guide vane (50) is arranged. Dampfturbine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (61) aus elektrisch isolierendem Material besteht und dass der Aufbau eine Leitschaufel (50) mit Aussparung als Hohlraum (60), Membran (61) und Elektrode (62) einen kapazitiven Schallwandler bildet.Steam turbine according to claim 16, characterized in that the membrane (61) consists of electrically insulating material and that the structure of a guide vane (50) with recess as a cavity (60), membrane (61) and electrode (62) forms a capacitive transducer. Dampfturbine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Membran (66) vorhanden ist, die gegenüber der Leitschaufel isoliert angeordnet ist.Steam turbine according to claim 16, characterized in that a metallic membrane (66) is provided, which is arranged insulated relative to the guide vane.
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