EP2481885A1 - Leitschaufelreihe sowie Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer solchen Leitschaufelreihe - Google Patents

Leitschaufelreihe sowie Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer solchen Leitschaufelreihe Download PDF

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EP2481885A1
EP2481885A1 EP11152916A EP11152916A EP2481885A1 EP 2481885 A1 EP2481885 A1 EP 2481885A1 EP 11152916 A EP11152916 A EP 11152916A EP 11152916 A EP11152916 A EP 11152916A EP 2481885 A1 EP2481885 A1 EP 2481885A1
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steam
vane
row
vanes
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EP11152916A
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Tilman Auf Dem Kampe
Ulrich Beul
Boris Dobrzynski
Ralf Hoffacker
Mario Koebe
Dieter Minninger
Uwe Sieber
Andreas Stiehm
Stefan Völker
Adam Zimmermann
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
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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
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    • 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
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    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/148—Blades with variable camber, e.g. by ejection of fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes

Definitions

  • the invention relates to a guide vane row for a steam turbine according to the preamble of claim 1, as well as a method for fine adjustment of the absorption capacity of such a guide vane row.
  • Vanes rows have a plurality of vanes, which are arranged distributed uniformly over the circumference, wherein between the vanes blade channels are formed. Radially, the blade channels are limited on the hub side by a hub contour ring and on the housing side by a housing contour ring.
  • the absorption capacity of the steam turbine is largely determined by the absorption capacity of the first guide vane row, so that in the design of the steam turbine this vane row is of particular importance.
  • the absorption capacity of this first row of guide vanes which is also referred to as the vane ring, is determined essentially by its flow cross section, which comprises the entirety of all effective cross sections of the vane ducts.
  • the vane rows, and in particular the vane ring at nuclear power plants, are subject in their manufacture building tolerances of about conventional ⁇ 2%.
  • the flow cross-section and thus the actual swallowing capacity deviate from the size originally used in the design of the steam turbine.
  • the steam steam turbine main steam valve must be throttled at a constant turbine speed and constant live steam pressure in order to maintain the live steam pressure in front of the steam turbine. The throttling then leads to an additional loss of vapor pressure via the main steam valve. If the steam turbine used in a nuclear power plant, for example, it may lead to a drop in generator power of up to 5 megawatts.
  • the vanes of the steam turbine are usually designed to be about 2% too large.
  • the invention has for its object to provide a guide vane row for a steam turbine and a method for fine adjustment of the absorption capacity of such a guide vane row, with which the aforementioned disadvantages are overcome.
  • Such an adjustment or fine adjustment is preferably carried out once when commissioning the steam turbine by the actual and desired value of the ability to swallow the vane row is compared and the pressure of the injected steam is controlled so that the actual value within an allowable tolerance band of Target value comes to rest.
  • the regulation of the ability to swallow can also be repeated as required, for example during the later operation of the steam turbine during a load change.
  • the ability to swallow can also be reduced and increased dynamically during operation, thus adapting to current operating conditions.
  • the fact that the pressure which is present in the interior of the at least one guide vane makes it possible to adjust the absorption capacity of the steam turbine variably and quickly adapted to current operating conditions.
  • the steam is injected into the blade channels via the blade sides of the guide blades in such a way that a virtually uniform boundary layer is formed on the surfaces of the blade sides.
  • At least one of the bushings is arranged so that a correspondingly changed flow profile between the guide vanes is achieved.
  • a more homogeneous boundary layer can be achieved if several vapor passages are arranged next to one another distributed over the height of the guide blade and / or over the profile circumference.
  • the guide vane ring is designed according to the invention as the first row of guide vanes of the steam turbine, since it determines the absorption capacity of the steam turbine, especially in the case of nuclear power plants. Further injections from at least one of the guide vanes of a plurality, for example, the guide vane ring subsequent, rows of guide blades improve the inventive method on.
  • the method according to the invention can be realized in a particularly simple manner if the injected steam is tapped off upstream of the respective row of guide blades to be matched, in particular in front of a main steam valve for the first row of vanes, since there is always steam at a higher pressure level than the row of guide vanes itself to be adapted.
  • such flow channels K are determined by a plurality of blade channels, which form through free spaces between the guide vanes L arranged adjacent to one another in the circumferential direction of a row of guide blades.
  • the cross section across all blade channels then forms the flow cross section which is effectively available for a process steam mass flow P as the process medium.
  • a steam D injected under pressure from the guide blade L into a blade channel K obstructs this process steam mass flow P and thus acts more or less like a narrowing of the flow cross-section which is effectively available to it, which leads to a reduction in the absorption capacity of the steam turbine.
  • FIGS. 2 to 4 Various exemplary embodiments of guide vanes L designed according to the invention are shown in FIGS. 2 to 4 shown schematically.
  • two sections through vanes FIGS. 2 and 3
  • a plan view of the profile of a vane FIG. 4
  • passages B any type of openings in the guide vane wall are possible, which allow vapor D from the interior of the guide vanes out to the surface of the vane.
  • This can be simple holes, or even elongated recesses as in FIG. 4 shown in plan view.
  • a vane L has at least one single passage B, which is arranged, for example, in the region of the front edge of the suction side of the vane.
  • the passage can be made elongated over the height of the vane L as a single passage, or as in plan view in FIG FIG. 4 shown consist of several over the height of the vane in a row lying individual bushings B.
  • a plurality of distributed over the profile of the guide blade L rows with bushings B are provided, wherein also here the rows are preferably arranged in the region of the front edge of the suction side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufelreihe für eine Dampfturbine, mit einer Anzahl über den Umfang gleichmäßig verteilter Leitschaufeln (L) zwischen denen jeweils Schaufelkanäle (K) ausgebildet sind, wobei zumindest eine der Leitschaufeln (L) zumindest eine Durchführung (B) zum Eindüsen von Dampf aus dem Inneren der Leitschaufel (L) heraus in die Schaufelkanäle (K) aufweist. Zur Feinjustage der Schluckfähigkeit der Leitschaufelreihe wird ein Ist-Wert und ein Soll-Wert der Schluckfähigkeit der Leitschaufelreihe ermittelt und dann Dampf aus zumindest einer Leitschaufel der Leitschaufelreihe in Schaufelkanäle zwischen den Leitschaufeln eingedüst, wenn der Ist-Wert größer als der Soll-Wert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leitschaufelreihe für eine Dampfturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer solchen Leitschaufelreihe.
  • Um einen wirtschaftlichen Betrieb einer Dampfturbine zu erzielen, ist es von Bedeutung, dass der geforderte Prozessdampfmassenstrom eines Dampferzeugers, beispielsweise eines Kernkraftwerks, die Dampfturbine passieren kann. Entscheidend dabei ist die Schluckfähigkeit der Turbine. Generell ist die Schluckfähigkeit definiert als ein Massenstrom, der bei gegebenem Druck vor und hinter einer Beschaufelung durch diese strömen kann, was im Prinzip der Dampfkegelgleichung entspricht. In diese geht auch die Dichte, sprich die Temperatur des Dampfes ein.
  • Von besonderer Bedeutung ist diese Schluckfähigkeit der Beschaufelung in Kernkraftwerken, da hier der Frischdampfdruck direkt die Leistung des Dampferzeugers beeinflusst. Leitschaufelreihen weisen dabei eine Vielzahl an Leitschaufeln auf, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind, wobei zwischen den Leitschaufeln Schaufelkanäle ausgebildet sind. Radial sind die Schaufelkanäle nabenseitig begrenzt von einem Nabenkonturring und gehäuseseitig von einem Gehäusekonturring. Die Schluckfähigkeit der Dampfturbine wird maßgeblich durch die Schluckfähigkeit des ersten Leitschaufelreihe vorgegeben, so dass bei der Auslegung der Dampfturbine dieser Leitschaufelreihe von besonderer Bedeutung ist. Die Schluckfähigkeit dieser ersten Leitschaufelreihe, die auch als Leitschaufelkranz bezeichnet wird, wird dabei im Wesentlichen durch dessen Strömungsquerschnitt bestimmt, der die Gesamtheit aller effektiven Querschnitte der Schaufelkanäle umfasst.
  • Die Leitschaufelreihen, und insbesondere der Leitschaufelkranz bei Kernkraftwerken, unterliegen bei ihrer Herstellung Bautoleranzen von herkömmlich etwa ±2%. In der Folge weichen auch der Strömungsquerschnitt und somit die real vorliegende Schluckfähigkeit von der ursprünglich bei der Auslegung der Dampfturbine zugrunde gelegten Größe ab. Fällt die Schluckfähigkeit der Dampfturbine aus reaktortechnischer Sicht zu groß aus, muss bei konstanter Turbinendrehzahl und konstantem Frischdampfdruck das Frischdampfventil der Dampfturbine entsprechend angedrosselt werden um vor der Dampfturbine den Frischdampfdruck zu halten. Das Androsseln führt dann zu einem zusätzlichen Dampfdruckabfall über das Frischdampfventil. Ist die Dampfturbine beispielsweise in einem Kernkraftwerk eingesetzt, so kann es zu einem Abfall der Generatorleistung von bis zu 5 Megawatt kommen. Fällt hingegen die Schluckfähigkeit der Dampfturbine zu klein aus, muss der Prozessdampfmassenstrom entsprechend verringert werden, wodurch sich die Generatorleistung noch weiter absenkt. Um dieses ungünstige Szenario zu vermeiden, sind die Leitschaufeln der Dampfturbine in der Regel um ca. 2% zu groß ausgelegt. Während es aber bei einer Leitschaufelreihe mit zu kleinen Strömungsquerschnitten in gewissen Grenzen die Möglichkeit gibt die Schluckfähigkeit durch eine Nachbearbeitung zu erhöhen, ist eine solche Nachbearbeitung bei einer Leitschaufelreihe bzw. einem Leitschaufelkranz mit zu kleinen Leitschaufeln und damit zu großen Strömungsquerschnitten nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufelreihe für eine Dampfturbine und ein Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer solchen Leitschaufelreihe anzugeben, mit dem die zuvor genannten Nachteile überwunden werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Leitschaufelreihe für eine Dampfturbine gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer Leitschaufelreihe gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Dadurch, dass der über zumindest eine Durchführung aus zumindest einer Leitschaufel einer Leitschaufelreihe austretende Dampf in die zwischen den Leitschaufeln befindlichen Schaufelkanäle eingedüst wird, wird der durch diese Schaufelkanäle strömenden Prozessdampfmassenstrom behindert. Folglich wird der dem Prozessdampfmassenstrom zur Verfügung stehende effektive Strömungsquerschnitt der Schaufelkanäle eingeengt und somit letztendlich eine Reduzierung der Schluckfähigkeit der Leitschaufelreihe und damit der Dampfturbine erreicht. Für den Prozessdampf wirkt der eingedüste Dampf dabei wie eine weitere Drosselung seines Massedurchflusses durch die Dampfturbine. Durch eine entsprechende Eindüsung können nun auch zu klein geratene Leitschaufeln und damit Leitschaufelreihen mit zu großen Strömungsquerschnitten nachjustiert werden und müssen nicht ausgetauscht werden. Dies funktioniert besonders einfach, wenn der Dampf im Innern einer Leitschaufel einen Druck aufweist, der über dem in den Schaufelkanälen vorliegenden Prozessdampfdruck (Sattdampfdruck bei Kernkraftwerken bzw. überhitzter Dampf bei fossilen Kraftwerken) liegt.
  • Eine solche Justage bzw. Feinjustage wird vorzugsweise einmalig bei der Inbetriebnahme der Dampfturbine erfolgen, indem der Ist- und Soll-Wert der Schluckfähigkeit der Leitschaufelreihe verglichen wird und der Druck des eingedüsten Dampfes so geregelt wird, dass der Ist-Wert innerhalb eines zulässigen Toleranzbandes des Soll-Werts zum Liegen kommt. Die Regelung der Schluckfähigkeit kann aber auch je nach Bedarf, z.B. während des späteren Betriebs der Dampfturbine bei einem Lastwechsel, wiederholt werden. Somit kann die Schluckfähigkeit auch dynamisch während des Betriebs sowohl verringert als auch erhöht und so auf aktuelle Betriebsbedingungen angepasst werden. Insgesamt wird dadurch, dass der im Innern der zumindest einen Leitschaufel vorliegende Druck regelbar ist eine Möglichkeit geschaffen, die Schluckfähigkeit der Dampfturbine variabel und schnell an aktuelle Betriebsbedingungen anzupassen.
  • Vorteilhafterweise wird der Dampf über die Schaufelseiten der Leitschaufeln so in die Schaufelkanäle eingedüst, dass eine nahezu gleichmäßige Grenzschicht auf den Oberflächen der Schaufelseiten entsteht. Dadurch wird eine ähnliche Wirkung erreicht, wie im Falle dass die Leitschaufeln durch größere Leitschaufeln ausgetauscht werden müssten. Zumindest eine der Durchführungen ist dabei so angeordnet, dass ein entsprechend verändertes Strömungsprofil zwischen den Leitschaufeln erzielt wird. Eine homogenere Grenzschicht lässt sich erreichen, wenn mehrere Dampfdurchführungen nebeneinander über die Höhe der Leitschaufel und/oder über deren Profilumfang verteilt angeordnet sind.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Leitschaufekranz als erste Leitschaufelreihe der Dampfturbine erfindungsgemäß ausgebildet ist, da dieser gerade bei Kernkraftwerken die Schluckfähigkeit der Dampfturbine maßgeblich bestimmt. Weitere Eindüsungen aus zumindest einer der Leitschaufeln aus mehreren, beispielsweise dem Leitschaufelkranz nachfolgende, Leitschaufelreihen verbessern das erfindungsgemäße Verfahren weiter.
  • Besonders einfach lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dann realisieren, wenn der eingedüste Dampf stromaufwärts vor der jeweiligen anzupassenden Leitschaufelreihe, insbesondere vor einem Frischdampfventil für die erste Leitschaufelreihe abgegriffen wird, da hier immer Dampf mit einem höherem Druckniveau als an der anzupassenden Leitschaufelreihe selbst vorliegt.
  • Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
    • FIG 1 schematisch das Wirkprinzip der Erfindung,
    • FIG 2-4 schematisch Beispiele erfindungsgemäß ausgebildeter Leitschaufeln.
  • Anhand der Darstellung in FIG 1 ist deutlich erkennbar, wie ein durch eine Durchführung B der Leitschaufel L in einen Strömungskanal K eingedüstes Medium D, ein durch diesen Strömungskanal K hindurchströmendes Prozessmedium P behindert und damit dessen zur Verfügung stehenden effektiven Strömungsquerschnitt verringert. Diese Drosselwirkung ist hier eindimensional zwischen zwei Leitschaufeln L mit Hilfe der Pfeile für das Prozessmedium P dargestellt.
  • Im Falle einer Dampfturbine werden solche Strömungskanäle K bestimmt durch eine Vielzahl von Schaufelkanälen, welche sich durch Freiräume zwischen den in Umfangsrichtung einer Leitschaufelreihe benachbart angeordneter Leitschaufeln L ausbilden. Der Querschnitt über alle Schaufelkanäle bildet dann den effektiv für einen Prozessdampfmassenstrom P als Prozessmedium zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt. Ein unter Druck aus der Leitschaufel L heraus in einen Schaufelkanal K eingedüster Dampf D behindert diesen Prozessdampfmassenstrom P und wirkt damit quasi wie eine Einengung des ihm effektiv zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts, was zu einer Verringerung der Schluckfähigkeit der Dampfturbine führt. Durch eine entsprechende Eindüsung von Dampf D über entsprechende Durchführungen B aus den Leitschaufeln L in Schaufelkanäle K kann so die Schluckfähigkeit der Leitschaufelreihe und damit der Dampfturbine innerhalb bestimmter Grenzen feinjustiert werden, ohne dass mechanische Veränderungen an der Leitschaufelreihe selbst vorgenommen werden müssen.
  • Verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen erfindungsgemäß ausgebildeter Leitschaufeln L sind in FIG 2 bis 4 schematisch dargestellt. Hier zu sehen sind zum einen zwei Schnitte durch Leitschaufeln (FIG 2 und 3) sowie eine Draufsicht auf das Profil einer Leitschaufel (FIG 4). Als Durchführungen B kommen dabei jede Art von Öffnungen in der Leitschaufelwand in Frage, die es erlauben Dampf D aus dem Inneren der Leitschaufeln heraus an die Oberfläche der Leitschaufel ausströmen zu lassen. Das können einfache Bohrungen sein, oder auch längliche Ausnehmungen wie in FIG 4 in der Draufsicht gezeigt. Erfindungsgemäß genügt es, wenn eine Leitschaufel L zumindest eine einzige Durchführung B aufweist, welche beispielsweise im Bereich der Vorderkante der Saugseite der Leitschaufel angeordnet ist. Zur gleichmäßigeren Verteilung des aus dem Inneren der Leitschaufel heraus strömenden Dampfes kann die Durchführung über die Höhe der Leitschaufel L länglich ausgedehnt als eine einzige Durchführung ausgebildet sein, oder so wie in der Draufsicht in FIG 4 dargestellt aus mehreren über die Höhe der Leitschaufel in einer Reihe liegenden einzelnen Durchführungen B bestehen. Um eine noch gleichmäßigere Verteilung zu erreichen, kann es zudem vorteilhaft sein, dass wie im Schnittbild und der Draufsicht der FIG 3 und 4 dargestellt, mehrere über das Profil der Leitschaufel L verteilte Reihen mit Durchführungen B vorgesehen sind, wobei auch hier die Reihen vorzugsweise im Bereich der Vorderkante der Saugseite angeordnet sind.

Claims (14)

  1. Leitschaufelreihe für eine Dampfturbine, mit einer Anzahl über den Umfang gleichmäßig verteilter Leitschaufeln (L) zwischen denen jeweils Schaufelkanäle (K) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Leitschaufeln (L) zumindest eine Durchführung (B) zum Eindüsen von Dampf aus dem Inneren der Leitschaufel (L) heraus in die Schaufelkanäle aufweist.
  2. Leitschaufelreihe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf im Innern der zumindest einen Leitschaufel einen Druck aufweist, der über dem in den Schaufelkanälen vorliegenden Prozessdampfdruck liegt.
  3. Leitschaufelreihe nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der im Innern der zumindest einen Leitschaufel vorliegende Druck regelbar ist.
  4. Leitschaufelreihe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schaufelseite der zumindest einen Leitschaufel mehrere Durchführungen aufweist, die nebeneinander über die Höhe der Leitschaufel und/oder über den Profilumfang der Leitschaufel verteilt angeordnet sind.
  5. Leitschaufelreihe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelreihe die erste Leitschaufelreihe der Dampfturbine bildet.
  6. Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer Leitschaufelreihe einer Dampfturbine mit den Schritten:
    - Ermitteln eines Ist-Werts und eines Soll-Werts der Schluckfähigkeit der Leitschaufelreihe,
    - Eindüsen von Dampf aus zumindest einer Leitschaufel der Leitschaufelreihe in Schaufelkanäle zwischen den Leitschaufeln, wenn der Ist-Wert größer als der Soll-Wert ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf aus zumindest einer der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelreihe heraus eingedüst wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf aus zumindest einer Leitschaufel aus mehreren Leitschaufelreihen heraus eingedüst wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der eingedüste Dampf von einem höheren Druckniveau der Dampfturbine abgegriffen wird und das Druckniveau den Druck des eingedüsten Dampfes bestimmt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der eingedüste Dampf stromaufwärts vor der jeweiligen Leitschaufelreihe abgegriffen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des eingedüsten Dampfes so geregelt wird, dass der Ist-Wert innerhalb eines zulässigen Toleranzbandes des Soll-Werts zum Liegen kommt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf über zumindest eine Schaufelseite der zumindest einen Leitschaufel so in die Schaufelkanäle eingedüst wird, dass eine nahezu gleichmäßige Grenzschicht auf der Oberfläche der Schaufelseite entsteht.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Ist- und Soll-Wertes und die Regelung des eingedüsten Dampfes bei der Inbetriebnahme der Dampfturbine erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Ist- und Sollwertes und die Regelung des eingedüsten Dampfes bei einem Lastwechsel der Dampfturbine erfolgt.
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