EP2859192B1 - Einströmsegment für eine strömungsmaschine - Google Patents

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EP2859192B1
EP2859192B1 EP13739171.0A EP13739171A EP2859192B1 EP 2859192 B1 EP2859192 B1 EP 2859192B1 EP 13739171 A EP13739171 A EP 13739171A EP 2859192 B1 EP2859192 B1 EP 2859192B1
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inflow segment
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Christian Musch
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/30—Application in turbines
    • F05B2220/301—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine comprising a rotor rotatably supported about a rotation axis, rotor blades disposed on the rotor, a casing disposed around the rotor, vanes disposed on the casing, a flow passage interposed between formed in the housing and the housing is arranged for the inflow of steam, an inflow segment, which is arranged in the housing, inflow segment guide vanes, which are arranged in the inflow segment.
  • Turbomachines such as Steam turbines are used for example in the energy supply.
  • such turbomachines comprise a rotatably mounted rotor and a housing arranged around the rotatably mounted rotor.
  • the housing is divided into an inner housing and an outer housing arranged around the inner housing.
  • the rotors of such engineered turbomachines include blades that are disposed between vanes disposed on the inner shell and define a flow passage through which a flow medium flows.
  • steam is the flow medium.
  • the invention has set itself the task of specifying an improved turbomachine.
  • An essential feature here is that bores are carried out, which are arranged in the inflow segment and produce a fluidic connection between the inflow and a relief space, which is arranged between the inflow segment and the rotor.
  • the bores are designed in such a way that a part of an inflow steam is passed through the bores and part of the inflow steam through the inflow segment vanes.
  • the inflow segment has a hub-side ring segment, in which the bores are formed.
  • the bores are seen in the flow direction of the inflow vapor upstream of the inflow segment vanes arranged.
  • a portion of the steam can be discharged directly before flowing through the inflow ring. This allows better cooling.
  • the bores are inclined by an angle ⁇ which lies between 40 ° and 80 ° with respect to a radial direction passing through the axis of rotation. This allows optimal cooling effects to be achieved ; since the swirl of the steam flowing in under the inflow segment is essential for cooling as effectively as possible.
  • the inflow 11 is provided for the flow of steam and designed accordingly.
  • the inner housing 8 has in this area a projection 20 on which an inflow segment 21 is arranged.
  • the inflow segment 21 is substantially formed as a ring and installed in the inner housing 8. At the outer diameter of the inflow segment 21, the inflow segment 21 is fitted in a groove 22.
  • the inflow segment 21 has a hub-side ring segment 23 which is connected to the inner housing 8 via a second sealing element 24.
  • the hub-side ring segment 23 has a sealing groove 25 into which the second sealing element 24 is fitted.
  • the inner housing 8 also has a groove 26 in which the other end of the second sealing element 24 is arranged.
  • the inflow segment 21 has inflow segment vanes 27 integrally formed with the inflow segment 21.
  • FIG. 3 shows a sectional view through the inflow segment 21.
  • inflow segment vane is designated by reference numeral 27.
  • six holes 29 are executed, which are formed in a tangential direction to the discharge chamber 30 at an angle ⁇ .
  • the direction of rotation of the rotor 3 is counterclockwise.
  • the angle ⁇ is explained on the bore 29 in the twelve o'clock position. From the axis of rotation 2 from a reference line 35 is shown in the radial direction. At an angle ⁇ , which is between 40 ° and 80 °, a bore 29 is executed. Through this bore 29, the mass flow M 1 flows . Due to the applied twist of the steam undergoes a change in velocity and thus a reduction in the static temperature of the steam relative to the rotating system, which then leads to a cooling of the surface of the rotor 3 relative to the temperature of the mass flow M tot .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, umfassend einen Rotor, der drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist, Laufschaufeln, die auf dem Rotor angeordnet sind, ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist, Leitschaufeln, die am Gehäuse angeordnet sind, einen Strömungskanal, der zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ausgebildet ist, eine Zuströmung, die im Gehäuse angeordnet ist und zum Zuströmen von Dampf ausgebildet ist, ein Einströmsegement, das im Gehäuse angeordnet ist, Einströmsegment-Leitschaufeln, die im Einströmsegment angeordnet sind.
  • Strömungsmaschinen, wie z.B. Dampfturbinen, werden beispielsweise in der Energieversorgung eingesetzt. Im Wesentlichen umfassen solche Strömungsmaschinen einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den drehbar gelagerten Rotor angeordnetes Gehäuse. In der Regel wird das Gehäuse in ein Innengehäuse und ein um das Innengehäuse angeordnetes Außengehäuse eingeteilt. Die Rotoren solch ausgeführter Strömungsmaschinen umfassen Laufschaufeln, die zwischen am Innengehäuse angeordneten Leitschaufeln angeordnet sind und einen Strömungskanal bilden, durch den ein Strömungsmedium strömt. In einer als Dampfturbine ausgebildeten Ausführungsform der Strömungsmaschine ist Dampf das Strömungsmedium.
  • Das in eine Strömungsmaschine einströmende Strömungsmedium weist vergleichsweise hohe Temperaturen auf. So ist bei Dampfturbinen als Ausführungsform einer Strömungsmaschine der Dampf derart erhitzt, dass der Dampf Temperaturen von über 600 C aufweisen kann. Solch hohe Temperaturen führen zu großen thermischen Belastungen der Strömungsmaschine. Insbesondere werden die Bauteile der Strömungsmaschine thermisch belastet, die im Einströmbereich des Strömungsmediums angeordnet sind. Darüber hinaus ist der Rotor ebenfalls besonders an der Stelle an der das Strömungsmedium in die Strömungsmaschine einströmt besonders thermisch belastet. Die Materialien müssen geeignet gewählt werden, damit die Strömungsmaschine betrieben werden kann.
  • Allerdings sind dadurch die Einsatzgrenzen eines Rotors begrenzt, da die thermische Belastung nur bis zu einem Grenzwert zulässig und möglich ist. Beispielsweise lassen die maßgeblichen Festigkeitskennwerte der eingesetzten Materialien bei zu hohen Temperaturen überproportional nach. Aus der Temperatur, die das Material des Rotors aufweist, ergeben sich beispielsweise die maximal zulässigen Wellendurchmesser, bezogen auf die Auslastung im Welleninneren oder auch maximal zulässige Fliehkräfte im randnahen Bereich von Rotoren, die besonders bei 60 Hz Anwendungen zur Einschränkung führen können. Abhilfe wird geschaffen durch Temperaturabsenkung, die durch Kühlung der Oberfläche erfolgen kann oder durch Kühlung des Welleninneren, die entweder eine Erweiterung der mechanischen Einsatzgrenzen des Rotors bei gegebenem Werkstoff erzielen oder in anderen Fällen ein Wechsel zu hochwertigeren und teureren Werkstoffen vermeiden.
  • Derzeitige Strömungsmaschinen weisen ein Einströmsegment auf, das im Zuströmungskanal der Strömungsmaschine angeordne ist. Dieses Einströmsegment weist einen Leitschaufelring auf siehe z.B US 2 244 983 . Der in die Strömungsmaschine zuströmende Frischdampf trifft zunächst auf die Leitschaufeln dieses Einströmsegments. In der Regel wird dieses Einströmsegment am Innengehäuse angeordnet. Ein physikalischer Effekt, der mit dem Einströmsegment erzielt werden kann, ist, dass der Frischdampf einen erhöhten Drall aufweist und dadurch zu Temperaturabsenkungseffekten der Einströmentlastungsnut führt. Dadurch wird eine moderate Kühlung erreicht, die die thermische Auslastung der ersten Turbinenschaufelfüße als auch des Welleninneren reduziert. Solche Einströmsegmente werden auch als Diagonalstufen bezeichnet.
  • Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Strömungsmaschine anzugeben.
  • Erreicht wird dies durch eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1.
  • Ein wesentliches Merkmal hierbei ist, dass Bohrungen ausgeführt werden, die im Einströmsegment angeordnet sind und eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Zuströmung und einem Entlastungsraum, der zwischen dem Einströmsegment und dem Rotor angeordnet ist, herstellt.
  • Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Temperatur an der Wellenoberfläche stärker abzusenken, indem Bohrungen, die als Tangentialbohrungen ausgeführt sind, angeordnet werden. Dadurch wird der Strömung des Strömungsmediums unterhalb des Einströmsegments eine vorgegebene Umfangsgeschwindigkeit aufgeprägt. Dadurch ergibt sich an der Wellenoberfläche der gewünschte Kühlungseffekt. Durch eine Benetzung des Bereichs der Wellenoberfläche in der Entlastungsnut mit Temperaturen unter der Frischdampf-Temperatur ergibt sich auch eine Temperaturabsenkung im Bereich der Wellenachse unter der ersten Laufschaufelklaue.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • So sind in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die Bohrungen derart ausgebildet, dass ein Teil eines Zuströmdampfes durch die Bohrungen und ein Teil des Zuströmdampfes durch die Einströmsegment-Leitschaufeln geführt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Einströmsegment ein nabenseitiges Ringsegment auf, in dem die Bohrungen ausgebildet sind.
  • Vorteilhafterweise sind die Bohrungen in Strömungsrichtung des Zuströmdampfes gesehen, vor den Einströmsegment-Leitschaufeln angeordnet. Dadurch kann ein Teil des Dampfes direkt vor dem Durchströmen durch den Einströmring abgeleitet werden. Dadurch ist eine bessere Kühlung möglich.
  • Erfindungsgemäß sind die Bohrungen um einen Winkel α, der zwischen 40° und 80° liegt, gegenüber einer radialen Richtung, die durch die Rotationsachse geht, geneigt. Dadurch lassen sich optimale Kühlungseffekte erzielen; da der Drall des unter dem Einströmsegment einströmenden Dampfes wesentlich ist für eine möglichst effektive Kühlung.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung sind sechs Bohrungen ausgebildet, wobei die Anzahl von der jeweiligen Geometrie, Thermodynamik und Höhe des gewünschten Kühleffekts beeinflusst wird.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der schematisierten Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Schnittansicht durch einen Teil einer Strömungsmaschine;
    Figur 2
    eine teilperspektivische Ansicht eines Einströmrings;
    Figur 3
    eine Schnittansicht durch den Einströmring.
  • Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Strömungsmaschine. Die in Figur 1 gezeigte Strömungsmaschine ist als eine Dampfturbine 1 ausgebildet. Die Dampfturbine 1 weist einen um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 weist verschiedene Durchmesser auf. Auf einer Rotoroberfläche 4 sind Laufschaufeln 5 angeordnet. Der Übersichtlichkeit wegen ist lediglich eine Laufschaufel 5 dargestellt. Die Laufschaufel 5 weist einen Laufschaufelfuß 6 auf, der in einer entsprechenden Rotornut 7 angeordnet ist. Das unmittelbar zum Laufschaufelfuß 6 benachbarte Rotormaterial wird auch als Laufschaufelklaue bezeichnet.
  • Um den Rotor 3 ist ein Innengehäuse 8 angeordnet, das im Wesentlichen und je nach Bauform aus einem oberen Innengehäuseteil und einem unteren Innengehäuseteil bei horizontaler Teilfuge oder entsprechend aus linkem und rechtem Innengehäuseteil bei vertikaler Teilfuge ausgebildet ist. Um das Innengehäuse 8 ist ein Außengehäuse 9 angeordnet. Zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Außengehäuse 9 ist ein Dichtelement 10 angeordnet.
  • Das Innengehäuse 8 ist derart ausgebildet, dass durch eine nicht näher dargestellte Dampfzuführung eine Zuströmung 11 ausgebildet ist. Durch diese Zuströmung 11 wird Frischdampf, der Temperaturen bis 650°C oder mehr aufweisen kann, zugeführt. Das Innengehäuse 8 trägt zudem Leitschaufeln 12, die über Leitschaufelfüße 13 in entsprechende Innengehäusenuten 14 angeordnet sind.
  • Der Übersichtlichkeit wegen ist lediglich eine Leitschaufel 12 dargestellt. Zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Rotor 3 ist ein Strömungskanal 15 ausgeführt, der durch die Leitschaufeln 12 und Laufschaufeln 5 gebildet ist. Der Rotor 3 ist mit einem Schubausgleichskolben 16 ausgebildet, der im Wesentlichen einen größeren Durchmesser aufweist. Zwischen der Oberfläche 17 des Schubausgleichskolbens 16 und dem Innengehäuse 8 ist eine Wellendichtung 18 ausgebildet. In Rotationsrichtung gesehen vor dem Schubausgleichskolben 16 weist der Rotor 2 einen geringeren Durchmesser auf, wobei in diesem Abschnitt eine zweite Wellendichtung 19 angeordnet ist.
  • Die Zuströmung 11 ist zum Zuströmen von Dampf vorgesehen und dementsprechend ausgebildet. Das Innengehäuse 8 weist in diesem Bereich einen Vorsprung 20 auf, an dem ein Einströmsegment 21 angeordnet ist. Das Einströmsegment 21 ist im Wesentlichen als Ring ausgebildet und in das Innengehäuse 8 eingebaut. Am äußeren Durchmesser des Einströmsegmentes 21 ist das Einströmsegment 21 in eine Nut 22 eingepasst. Das Einströmsegment 21 weist ein nabenseitiges Ringsegment 23 auf, das über ein zweites Dichtelement 24 mit dem Innengehäuse 8 verbunden ist. Dazu weist das nabenseitige Ringsegment 23 eine Dichtnut 25 auf, in die das zweite Dichtelement 24 eingepasst ist. Des Weiteren weist das Innengehäuse 8 ebenfalls eine Nut 26 auf, in der das andere Ende des zweiten Dichtelementes 24 angeordnet ist. Das Einströmsegment 21 weist Einströmsegment-Leitschaufeln 27 auf, die integral mit dem Einströmsegment 21 ausgebildet sind. Der Rotor 3 ist mit einer Entlastungsnut 28 ausgebildet, die sich im Wesentlichen durch einen geringeren Durchmesser auszeichnet und einen gewissen radialen Abstand zum Einströmsegment 21 aufweist, um den Entlastungsraum 30 auszubilden. Das Einströmsegment 21 im eingebauten Zustand stellt über die Dichtelemente und Einbausituation eine technisch dampfdichte Separierung des Zuströmkanals 11 zum Entlastungsraum 30 sicher. Bohrungen 29 sind im nabenseitigen Ringsegment 23 im Einströmsegment 21 angeordnet. Diese Bohrungen 29 stellen eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Zuströmung 11 und einem Entlastungsraum 30 her, der zwischen dem Einströmsegment 21 und dem Rotor 3 ausgebildet ist.
  • Im Betrieb strömt ein Massenstrom (Mges) in die Zuströmung 11. Dieser Massenstrom teilt sich in einen kleineren Massenstrom (M1), der durch die Bohrungen 29 führt und in den Entlastungsraum 30 gelangt und in einen größeren Massenstrom (M2), der durch die Einströmsegment-Leitschaufel 27 strömt und danach durch den Strömungskanal 15 führt. Es gilt Mges=M1+M1, wobei M1 << M2. Des Weiteren teilt sich der Massenstrom M1, der durch die Bohrungen 29 führt, in einen Massenstrom M11 auf, der über die zweite Wellendichtung 19 in einen Schubausgleichskolben-Vorraum 31 gelangt. Ein anderer Teil des Massenstroms M1 gelangt als zweiter Massenstrom M12 am nabenseitigen Ringsegment 23 entlang in den Strömungskanal 15.
  • Der Massenstrom M11 + M12 weist eine vergleichsweise geringere Temperatur auf als der von Mges und führt daher zu einer Abkühlung der Rotoroberfläche in der Entlastungsnut 28.
  • Die Bohrungen 29 sind in Strömungsrichtung 32 des Zuströmdampfes gesehen, vor den Einströmsegment-Leitschaufeln 27 angeordnet.
  • Die Figur 2 zeigt eine Teilansicht des Einströmsegments 21. In der in Figur 2 dargestellten Perspektive erfolgt ein Blick von der Rotationsachse 2 aus in radialer Richtung nach außen. In der dargestellten Perspektive sind mehrere Einströmsegment-Leitschaufeln 27 zu erkennen. Das nabenseitige Ringsegment 23 ist im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet und weist die Nut 25 zur Aufnahme des Dichtelementes 24 auf. Die Figur 2 zeigt eine Perspektive des Einströmelements 21, wobei eine innenseitige Oberfläche 33 des nabenseitigen Ringsegments 23 zu sehen ist. Der Austritt 34 der Bohrungen 29 ist auf dieser innenseitigen Oberfläche 33 ausgebildet.
  • Die Figur 3 zeigt eine Schnittansicht durch das Einströmsegment 21. Der Übersichtlichkeit wegen ist lediglich eine Einströmsegment-Leitschaufel mit dem Bezugszeichen 27 versehen. Im gewählten Ausführungsbeispiel sind sechs Bohrungen 29 ausgeführt, die in einer tangentialen Richtung zum Entlastungsraum 30 im Winkel α ausgebildet sind. Die Drehrichtung des Rotors 3 erfolgt gegen den Uhrzeigersinn. Beispielhaft wird an der Bohrung 29 in der Zwölf-Uhr-Position der Winkel α erläutert. Von der Rotationsachse 2 aus ist in radialer Richtung eine Bezugslinie 35 dargestellt. Unter einem Winkel α, der zwischen 40° und 80° liegt, wird eine Bohrung 29 ausgeführt. Durch diese Bohrung 29 strömt der Massenstrom M1. Durch den ausgeübten Drall erfährt der Dampf eine Geschwindigkeitsänderung und damit eine Absenkung der statischen Temperatur des Dampfes bezogen auf das rotierende System, was dann zu einer Abkühlung der Oberfläche des Rotors 3 gegenüber der Temperatur des Massenstroms Mges führt.

Claims (7)

  1. Strömungsmaschine, umfassend
    - einen Rotor (3), der drehbar um eine Rotationsachse (2) gelagert ist, Laufschaufeln (5), die auf dem Rotor (3) angeordnet sind,
    - ein Gehäuse (8, 9), das um den Rotor (3) angeordnet ist, Leitschaufeln (12), die im Gehäuse (8, 9) angebracht sind,
    - einen Strömungskanal (15), der zwischen dem Rotor (3) und dem Gehäuse (8, 9) ausgebildet ist,
    - eine Zuströmung (11), die im Gehäuse (8, 9) angeordnet ist und zum Zuströmen von Dampf ausgebildet ist,
    - ein Einströmsegment (21), das im Gehäuse (8, 9) angeordnet ist,
    - Einströmsegment-Leitschaufeln (27), die im Einströmsegment (21) angeordnet sind,
    Bohrungen (29), die im Einströmsegment (21) angeordnet sind und eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Zuströmung (11) und einem Entlastungsraum (30), der zwischen dem Einströmsegment (21) und dem Rotor (3) angeordnet ist, herstellt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bohrungen (29) um einen Winkel α in Umfangsrichtung,
    der einen Betrag zwischen 40° - 80° aufweist,
    gegenüber einer radialen Richtung,
    die durch die Rotationsachse (2) führt,
    geneigt ist.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,
    wobei die Bohrungen (29) derart ausgebildet sind, dass ein Teil eines Zuströmdampfes durch die Bohrungen (29) und ein Teil des Zuströmdampfes durch die Einströmsegment-Leitschaufeln (27) geführt sind.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei das Einströmsegment (21) ein nabenseitiges Ringsegment (23) aufweist, in dem die Bohrungen (29) ausgebildet sind.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    wobei die Bohrungen (29) in Strömungsrichtung (32) des Zuströmdampfes gesehen vor den Einströmsegment-Leitschaufeln (27) angeordnet sind.
  5. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    wobei sechs Bohrungen (29) ausgebildet sind.
  6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das Gehäuse als Innengehäuse (8) ausgebildet ist und um das Innengehäuse (8) ein Außengehäuse (9) angeordnet ist.
  7. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    ausgebildet als Dampfturbine (1).
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KR (1) KR20150036474A (de)
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IN (1) IN2014DN10499A (de)
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