EP3296523A1 - Anordnung zur aufteilung eines massenstroms in zwei teilmassenströme - Google Patents

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EP3296523A1
EP3296523A1 EP16189689.9A EP16189689A EP3296523A1 EP 3296523 A1 EP3296523 A1 EP 3296523A1 EP 16189689 A EP16189689 A EP 16189689A EP 3296523 A1 EP3296523 A1 EP 3296523A1
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cross
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Stephan De Roo
Edwin Gobrecht
Simon Hecker
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    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/75—Shape given by its similarity to a letter, e.g. T-shaped

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for dividing a mass flow into two partial mass flows.
  • a flow medium e.g., steam
  • a live steam line into a live steam inlet of the steam turbine.
  • this main steam line are usually a control valve for controlling the main mass flow and a quick-closing valve for quickly closing the steam lines in, for example, a malfunction.
  • the thermal energy of the steam is converted in the steam turbine into mechanical energy of the rotor.
  • steam flows via the main steam line into the steam turbine.
  • a power increase of the steam turbine is possible when an additional mass flow flows through another valve in the steam turbine. This additional mass flow is not flowed into the Frischdampfeinströmötechnisch the steam turbine, but downstream between two turbine blade stages.
  • an arrangement for dividing a mass flow into two partial mass flows comprising a main line and a first part line, which is fluidically connected to the main line, a second part line, which is fluidically connected to the main line, wherein the arrangement is Y-shaped is, wherein the main line and the first sub-line are formed at an angle of ⁇ to each other, wherein ⁇ -values of 45 ° to 135 ° assumes.
  • the advantage of the invention is that the arrangement represents a flow part which divides an incoming complex mass flow into two homogeneous partial mass flows.
  • the splitting of the mass flow in the flow divider downstream of the valve should, if possible, be such that small secondary flows occur. Furthermore, dead water areas at the stagnation point should be avoided.
  • the invention offers the advantage that the flow has such high speeds that pressure losses occur in the flow divider in order to stabilize the flow. It is essential in the invention that the mass flow is divided into two partial mass flows. The diversion of the mass flow takes place via two deflections in the first sub-line and in the second sub-line, wherein the deflection in a first embodiment is 90 °.
  • the deflections can deviate +/- 45 ° from the 90 ° deflection.
  • the deflections may be asymmetrical. This means that a first partial mass flow is deflected, for example, by 90 °, and the second partial mass flow, for example, by 80 °.
  • the cross-sectional area A of the main line is divided into two cross-sectional areas B and C of the first sub-line and the second sub-line.
  • the cross-sectional areas B and C each have a cross-sectional area of 30% to 120% of the cross-sectional area A.
  • cross sections B and C are round, square with rounded or elliptical executed.
  • the distribution of the rounding radius is formed in two consecutive radii connected to a straight piece.
  • the arrangement has a bulge, wherein the bulge is arranged at the point where the mass flow arrives.
  • the FIG. 1 shows an inventive arrangement 1.
  • This arrangement 1 is used to divide a mass flow 2 into a first partial mass flow 3 and a second partial mass flow 4.
  • the mass flow 2 is, for example, an additional vapor mass flow, which is needed to increase the output of a steam turbine, wherein the first partial mass flow 3 and the second partial mass flow 4 is flowed downstream in the steam turbine between two turbine stages.
  • the mass flow 2 flows in a first main line 5.
  • This main line 5 has an inlet cross-section with the cross-sectional area A. Furthermore, the main line 5 has a width D.
  • the main line 5 is divided into a first partial line 6 and a second partial line 7. As a result, the arrangement 1 is Y-shaped.
  • the mass flow 2 is thereby deflected into a first partial mass flow 3, which flows through the first sub-line 6 and deflected into a second sub-mass flow 4, which flows through the second sub-line 7.
  • the main line 5 and the first sub-line 6 are formed at an angle ⁇ to each other.
  • the mass flow 2 in the main line 5 is deflected into the second sub-line 7, wherein an angle ⁇ is formed between the main line 5 and the second sub-line 7.
  • the angle ⁇ has a value of 90 °.
  • the angle ⁇ may assume values between 45 ° and 135 °.
  • the arrangement 1 does not necessarily have to be symmetrical, which means that ⁇ ⁇ ⁇ can be.
  • the first partial mass flow 3 flows through the first partial line 6 through an inlet cross-sectional area B.
  • the second partial line 7 has an inlet cross-sectional area C.
  • the inlet cross-sectional area B and the inlet cross-sectional area C each have a cross-sectional area of 30% to 120% of the inlet cross-sectional area A.
  • the cross sections of the main line 5, the first part of line 6 and the second part of line 7 are either round, square with rounded or elliptical.
  • FIG. 2 shows by way of example a polygonal cross-sectional area with rounded portions.
  • the polygonal cross-sectional area has a width D and a radius r. It is 0.1 ⁇ r / D ⁇ 0.5.
  • the transition from the main line 5 to the first sub-line 6 and / or second sub-line 7 is characterized by a radius R of rounding. Where R / D ⁇ 0.1. This value should be kept as small as possible. In alternative embodiments, the radius can be divided into two successive radii, which with a straight pieces are connected (in FIG. 1 not shown).
  • This bulge 9 has a height F of 0.1 ⁇ F / E ⁇ 2.
  • E is the average clear width of both outlet nozzle of the first part of line 6 and the second part of line 7th

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Aufteilung eines Massenstromes (2) in zwei Teilmassenströme (3, 4), wobei die Anordnung (1) eine erste Hauptleitung (5) und eine erste Teilleitung (6) sowie eine zweite Teilleitung (7) aufweist, wobei die Anordnung Y-förmig ausgebildet ist, um eine homogene Aufteilung des Massenstromes (2) zu ermöglichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aufteilung eines Massenstromes in zwei Teilmassenströme.
  • In Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Dampfturbinen strömt ein Strömungsmedium (z.B. Dampf) über eine Frischdampfleitung in einen Frischdampfteinlass der Dampfturbine. In dieser Frischdampfleitung sind in der Regel ein Stellventil zum Regeln des Hauptmassenstromes und ein Schnellschlussventil zum schnellen Schließen der Dampfleitungen bei beispielsweise einem Störfall. Die thermische Energie des Dampfes wird in der Dampfturbine in mechanische Energie des Rotors umgewandelt. Im Dauerbetrieb strömt Dampf über die Frischdampfleitung in die Dampfturbine. Es sind allerdings auch Betriebsweisen bekannt, bei der eine Leistungssteigerung der Dampfturbine wünschenswert ist. Eine Leistungssteigerung der Dampfturbine ist möglich, wenn ein Zusatzmassenstrom über ein weiteres Ventil in die Dampfturbine strömt. Dieser Zusatzmassenstrom wird nicht in die Frischdampfeinströmöffnung der Dampfturbine, sondern stromabwärts zwischen zwei Turbinenschaufelstufen eingeströmt.
  • Allerdings besteht hierbei die Gefahr, dass der Zusatzmassenstrom zu zu großen Kräften auf den Rotor führt. Daher wird der Zusatzmassenstrom nach dem Ventil auf zwei Rohrleitungen aufgeteilt. Bei der Aufteilung des Zusatzmassenstromes in zwei Teilmassenströme besteht die Gefahr, dass das Strömungsfeld im Bereich der Aufteilung auf die beiden Rohrleitungen instationär ist und dadurch periodische Anregungen in den Rohrleitungen erfolgen. Diese Anregungen können zu unerwünschten Rotorschwingungen führen.
  • Um diese Schwingungen zu vermeiden, wäre es möglich, jeweils ein Ventil pro Rohrleitung zu verwenden. Diese Variante ist jedoch vergleichsweise kostspielig.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, einen Massenstrom in zwei Teilmassenströme aufzuteilen, wobei die Gefahr von Schwingungen minimiert ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung zur Aufteilung eines Massenstromes in zwei Teilmassenströme, umfassend eine Hauptleitung und eine erste Teilleitung, die strömungstechnisch mit der Hauptleitung verbunden ist, eine zweite Teilleitung, die strömungstechnisch mit der Hauptleitung verbunden ist, wobei die Anordnung Y-förmig ausgebildet ist, wobei die Hauptleitung und die erste Teilleitung unter einem Winkel von α zueinander ausgebildet sind, wobei α-Werte von 45° bis 135° annimmt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der Vorteil der Erfindung ist, dass die Anordnung einen Strömungsteil darstellt, der eine ankommende komplexe Massenströmung in zwei homogene Teilmassenströme aufteilt. Die Aufspaltung der Massenströmung in dem Strömungsteiler nach dem Ventil sollte möglichst derart erfolgen, dass es zu geringen Sekundärströmen kommt. Des Weiteren sollten Totwassergebiete im Staupunkt vermieden werden. Des Weiteren bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Strömung so hohe Geschwindigkeiten aufweist, dass Druckverluste im Strömungsteiler auftreten, um die Strömung zu stabilisieren. Wesentlich in der Erfindung ist, dass der Massenstrom in zwei Teilmassenströme aufgeteilt wird. Die Umlenkung des Massenstromes erfolgt über je zwei Umlenkungen in die erste Teilleitung und in die zweite Teilleitung, wobei die Umlenkung in einer ersten Ausführung 90° betragen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Umlenkungen +/- 45° von der 90° Umlenkung abweichen.
  • Des Weiteren können die Umlenkungen asymmetrisch ausgebildet sein. Das bedeutet, dass ein erster Teilmassenstrom beispielsweise um 90° und der zweite Teilmassenstrom beispielsweise um 80° abgelenkt wird.
  • Die Querschnittsfläche A der Hauptleitung teilt sich auf zwei Querschnittsflächen B und C der ersten Teilleitung und der zweiten Teilleitung. Die Querschnittsflächen B und C weisen jeweils eine Querschnittsfläche von 30% - 120% der Querschnittsfläche A auf.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Querschnitte B und C rund, eckig mit Abrundungen oder elliptisch ausgeführt.
  • Die Umlenkung der Hauptleitung in die Y-förmigen erste Teilleitung und zweite Teilleitung erfolgt über einen Verrundungsradius, der möglichst klein gehalten werden soll.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Aufteilung des Verrundungsradius in zwei hintereinanderliegenden Radien, verbunden mit einem geraden Stück ausgebildet.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Anordnung eine Aufwölbung auf, wobei die Aufwölbung an der Stelle angeordnet ist, an der der Massenstrom ankommt.
  • Mit dieser Erfindung ist es möglich, eine signifikante Verminderung der Strömungsinstabilität zu erhalten. Dabei werden Pulsationen bei der Umlenkung minimiert.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiel nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung der Anordnung,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines Leitungsquerschnittes.
  • Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 1. Diese Anordnung 1 wird benutzt um einen Massenstrom 2 in einen ersten Teilmassenstrom 3 und einen zweiten Teilmassenstrom 4 aufzuteilen. Der Massenstrom 2 ist beispielsweise ein Zusatzdampfmassenstrom, der zur Leistungssteigerung einer Dampfturbine benötigt wird, wobei der erste Teilmassenstrom 3 und der zweite Teilmassenstrom 4 stromabwärts in der Dampfturbine zwischen zwei Turbinenstufen eingeströmt wird.
  • Der Massenstrom 2 strömt in einer ersten Hauptleitung 5. Diese Hauptleitung 5 weist einen Eintrittsquerschnitt mit der Querschnittsfläche A auf. Des Weiteren weist die Hauptleitung 5 eine Breite D auf. Die Hauptleitung 5 teilt sich in eine erste Teilleitung 6 und in eine zweite Teilleitung 7 auf. Dadurch ist die Anordnung 1 Y-förmig ausgebildet. Der Massenstrom 2 wird dadurch in einen ersten Teilmassenstrom 3 abgelenkt, der durch die erste Teilleitung 6 strömt und in einen zweiten Teilmassenstrom 4 abgelenkt, der durch die zweite Teilleitung 7 strömt. Die Hauptleitung 5 und die erste Teilleitung 6 sind unter einem Winkel α zueinander ausgebildet. Der Winkel α beträgt hierbei 90°. In alternativen Ausführungsformen kann der Winkel α = 90° um +/- 45° variieren.
  • Des Weiteren wird der Massenstrom 2 in der Hauptleitung 5 in die zweite Teilleitung 7 abgelenkt, wobei zwischen der Hauptleitung 5 und der zweiten Teilleitung 7 ein Winkel β ausgebildet ist. Der Winkel β weist einen Wert von 90° auf. In alternativen Ausführungsformen kann der Winkel β Werte zwischen 45° und 135° annehmen.
  • Die Anordnung 1 muss nicht zwingend symmetrisch ausgebildet sein, das bedeutet, dass α ≠ β sein kann.
  • Der erste Teilmassenstrom 3 strömt durch die erste Teilleitung 6 durch eine Eintrittsquerschnittsfläche B. Die zweite Teilleitung 7 weist eine Eintrittsquerschnittsfläche C auf. Die Eintrittsquerschnittsfläche B und Eintrittsquerschnittsfläche C weisen jeweils eine Querschnittsfläche von 30% bis 120% der Eintrittsquerschnittsfläche A auf.
  • Die Querschnitte der Hauptleitung 5, der ersten Teilleitung 6 und der zweiten Teilleitung 7 sind entweder rund, eckig mit Abrundungen oder elliptisch ausgeführt.
  • Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine eckige Querschnittsfläche mit Abrundungen.
  • Die eckige Querschnittsfläche weist eine Breite D auf und einen Radius r. Es gilt 0,1 ≤ r/D ≤ 0,5.
  • Der Übergang von der Hauptleitung 5 zur ersten Teilleitung 6 und/oder zweiten Teilleitung 7 ist durch einen Verrundungsradius R charakterisiert. Dabei gilt R/D ≥ 0,1. Dieser Wert sollte möglichst klein gehalten werden. In alternativen Ausführungsformen kann der Radius in zwei hintereinanderliegende Radien aufgeteilt werden, die mit einem geraden Stück verbunden sind (in Figur 1 nicht dargestellt).
  • In der Mitte 8 zwischen der ersten Teilleitung 6 und der zweiten Teilleitung 7 ist eine Aufwölbung 9 angeordnet. Diese Aufwölbung 9 hat eine Höhe F von 0,1 ≤ F/E ≤ 2.
  • E ist hierbei die mittlere lichte Weite beider Austrittsstutzen der ersten Teilleitung 6 und der zweiten Teilleitung 7.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert wird und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarte Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Anordnung (1) zur Aufteilung eines Massenstromes (2) in zwei Teilmassenströme (3, 4),
    umfassend
    eine Hauptleitung (5) und eine erste Teilleitung (6), die strömungstechnisch mit der Hauptleitung (5) verbunden ist, eine zweite Teilleitung (7), die strömungstechnisch mit der Hauptleitung (5) verbunden ist,
    wobei die Anordnung Y-förmig ausgebildet ist,
    wobei die Hauptleitung (5) und die erste Teilleitung (6) unter einem Winkel von α zueinander ausgebildet sind, wobei α-Werte von 45° bis 135° annimmt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    wobei die Hauptleitung (5) und die zweite Teilleitung (7) unter einem Winkel von β zueinander ausgebildet sind, wobei β Werte von 45° Bis 135° annimmt.
  3. Anordnung nach Anspruch 2,
    wobei die Hauptleitung (5) und die zweite Teilleitung (7) unter einem Winkel von α zueinander ausgebildet sind, wobei α Werte von 45° Bis 135° annimmt.
  4. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Hauptleitung (5) eine Eintrittsquerschnittsfläche (A) aufweist,
    wobei die erste Teilfläche (6) eine Eintrittsquerschnittsfläche (B) aufweist und
    die zweite Teilfläche (7) eine Eintrittsquerschnittsfläche (C) aufweist,
    wobei B Werte annimmt zwischen Bmin = 0,3*A und Bmax = 1,2*A, wobei C Werte annimmt zwischen Cmin = 0,3*A und Cmax = 1,2*A.
  5. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Querschnitte der erste Teilleitung (6) rund, eckig mit Abrundungen, wobei hier gilt: 0,1 ≤ r/D ≤ 0,5, wobei D die Breite des Querschnitts ist und r der Radius der Rundung ist oder elliptisch ausgebildet ist.
  6. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Übergang von der Hauptleitung (5) zur ersten Teilleitung (6) mit einer Abrundung ausgebildet ist, wobei gilt: R/D≥ 0,1,
    wobei R de Verrundungsradius und D die Breite des Querschnitts ist.
  7. Anordnung (1) nach Anspruch 6,
    wobei ein Übergang von der Hauptleitung (5) zur zweiten Teilleitung (7) mit einer Abrundung ausgebildet ist, wobei gilt: R/D≥ 0,1,
    wobei R de Verrundungsradius und D die Breite des Querschnitts ist.
  8. Anordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7,
    wobei die Abrundung zwei Abrundungen mit einem dazwischenliegenden Geradenstück aufweist.
  9. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten Teilleitung (6) und der zweiten Teilleitung (7) eine Aufwölbung (9) angeordnet ist.
  10. Anordnung (1) nach Anspruch 9,
    wobei gilt: 0,1 ≤ F/E ≤ 2,
    wobei F die Höhe der Aufwölbung (9) ist und E die mittlere lichte Weite der ersten Teilleitung (6) und/oder der zweiten Teilleitung (7) ist.
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