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Die Erfindung betrifft eine wirkungsgradoptimierte Endstufe für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Dampfturbinen weisen üblicherweise wenigstens einen Leitschaufelkranz sowie einen Laufschaufelkranz auf. Der Leitschaufelkranz umfasst mehrere zueinander beabstandete, radial angeordnete und mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufeln. Die Leitschaufeln des Leitschaufelkranzes sind dabei so ausgebildet und angeordnet, dass sie das Arbeitsfluid der Dampfturbine, im Nennlastbetrieb, in einem für den Wirkungsgrad der Dampfturbine optimalen Winkel, auf einen aus mehreren, zueinander beabstandeten, müsste das nicht tangential sein? angeordneten, und mit dem Rotor der Dampfturbine verbundenen Laufschaufeln bestehenden Laufschaufelkranz, leiten. Die Gesamtheit aus Leitschaufelkranz und Laufschaufelkranz wird als Turbinenstufe bezeichnet. Eine Dampfturbine kann mehrere in Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnete Turbinenstufen umfassen. Die letzte Turbinenstufe der Dampfturbine wird als Endstufe oder auch Niederdruckstufe (bei Kondensationsturbinen) bezeichnet. Die Niederdruck-Laufbeschaufelung ist eine der höchstbelasteten Komponenten der Dampfturbine. Dies liegt zum einen daran, dass die Schaufelblätter aufgrund ihrer Länge hohe Fliehkraftbelastungen im Schaufelfuß verursachen und zum anderen dynamischen Schwingungsanregungen unterliegen. Insbesondere im Teillastbetrieb kommt es zu erhöhten dynamischen Beanspruchungen, welche durch instationäre Strömungseffekte verursacht werden. Ein solcher Effekt wird als "Rotierende Instabilitäten" bezeichnet. Angeregt werden die hier zugrundeliegenden Wirbel durch eine Mäander Strömung im Niederdruckteil während des Teillastbetriebs. Die Belastungen für die Laufschaufeln des Niederdruckteils können dabei über der Belastungsgrenze der Laufschaufeln liegen, was zur Zerstörung der Laufschaufel und zu großen Schäden an der Turbine führen kann und deshalb unter allen Umständen verhindert werden muss.
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Um die kritischen Belastungen auf ein ertragbares Maß zu reduzieren, wird zum Teil der Betriebsbereich eingeschränkt, so dass der kritische Teillastbetrieb nicht mehr oder nur kurzzeitig genutzt werden kann. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dem Kunden nur ein eingeschränkter Betriebsbereich zur Verfügung steht und Probleme beim Durchfahren des kritischen Teillastbereichs während des Anfahrens der Dampfturbine entstehen können.
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Eine Lösung, um die Schwingungsanregung der Laufschaufeln zu verhindern bzw. zu reduzieren besteht in der Verwendung sogenannter Dämpfungselemente wie z.B. Koppelbolzen oder Dämpfungsdrähten, welche die Laufschaufeln untereinander verbinden und durch Dämpfungswirkung Schaufelschwingungen abmildern können. Die Koppelelemente stellen allerdings einen zusätzlichen Strömungswiderstand dar, der den Wirkungsgrad der Dampfturbine negativ beeinflusst.
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Die
DE 10 2018 006 175 B4 offenbarte einen Leitschaufelkranz bei dem jeweils zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln, jeweils wenigstens eine Leitrippe angeordnet ist. Die Leitrippen reduzieren die Ausbildung einer Mäander Strömung im Niederdruckteil, die sich üblicherweise während des Teillastbetriebs einstellt, und welche für die Wirbelbildung an den Schaufelspitzen der Laufschaufeln und damit für die Schwingungsanregung verantwortlich ist. Trotzdem kann die Schwingungsanregung der Laufschaufeln nicht vollständig ausgeschlossen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung aufzuzeigen, mit der rotierende Instabilitäten reduziert bzw. verhindert werden können, ohne dass es zu einem nennenswerten Wirkungsgradverlust kommt.
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Die Aufgabe wird durch Endstufe für eine Dampfturbine, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Endstufe für eine Dampfturbine, umfassend mehrere einen Leitschaufelkranz bildende Leitschaufeln, sowie mehrere einen Laufschaufelkranz bildende Laufschaufeln, wobei die Leitschaufeln des Leitschaufelkranz so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Arbeitsfluid der Dampfturbine auf die Laufschaufeln des dem Leitschaufelkranz in Strömungsrichtung nachgeordneten Laufschaufelkranz leiten, und wobei zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln, jeweils wenigstens eine Leitrippe angeordnet ist, die sich in Richtung von einer Leitschaufelvorderkante, zu einer Leitschaufelhinterkante, erstreckt und wobei wenigstens ein Dämpfungselement vorgesehen ist, welches die Laufschaufeln des Laufschaufelkranz untereinander verbinden, zeichnet sich dadurch aus, dass die Leitrippen so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das Arbeitsfluid der Dampfturbine, im Nennlastbetrieb im Wesentlichen um das Dämpfungselement herumleiten.
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Durch das Dämpfungselement werden die Laufschaufeln versteift und die Schwingungsanregung reduziert, gleichzeitig sorgen die Leitrippen im Leitschaufelkranz dafür, dass das Arbeitsfluid der Dampfturbine um das Dämpfungselement herumgeleitet wird und die negativen Einflüsse des Dämpfungselementes auf den Wirkungsgrad der Endstufe reduziert werden. Der Staupunkt, der sich vor der Leitrippe einstellt, wirkt sich deutlich weniger stark auf den Wirkungsgrad der Endstufe aus, als es ein Staupunkt am Dämpfungselement machen würde. Dies liegt daran, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluides im Bereich der Vorderkante des Leitschaufelkranzes gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluides im Bereich des Laufschaufelkranzes deutlich geringer ist. Durch die erfindungsgemäße Endstufe kann somit der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Leitrippen des Leitschaufelkranz im Wesentlichen parallel zu den Strömungslinien des Arbeitsfluids ausgerichtet sind, welche sich zwischen zwei Leitschaufeln im Bereich der Leitrippe, im Nennlastbetrieb, ohne das vorhanden sein einer Leitrippe, ausbilden würden. Durch die parallele Ausrichtung der Leitrippen wird die Strömung in einem optimalen Winkel auf die Laufschaufeln geleitet, wodurch der Strömungs-widerstand und damit die Strömungsverluste, welche sich auf Grund der Leitrippen ergeben, minimiert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Leitrippe ein Strömungsprofil ausweist. Grundsätzlich ist es denkbar die Leitrippe als einfaches gerades Blech auszubilden. Durch die Ausbildung der Leitrippe in Form eines Strömungsprofils kann allerdings in vorteilhafter Weise der Strömungswiederstand reduziert und die Zuströmung des Arbeitsfluids zu den Laufschaufel optimiert werden. Die parallele Ausrichtung der Leitrippe in Bezug zu den Strömungslinien des Arbeitsfluids, bezieht sich in diesem Fall auf die Ausrichtung der Profilsehne der Leitrippe.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Leitrippe über die Leitschaufelhinterkante, in Richtung des Laufschaufelkranz erstreckt. Durch die Verlängerung der Leitrippe über die Leitschaufelhinterkante hinaus kann die Strömung länger geführt werden und Turbulenzen zwischen dem Leitschaufelkranz und dem Laufschaufelkranz reduziert werden, was zu geringeren Strömungsverlusten und einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen gezeigt und erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1: Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgenäßen Endstufe mit einer Leitrippe mit aerodynamisch optimiertem Profil;
- Fig. 2: Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgenäßen Endstufe mit einer sich über die Leitschaufelhinterkante, in Richtung des Laufschaufelkranz erstreckenden Leitrippe.
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Die Figuren zeigen im Wesentlichen nur die für die Erfindung notwendigen Bauteile und sind zum Teil stark vereinfacht dargestellt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgenäßen Endstufe für eine Dampfturbine. Die Endstufe 1 umfasst einen Leitschaufelkranz 2 und einen in Strömungsrichtung nachgeordneten Laufschaufelkranz 4. Der Leitschaufelkranz 2 umfasst eine Vielzahl von radial im Kreis angeordneten Leitschaufeln 3. Die einzelnen Leitschaufeln 3 sind zueinander beabstandet, so dass zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln 3 ein Strömungskanal ausgebildet wird, durch den das Arbeitsfluid hindurchströmen kann. Die Leitschaufeln 3 sind am Turbinengehäuse 10, üblicherweise mittels eines Leitschaufelträgers befestigt, und dabei so ausgebildet und angeordnet, dass das Arbeitsfluid im Nennlastbetrieb der Dampfturbine, in einem für den Wirkungsgrad der Dampfturbine möglichst optimalen Winkel auf die Laufschaufeln 5 des, dem Leitschaufelkranz 2 nachgeordneten Laufschaufelkranz 4 trifft. Der Laufschaufelkranz 4 umfasst eine Vielzahl von radial um einen Rotor 11 angeordnete Laufschaufeln 5. Die einzelnen Laufschaufeln 5 sind zueinander beabstandet, so dass zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufeln 5 ein Strömungskanal ausgebildet wird, durch den das Arbeitsfluid hindurchströmen kann.
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Im Turbinenbetrieb trifft das Arbeitsfluid zunächst auf die Leitschaufelvorderkante 7 der Leitschaufel 3 und strömt von dort zur Leitschaufelhinterkante 8. Dabei wir ein Teil der Enthalpie des Arbeitsfluides in Strömungsenergie umgewandelt und das Arbeitsfluid beschleunigt. Durch die Form und Anordnung der Leitschaufeln 3 wird das Arbeitsfluides umgelenkt und triff mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufschaufelvorderkante 11 der Laufschaufel 5, von wo aus es weiter zur Laufschaufelhinterkante 12 strömt. Dabei wird die Strömung umgelenkt und ein Teil der Bewegungsenergie in eine Umfangskraft umgewandelt. Die Leitschaufel erzeugt dabei einen Drall (erhöhte Geschwindigkeit in Umfangsrichtung) und die Laufschaufel reduziert den Drall wieder (im besten Fall auf null bei einer Endstufe). Dabei bildet sich, im Strömungspfad eine mäanderförmige Strömung aus, die sich der Hauptströmung überlagert und dadurch an den Laufschaufeln 5 rotierende Instabilitäten in Form von Wirbeln erzeugt. Die Wirbel führen zu einer Schwingungsanregung der Laufschaufeln 5 und können diese im ungünstigsten Fall zerstören.
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Um die Schwingungsanregung der Laufschaufeln 5 zu reduzieren sind Dämpfungselemente 9 (wie z.B. Koppelbolzen oder Dämpfungsdrähten) vorgesehen, welche die Laufschaufeln 5 untereinander verbinden und hierdurch der Schwingungsanregung entgegenwirken. Die Dämpfungselemente 9 stellen allerdings einen zusätzlichen Strömungswiderstand dar, der den Wirkungsgrad der Dampfturbine negativ beeinflusst.
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Um den Wirkungsgrad der Dampfturbine zu verbessern sind deshalb Leitrippen 6 im Leitschaufelkranz 2 angeordnet. Die Leitrippe 6 verbindet die benachbarten Leitschaufeln 3 in Umfangsrichtung miteinander und erstreckt sich in axialer Richtung, von der Leitschaufelvorderkante 7 zur Leitschaufelhinterkante 8. Die Leitrippen 6 sind dabei so ausgebildet und angeordnet, dass sie die Hauptströmung des Arbeitsfluid der Dampfturbine, im Wesentlichen um das Dämpfungselement 9 herumleiten. Der Staupunkt 13, der sich vor der Leitrippe 6 einstellt wirkt sich deutlich weniger stark auf den Wirkungsgrad der Endstufe 1 aus, als es ein Staupunkt am Dämpfungselement 9 machen würde. Dies liegt daran, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluides im Bereich des Leitschaufelkranzes 2 gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluides im Bereich des Laufschaufelkranzes 4 deutlich geringer ist. Um die Wirkung der Leitrippen 6 zu verdeutlichen ist in Fig. 1 der sich durch die Leitrippe 6 ergebende Effekt auf die Stromlinien 14 dargestellt. Es ist zu erkennen, wie die Leitrippe 6 die Strömung so beeinflusst, dass die Hauptströmung (Stromlinie 14) nicht auf das Dämpfungselement 9 trifft, sondern um dieses herumgelenkt wird. Das Dämpfungselement 9 befindet sich quasi im Windschatten der Leitrippe 6.
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Die Leitrippe 6 ist bevorzugt wie in der Fig. 1 dargestellt als Strömungsprofil ausgebildet. Hierdurch werden Strömungsverluste infolge der Leitrippen 6 auf ein Minimum reduziert. Die Leitrippen 6 sind bevorzugt so ausgerichtet, dass Sie im Wesentlich parallel zu den Strömungslinien 14 des Arbeitsfluids liegen, welche sich zwischen zwei Leitschaufeln 3 im Bereich der Leitrippe 6, im Nennlastbetrieb, ohne das vorhanden sein einer Leitrippe 6, ausbilden würden. Hierdurch wird die Strömung in einem, im wesentlich optimalen Winkel auf die Laufschaufeln 5 geleitet.
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Die Leitrippe 6 kann direkt an der Leitschaufelvorderkante 7 ansetzen und sich bis zur Leitschaufelhinterkante 8 erstrecken oder auch nur einen Teilbereich abdecken, d.h. z.B. erst ein Stück hinter der Leitschaufelvorderkannte 7 ansetzen und/oder ein Stück vor der Leitschaufelhinterkante 8 enden. Die Leitrippen 6 können einzeln ausgebildet sein und beispielsweise mit den Leitschaufeln 3 verschweißt werden. Die Leitrippen 6 können in Form eines Leitrippenkranzes ausgebildet sein, wodurch die Montage deutlich erleichtert wird. Der Leitrippenkranz kann dabei in Form eine Feder-Nut-Verbindung mit dem Leitschaufelkranz 2 verbunden und ggf. zusätzlich, beispielsweise durch Schweißen gesichert werden. Die Leitrippen 6 können auch als Kreissegmente ausgebildet und mit dem Leitschaufelkranz 2 verbunden werden.
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Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgenäßen Endstufe 1. Der grundsätzliche Aufbau der Endstufe 1 ist dabei identisch zu der in Fig. 1 ausführlich beschriebenen Endstufe, so dass nachfolgend nur die Unterschiede erläutert werden und ansonsten auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen sei.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 darin, dass sich die Leitrippe 6 über die Leitschaufelhinterkante 8, in Richtung des Laufschaufelkranz 4 erstreckt.
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Durch die Verlängerung der Leitrippe 6 über die Leitschaufelhinterkante 8 hinaus kann die Strömung länger geführt werden und die Ausbildung von Turbulenzen im Raum 15 zwischen dem Leitschaufelkranz 6 und dem Laufschaufelkranz 4 reduziert werden, was zu geringeren Strömungsverlusten und einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt.
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Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass durch die erfindungsgemäße Endstufe rotierende Instabilitäten reduziert bzw. verhindert werden können, ohne dass es zu einem nennenswerten Wirkungsgradverlust kommt. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, das die Leitrippen so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das Arbeitsfluid der Dampfturbine, im Nennlastbetrieb im Wesentlichen um das Dämpfungselement welches im Laufschaufelkranz angeordnet ist herumleiten.