WO2012130879A1 - Wirkungsgraderhöhung einer regelstufe einer gleichdruckturbine - Google Patents

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WO2012130879A1
WO2012130879A1 PCT/EP2012/055509 EP2012055509W WO2012130879A1 WO 2012130879 A1 WO2012130879 A1 WO 2012130879A1 EP 2012055509 W EP2012055509 W EP 2012055509W WO 2012130879 A1 WO2012130879 A1 WO 2012130879A1
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vanes
working fluid
flow
geometry
control stage
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Bernd Leidinger
Matthias SCHÖNEICH
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F05D2260/961—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise by mistuning rotor blades or stator vanes with irregular interblade spacing, airfoil shape

Definitions

  • the present invention relates to the nozzles of the control stage of a nozzle group-controlled turbine.
  • thermodynamic design For steam turbines, there are different concepts of thermodynamic design, whereby the different operating modes of the system are optimized. If the turbine is driven almost exclusively under the same load, it is designed as a throttle-controlled turbine. Here, the design is optimized to the maximum load point. There are instead many driving points under ⁇ Kunststoffaji load, then it makes sense to consider the Operalastverhal ⁇ th of the turbine. The turbine is controlled to Dü ⁇ sengue, ie in the partial load range, it has a higher efficiency than in comparison with the throttle-controlled turbine.
  • the structure of a nozzle group-controlled turbine consists of the valves, flow channels, nozzle segments (consisting of turbine blades in constant pressure construction), the control wheel (consisting of turbine blades in constant pressure construction) as well as the following blading in the flow direction in constant pressure or overpressure construction.
  • the live steam is fed through separate valves each a nozzle segment.
  • the valves open in a particular order, eg 1-2-3-4. The more valves are opened, the higher the pressure to the nozzles and thus the lower the load of the individual nozzles.
  • the current design of the nozzle segments is determined by blade profiles, which falls on a large the Pressure are optimized to how it occurs when opening the first Ven ⁇ tils.
  • control stage for a turbine has a stator with a first vane segment or first vanes and at least one second vane segment or second vanes. Furthermore, the control stage has a first flow channel and a second
  • the first flow channel is directed in such a way that a flow of the first flow channel of the first working fluid with first fluid parameters and a first mass flow acts on the first guide vanes.
  • the second flow channel is configured such that a second working fluid having second fluid parameters and a second mass flow flowing through the second flow channel separates the second guide vanes of the second guide blade segment applied.
  • a first number of the first guide vanes and / or a first geometry of the first guide vanes differ from a second number of the second guide vanes and / or a second geometry of the second guide vanes.
  • a turbine in accordance with another aspect of the present invention, includes a top ⁇ be required control stage and an impeller.
  • the impeller is arranged along a flow direction of the turbine behind the control stage.
  • the control stage is formed, the first working fluid and / or the second working fluid to such steu ⁇ ren that the first working fluid and / or the second Ar ⁇ beitsfluid the impeller in a predetermined range in a predetermined angle of attack flows against.
  • a method for operating a control stage for a turbine, in particular for a constant pressure turbine is described.
  • the control stage has an impeller with first vanes and second vanes.
  • the control stage has a first flow channel and a second flow channel.
  • a first number of the first vanes and / or a first geometry of the first vanes differ from a second number of the second vanes and / or a second geometry of the second vanes.
  • the first guide vanes are acted upon by a first working fluid flowing through the first flow passage having first fluid parameters and a first mass flow.
  • the second Leitschau- be acted upon with a second working fluid flowing through the second flow channel with second fluid parameters and a second mass flow.
  • a gaseous or a liquid fluid can be referred id.
  • the first working fluid may thereby ge ⁇ genüber comprise moving ⁇ che or different mass flows and / or parameters to the second working fluid.
  • the flow velocity c and / or the pressure can be designated p ⁇ net.
  • the first and second mass flow describing the mass of the working fluid, which moves in a unit time through a cross section of the first or second flow channel be ⁇ .
  • the mass flow refers to, for example, how much flow Ki ⁇ logramm per unit time (for example, second or minute) through a cross section of the respective flow channel.
  • the regulation stage has play at least the stator and respective first and second flow channels in accordance with the present invention in ⁇ . Due to the inflow of the working fluid through first and second flow channels at certain first and second stator vane segments is a deflection of the working fluid in a desired direction and setting a predetermined flow rate and a predetermined pressure level after the control stage provided a ⁇ .
  • the first and second vanes or a first group (or first vane segment) of first vanes and a second group (or second vane segment) of second vanes of the stator are successively arranged along the circumferential direction of the stator.
  • the first and second flow channels segment the first guide vanes from the second guide vanes.
  • the first and second flow channels are further formed such that a working fluid flowing in the radial direction is deflected in a substantially axial direction, so that the first and second guide vanes are flowed through in the axial direction by the respective first and second working fluid.
  • axial and radial refer to the ahead ⁇ invention to the orientation of a turbine shaft of the turbine.
  • a radial direction describes a direction to the center of the turbine shaft.
  • An axial be ⁇ writes a direction which is parallel to the axis of rotation of the turbine shaft.
  • geometric of the respective vanes, the geometric shape and the geometric dimen ⁇ measurements of the respective vanes are subsumed.
  • the geometry can write for example, certain variables such as various surface profiles of the first and second vanes loading.
  • the first number of the first vanes describe the number of respective vanes in a first vane segment of the stator, which are acted upon by the first working fluid from the first flow channel.
  • a further second plurality of second guide vanes for example, defined to be acted upon by the second working fluid flowing through the second flow channel, that number of second Leitschau ⁇ feln in a second of the stator vane segment, wel ⁇ surface.
  • the first Leitschschel ⁇ segment and the second vane segment can be made the same size, ie, the first Leitschaufelseg ⁇ ment and the second vane segment can represent the same size circle segments of the stator.
  • first the first working fluid through the flow first flow channel and act on the first vanes.
  • the first working fluid has a certain first mass flow and flows against the first vanes. This creates a very high pressure difference between seeing the first pressure of the first working fluid before the first vanes and the pressure of the first working fluid after the first vanes. This pressure difference leads to a high load on the first guide vanes.
  • the second Ar ⁇ beitsfluid is supplied through the second flow channel to provide the wheels with additional working fluid at other needs of the turbine.
  • the second working fluid meets the second vane segment with the second mass flow.
  • the second vanes accelerate the second working fluid and reduce entspre ⁇ accordingly the second pressure behind the second vane segment. Since already the first working fluid, which flows through the first vanes, has already increased the pressure level behind the vane ring, the pressure difference between the pressure of the second working fluid and the second is
  • the geometries of the first and second guide vanes can be formed differently. Especially as to withstand for example, the second vanes ei ⁇ ner lower pressure difference, DIE se narrower and less robust than the first Leit shovel ⁇ can be formed.
  • the number of first vanes may differ from the number of second vanes.
  • the respective vanes are adapted in their geometric configuration and in number to their corresponding operational load.
  • the stator differs, so to speak formed first and second vanes. Due to the different design of the geometries and the number of first and second vanes, the design of a stator can be optimized, so that thereby the most diverse positive effects are achieved.
  • the weight and the manufacturing cost of the stator can be redu sheet ⁇ since lighter guide vanes can be used with less stress on individual segments. It is therefore not necessary to consistently use massive and heavy guide screens, although in some segments such a high level of robustness is unnecessary.
  • the guide vanes of the turbine due to the niedri ⁇ Geren load in some segments are executed, for example, narrower than, for example, those vanes which drive first at the beginning of the loading will be applied. Since in general the flow losses are greater with the same blade height of the vanes, the wider the applied vane is performed, the use of narrower vanes in less loaded vanes in addition to a higher efficiency of the control stage.
  • first and second vanes which may for example have different professional ⁇ le, profile starches profile lengths and a different number for each segment.
  • This allows the effect ⁇ degree of each segment or group to be increased on the first and / or guide vanes and thus increase the efficiency of the entire control stage.
  • the airfoils of the nozzle segments (or stator vane) to be optimized for ih ⁇ ren differential pressure towards whereby the efficiency of the vane segments is increased.
  • the first geometry has a first profile thickness and the second geometry has a second profile thickness.
  • the first profile thickness differs from the second profile thickness.
  • the profile thickness of an airfoil, from which customary ⁇ the vanes are formed describes a maximum circle diameter on a skeleton line (center line) of the respective vane.
  • the skeleton line or center line connects a profile nose with a rear end or with the trailing edge of the guide vane.
  • the thickness profile describes the maximum width and the maximum width of a respective vane.
  • the individual first vanes thus differ from the second vanes according to their thicknesses.
  • the first guide vanes may be made thicker than the second guide vanes.
  • the first geometry, a first profile length and the second Geomet ⁇ rie to a second profile length differs ⁇ from the second profile length.
  • the profile length describes the longest line from the profile nose to the profile trailing edge (skeleton line, center line).
  • the first guide vanes are longer than the second guide vanes.
  • the first geometry, a first profile curvature and the second geo ⁇ geometry to a second profile curvature.
  • the first profile curvature differs from the second profile curvature.
  • profile curvature the greatest deviation of the skeleton line from the chord can be described.
  • the chord is an imaginary line connecting the lug nose and the trailing edge of the profile of the vanes.
  • the skeleton line (profile center line, camber line) is a line from the front to the rear edge of the product fils, which has anywhere the same distance from the Profilo ⁇ BER and bottom.
  • the skeleton line is a straight line and coincides with the chord.
  • the skeleton line arched and thus has a distance from the chord on.
  • first geometry to the second geometry may further geometrical Formdefini ⁇ functions are used.
  • first geometry of the second geometry by their Hohlwöl ⁇ exercise, the nose radius, the trailing edge angle, the Völbungs ⁇ reserve or the thickness reserve differ.
  • first guide vanes may differ from the others and also among one another in form definitions, which are suitable for preference in each case for operation in the supersonic range, in the sound-absorbing or subsonic range.
  • Hollow curvature is the largest deviation of a profile bit edge from the profile contour of the guide vane. It is usually only on the lower profile side behind.
  • the nose radius indicates the radius of the nose circle of the profile nose. Large nose radius usually means low thickness reserve.
  • the trailing edge angle is the angle at the trailing edge zwi ⁇ 's profile top and bottom profile.
  • the buckling reserve refers to the distance from the profile nose that the point has at the maximum height of the skeleton line. It is always behind the thickness reserve.
  • the thickness ⁇ reserve refers to the distance of the largest thickness over the chord of the profile nose. It is always in front of the Völbungsgurlage.
  • a first nozzle channel with a first nozzle cross-section is formed between two adjacent first guide vanes.
  • the first nozzle cross section differs from the second nozzle cross section.
  • the guide wheel has further guide blades (or further guide blade segments).
  • the control stage further comprises a further Strö ⁇ flow duct.
  • the further flow channel is such is directed ⁇ that flowing through the other flow channel further working fluid with further fluid parameters and a further mass flow applied to the other vanes.
  • a further number of the further guide vanes differs at least from the first number of the first guide vanes and / or the second number of the second guide vanes.
  • at least one further geometry of the further guide vanes differs from at least the first geometry of the first guide vanes and / or the second geometry of the second guide vanes.
  • Fig. 1 shows a sectional view of a control stage according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the third routing ⁇ blades of a third guide vane of the stator ge ⁇ Häss an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the first routing ⁇ shovel of a first guide vane of the stator ge ⁇ Gurss an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a sectional view of a turbine with a control stage according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a control stage 100 for a turbine 400 (see FIG. 4).
  • the control stage 100 has a stator 110 with first guide vanes 111 and second guide vanes 112. Furthermore, the control stage 100 has a first flow channel 101 and a second flow channel 102.
  • the first Strömungska ⁇ nal 101 is formed such that a fluid flowing through the first flow passage 101 first working fluid having the first Fluid parameters and a first mass flow ril l of the first vanes 111 acted upon.
  • the second flow passage 102 is configured such that a fluid flowing through the second flow channel 102 ⁇ second working fluid parameters with the second fluid and a mass flow ⁇ 2 acts upon the second guide vanes 112th
  • a first number of the first routing ⁇ shovel 111 and / or a first geometry of the first vanes 111 differ from a second number of second guide vanes 112 and / or a second geometry of the second guide vanes 112th
  • FIG. 1 shows that the control stage 100 further 103, 104 may have Strö ⁇ mung channels.
  • FIG. 1 in that a third flow channel 103 and fourth flow channel 104 can be formed to propose corresponding third guide vanes 113 and fourth guide vanes 114 with a working fluid, such as water vapor, to beauf ⁇ .
  • the respective flow channels 101-104 divide the vanes 111-114 of the nozzle 110 into corresponding segments AD.
  • the first flow channel is bounded 101 through its wall and controls the back ⁇ flowing therethrough working fluid directly to the first guide vane finely 111.
  • the first vanes 111 together with the first flow passage 101, the first segment A usually ⁇ stage 100.
  • the second segment B, the third segment C and the fourth segment D are formed.
  • the fluid parameters are, for example, pressures p1-p4 and flow rates c1-c4.
  • the mass flow 1711-1714 and the flow parameters of the working fluid in the respective flow channel 101-104 can be adjusted by arranged in the flow channels 101-104 valves 121-124.
  • first the first valve 121 opens, so that through the first flow channel 101, a first working fluid with the mass flow ril l and the first pressure pl and the first flow velocity cl in Rich ⁇ tion first vanes 111 flows.
  • the first vanes 111 direct the first working fluid in a predetermined Rich ⁇ tung, so that the predetermined direction is flowing in the arranged behind the blades of an impeller.
  • the second valve 122 When the first valve 121 is fully opened and thus allows the first working fluid to flow at its lowest point in its valve point, the second valve 122 is opened when additional power of the turbine 400 is required.
  • ⁇ means of the second valve 122 a second working fluid flows through the second flow channel 102 in the direction of stator 110 and flows against the second vanes 112. Since in the flow direction behind the stator 110 and in a space between the stator 110 and the underlying impeller already a If there is an increased pressure due to the flow of the first working fluid, the pressure difference between the second pressure p2 of the second working fluid before the second is
  • Vanes 112 and the pressure of the working fluid behind the vanes less than the pressure difference which acts on the first vanes 111 at the start of the turbine 400. Due to the lower pressure difference, the second vanes 112 are less stressed than the first vanes 111.
  • the second valve is in its valve 122 and point ⁇ be exaggerated thus has optimum efficiency, opens the third valve 123, if necessary, so that flows a third working fluid through the third flow channel 103 in the direction of third vanes 113th
  • the third guide vanes 113 are loaded less than the first guide vanes 113. blades 111 and the second vanes 112, because the third vanes 113 have a smaller pressure difference between the third pressure p3, which is applied in front of the third vanes 113 and a pressure which prevails behind the third vanes 113.
  • the fourth valve 124 is finally opened, so that a fourth working fluid through the four ⁇ th flow channel 104 with a fourth mass flow ⁇ 4 and a fourth Flow rate c4 toward fourth vanes 114 flows.
  • a fourth pressure p4 of the fourth working fluid is present.
  • a nozzle group control is provided, whereby the working fluid, such as live steam, is fed through ge ⁇ separated valves 121-124 each an associated Düsenseg ⁇ ment AD.
  • valves 121-124 open in a predetermined amount
  • the respective guide vanes 111-114 of the later flowed-through segments AD can be made narrower and lighter than those guide vanes 111-114 the first opened segments AD, in particular the first segment A.
  • Fig. 1 shows that the walls of the flow channels 101-104 define the segmentation of the vanes 111-114.
  • the flow channel 101 defines, for example, the first sector A, in which, due to the formation of the first flow channel 101, only the first working fluid is acted upon by the first fluid parameters ril 1 and the first mass flow. Accordingly, the second guide vanes 112 are acted upon exclusively by the second working fluid with the second mass flow ⁇ 2 and the second fluid parameters. Accordingly, the third flow channel 103 and the fourth flow channel 104 control the inflow of a third working fluid and a fourth working fluid to the third guide vanes 113 of the third segment C and to the fourth guide vanes 114 of the fourth segment D, respectively.
  • FIG. 1 shows that the stator 110 is arranged around a turbine shaft 130.
  • the turbine shaft 130 has a
  • the axis of rotation of the turbine shaft 130 determines the axial direction 131 of the turbine 400 and the turbine shaft 130, respectively.
  • Fig. 2 shows the section II-II of the stator 110.
  • Fig. 2 shows the section II-II of a detail drit ⁇ th segment C, in which the third guide vanes 113 are arranged.
  • the third Ar ⁇ beitsfluid flows with a third mass flow 1713, and a third flow rate c3 against the profile of the individual lugs third guide vanes 113.
  • a pressure p3 In the direction of flow in front of the third guide vanes 113 there is a pressure p3.
  • a third nozzle channel 213 is formed between the individual third guide vanes 113.
  • the third working fluid flows through the third nozzle channel 213.
  • the third Ar beitsfluid flowing through the third flow channel 213 in a directed predetermined flow direction.
  • the Pro ⁇ file of the third guide vanes are formed such that the third nozzle channel 213 acts as a nozzle, so that the third pressure p3 to a lower third pressure level P3, quizd by re- and its third flow rate c3 increased, so that behind the third guide vanes 113, a higher flow velocity c3 prevails after the third working fluid.
  • the profile shapes of the third vanes 113 define a third nozzle cross-section A3, which controls the fluid parameters of the flowing through the third working fluid in a predetermined manner.
  • Each of the third vanes 113 has the same or different geometries.
  • the different geometries can be determined, for example, as shown in FIG. 2, via a third profile thickness d3, a third skeleton line s3 and / or over a third length 13.
  • FIG. 3 shows the section II of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a section of the first segment A of the stator 110, in which the first guide vanes 111 are arranged in the circumferential direction.
  • the first working fluid flows with first fluid parameters and a first mass flow rill against the profile lugs of the first vanes 111.
  • a first pressure pl is applied to the profile lugs of the first vanes 111.
  • the first working fluid has a first Strö ⁇ flow velocity cl.
  • the first working fluid flows through first nozzle channels 211, which form between the first guide vanes 111.
  • Each of the first nozzle channels 211 has a first nozzle cross-section AI.
  • the first working fluid has downstream after flowing through the first nozzle channels 211, a first pressure pl, and a first flow rate c 1, after.
  • the pressure is reduced in general ⁇ my in the control stage and the first Accelerated working fluid. Therefore, the pressures pl and p3 before the vanes 111-114 are generally higher than the pressures pl, gradually p3, after working fluids after the Leit ⁇ shovel 111-114.
  • the flow rates c1, c3 of the working fluids upstream of the guide vanes 111-114 are lower than the flow rates c1, after and c3, downstream of the respective guide vanes 111-114.
  • FIG. 3 shows the first guide vanes 111, which are first supplied with a first working fluid at the start of the turbine 400.
  • the first pressure difference between the first pressure pl and the first pressure pl, downstream of the first guide vanes 111 is greater than the pressure difference between the third pressure p3, p3, which is present on the third guide vanes 113. Therefore, the load of the first vanes 111 is greater than the load of the third vanes 113. Therefore, the first vanes 111 are made more robust, for example, than the third vanes 113 as illustrated by comparing FIGS. 2 and 3.
  • the first guide vanes 111 have, for example, a first profile thickness d 1, which is greater than the third profile thickness d 3 of the third guide vanes 113.
  • first guide vanes 111 have, for example, a longer length 11 (first chord) than the third length 13 (third chord). Additionally or alternatively, the skeleton line sl of the first guide vanes 111 may be made longer than the third skeleton line s3 of the third guide vanes 113. The first guide vanes 111 are thus made more robust than the third guide vanes 113.
  • the first number of the first guide vanes 111 in the first segment A is less than the number of third guide vanes 113 in the third segment C.
  • the segments A-D can, for example, form segments of the stator 110 that are the same size or different.
  • Fig. 2 shows a higher number of third vanes 113 in the third segment C compared to the first number the first guide vanes 111 in the first segment A.
  • the guide vanes 111-114 are formed and adapted in the segments AD according to their load, so that the guide vanes 111-114 with their geometries and in number in the respective segments AD to the required robustness and a better Efficiency can be adjusted.
  • the Wir ⁇ Kungsgrad the control stage 100 and thus the entire turbine 400 is increased.
  • 4 shows a sectional view of the turbine 400.
  • Turbine 400 has the control stage 100 described above.
  • the control stage 100 shown in FIG. 4 has the stator 110, on which outer circumference the guide vanes 111-114 are arranged (not shown).
  • Three flow channels 101-103 segment the vanes 111-114 into three vane segments AC. In a central region of the Turbi ⁇ nenwelle 130 is stored.
  • the working fluid such as, for example, live steam
  • the working fluid is supplied in a supply line and first conducted through the flow channels 101-104 in the radial direction to the turbine shaft 130.
  • the working fluid is deflected through the flow channels 101-104 in the axial direction 131.
  • a control stage 100 may have 3, 4, 5, or another plurality of nozzle groups, each having a segment AD, a flow channel 101-104, and a valve 121-124.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelstufe (100) für eine Turbine. Die Regelstufe (100) weist ein Leitrad (110) mit ersten Leitschaufeln (111) und zweiten Leitschaufeln (112) auf. Ferner weist die Regelstufe (100) einen ersten Strömungskanal (101), und einen zweiten Strömungskanal (102) auf. Der erste Strömungskanal (101) ist derart eingerichtet, dass ein durch den ersten Strömungskanal (101) strömendes erstes Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom (ṁ1) die ersten Leitschaufeln (111) beaufschlagt. Der zweite Strömungskanal (102) ist derart eingerichtet, dass ein durch den zweiten Strömungskanal (102) strömendes zweites Arbeitsfluid mit zweiten Fluidparametern und einem zweiten Massenstrom (ṁ2) die zweiten Leitschaufeln (112) beaufschlagt. Eine erste Anzahl der ersten Leitschaufeln (111) und/oder eine erste Geometrie der ersten Leitschaufeln (111) unterscheiden sich von einer zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln (112) und/oder einer zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln (112).

Description

Beschreibung
Wirkungsgraderhöhung einer Regelstufe einer Gleichdruckturbine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Düsen der Regelstufe einer düsengruppengeregelten Turbine.
Hintergrund der Erfindung
Für Dampfturbinen gibt es unterschiedliche Konzepte der ther- modynamischen Auslegung, wobei auf die unterschiedlichen Fahrweisen der Anlage hin optimiert wird. Wird die Turbine fast ausschließlich unter der gleichen Last gefahren, so wird sie als drosselgeregelte Turbine ausgelegt. Hierbei optimiert man die Auslegung auf den maximalen Lastpunkt. Gibt es stattdessen viele verschiedene Fahrpunkte mit unter¬ schiedlicher Last, dann ist es sinnvoll, das Teillastverhal¬ ten der Turbine zu berücksichtigen. Die Turbine wird dazu Dü¬ sengruppen geregelt, d.h. im Teillastbereich hat sie einen höheren Wirkungsgrad als im Vergleich mit der drosselgeregel- ten Turbine.
Der Aufbau einer düsengruppengeregelten Turbine besteht aus den Ventilen, Strömungskanälen, Düsensegmenten (bestehend aus Turbinenschaufeln in Gleichdruckbauweise) , dem Regelrad (be- stehend aus Turbinenschaufeln in Gleichdruckbauweise) sowie der in Strömungsrichtung folgenden Beschaufelung in Gleichdruck- oder Überdruckbauweise.
Dabei wird der Frischdampf durch getrennte Ventile jeweils einem Düsensegment zugeleitet. Mit steigender Leistung der Turbine öffnen sich die Ventile in einer bestimmten Reihenfolge, z.B. 1-2-3-4. Je mehr Ventile geöffnet sind, desto höher ist der Druck nach den Düsen und desto geringer folglich die Belastung der einzelnen Düsen. Die gegenwärtige Bauweise der Düsensegmente ist bestimmt durch Schaufelprofile, die auf ein großes Druckge- fälle hin optimiert sind, wie es beim Öffnen des ersten Ven¬ tils auftritt.
Da alle Düsensegmente gleich gebaut sind, sind die Schaufel¬ profile der Segmente, die den zuletzt öffnenden Ventilen (z.B. 3 und 4) zugeordnet sind, überdimensioniert. Durch die Überdimensionierung der Profile wird der Wirkungsgrad in dem Segment im Vergleich mit einer optimalen Auslegung verringert . Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Gesamtwirkungsgrad der Düsen und damit der Regelstufe zu steigern. Die vorliegende Aufgabe wird durch eine Regelstufe für eine Turbine, durch eine Turbine, und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Regelstufe für eine Turbine, gemäß den unab¬ hängigen Ansprüchen gelöst. Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Regelstufe für eine Turbine beschrieben. Die Regelstufe weist ein Leitrad mit einem ersten Leitschaufelsegment bzw. ersten Leitschaufeln und mindestens einem zweiten Leitschaufelsegment bzw. zweiten Leitschaufeln auf. Ferner weist die Regelstufe einen ersten Strömungskanal und einen zweiten
Strömungskanal auf. Der erste Strömungskanal ist derart ein¬ gerichtet, dass ein durch den ersten Strömungskanal strömen¬ des erstes Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom die ersten Leitschaufeln beaufschlagt. Der zweite Strömungskanal ist derart eingerichtet, dass ein durch den zweiten Strömungskanal strömendes zweites Arbeitsfluid mit zweiten Fluidparametern und einem zweiten _Massenstrom die zweiten Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelsegments beaufschlagt. Eine erste Anzahl der ersten Leitschaufeln und/oder eine erste Geometrie der ersten Leitschaufeln unterscheiden sich von einer zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln und/oder einer zweiten Geometrie der zweiten Leitschau- fein.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Turbine, beschrieben. Die Turbine weist eine oben be¬ schriebene Regelstufe und ein Laufrad auf. Das Laufrad ist entlang einer Strömungsrichtung der Turbine hinter der Regelstufe angeordnet. Die Regelstufe ist ausgebildet, das erste Arbeitsfluid und/oder das zweite Arbeitsfluid derart zu steu¬ ern, dass das erste Arbeitsfluid und/oder das zweite Ar¬ beitsfluid das Laufrad in einem vorbestimmten Bereich in ei- nem vorbestimmten Anströmwinkel anströmt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Regelstufe für eine Turbine, insbesondere für eine Gleichdruckturbine, beschrieben. Die Regelstufe weist ein Laufrad mit ersten Leitschaufeln und zweiten Leitschaufeln auf. Ferner weist die Regelstufe einen ersten Strömungskanal und einen zweiten Strömungskanal auf. Eine erste Anzahl der ersten Leitschaufeln und/oder eine erste Geometrie der ersten Leitschaufeln unterscheiden sich von einer zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln und/oder einer zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln. Die ersten Leitschaufeln werden mit einem durch den ersten Strömungskanal strömenden ersten Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom beaufschlagt. Die zweiten Leitschau- fein werden mit einem durch den zweiten Strömungskanal strömenden zweiten Arbeitsfluid mit zweiten Fluidparametern und einem zweiten Massenstrom beaufschlagt.
Als Arbeitsfluid kann ein gasförmiges oder ein flüssiges Flu- id bezeichnet werden. Das erste Arbeitsfluid kann dabei glei¬ che oder unterschiedliche Massenströme und/oder Parameter ge¬ genüber dem zweiten Arbeitsfluid aufweisen. Unter Fluidparametern kann beispielsweise die Temperatur T, die Strömungsgeschwindigkeit c und/oder der Druck p bezeich¬ net werden. Der erste und zweite Massenstrom beschreiben die Masse des Arbeitsfluids, die sich in einer Zeiteinheit durch einen Querschnitt des ersten oder zweiten Strömungskanals be¬ wegt. Der Massenstrom bezeichnet beispielsweise, wie viel Ki¬ logramm je Zeiteinheit (z.B. Sekunde oder Minute) durch einen Querschnitt des entsprechenden Strömungskanals fließen. Al¬ ternativ zum Massenstrom kann im Rahmen der vorliegenden Er- findung die Durchflussmenge des Arbeitsfluids in entsprechen¬ den Strömungskanälen über dem Volumenstrom beschrieben werden, wonach das Volumen des Arbeitsfluids pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt eines entsprechenden Strömungskanals definiert wird.
Die Regelstufe weist gemäß der vorliegenden Erfindung bei¬ spielsweise zumindest das Leitrad und entsprechende erste und zweite Strömungskanäle auf. Aufgrund der Zuströmung des Ar- beitsfluids durch erste und zweite Strömungskanäle zu be- stimmten ersten und zweiten Leitschaufelsegmenten wird eine Umlenkung des Arbeitsfluids in eine gewünschte Richtung und eine Einstellung einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit und eines vorbestimmten Druckniveaus nach der Regelstufe ein¬ gestellt. Durch Steuerung der Fluidparameter und der Massen- ströme der entsprechenden ersten und zweiten Arbeitsfluide in den entsprechenden ersten und zweiten Strömungskanälen kann mit der im Rahmen der Erfindung beschriebenen Regelstufe eine eingangs erläuterte Düsengruppenregelung umgesetzt werden. Die ersten und zweiten Leitschaufeln bzw. eine erste Gruppe (bzw. erstes Leitschaufelsegment) erster Leitschaufeln und eine zweite Gruppe (bzw. zweites Leitschaufelsegment) zweiter Leitschaufeln des Leitrads sind entlang der Umfangsrichtung des Leitrads nacheinander angeordnet. Der erste und zweite Strömungskanal segmentiert hierbei die ersten Leitschaufeln von den zweiten Leitschaufeln. Die ersten und zweiten Strömungskanäle sind ferner derart ausgebildet, dass ein in radialer Richtung anströmendes Ar- beitsfluid in eine im Wesentlichen axiale Richtung umgelenkt wird, so dass die ersten und zweiten Leitschaufeln durch das jeweilige erste und zweite Arbeitsfluid in axialer Richtung angeströmt werden.
Die Begriffe „axial" und „radial" beziehen sich in der vor¬ liegenden Erfindung auf die Orientierung einer Turbinenwelle der Turbine. Eine radiale Richtung beschreibt eine Richtung zum Mittelpunkt der Turbinenwelle. Eine Axialrichtung be¬ schreibt eine Richtung, welche parallel zur Drehachse der Turbinenwelle ist. Unter dem Begriff „Geometrie" der jeweiligen Leitschaufeln werden die geometrische Form sowie die geometrischen Abmes¬ sungen der jeweiligen Leitschaufeln subsumiert. Die Geometrie kann beispielsweise bestimmte Größen wie auch verschiedene Oberflächenprofile der ersten und zweiten Leitschaufeln be- schreiben.
Die erste Anzahl der ersten Leitschaufeln beschreiben die Anzahl der betreffenden Leitschaufeln in einem ersten Leitschaufelsegment des Leitrads, welche durch das erste Ar- beitsfluid aus dem ersten Strömungskanal beaufschlagt werden. Eine weitere zweite Anzahl von zweiten Leitschaufeln definiert beispielsweise diejenige Anzahl an zweiten Leitschau¬ feln in einem zweiten Leitschaufelsegment des Leitrads, wel¬ che durch das zweite Arbeitsfluid, welches durch den zweiten Strömungskanal strömt, beaufschlagt werden. Das erste Leit¬ schaufelsegment und das zweite Leitschaufelsegment können gleich groß ausgebildet sein, d.h. das erste Leitschaufelseg¬ ment und das zweite Leitschaufelsegment können gleichgroße Kreissegmente des Leitrades darstellen.
Im Betrieb der oben beschriebenen Regelstufe für eine Turbine kann zur Umsetzung einer Düsengruppenregelung in einem bestimmten Lastpunkt zunächst das erste Arbeitsfluid durch den ersten Strömungskanal strömen und die ersten Leitschaufeln beaufschlagen. Das erste Arbeitsfluid weist einen bestimmten ersten Massenstrom auf und strömt gegen die ersten Leitschaufeln. Hierdurch entsteht eine sehr hohe Druckdifferenz zwi- sehen dem ersten Druck des ersten Arbeitsfluids vor den ersten Leitschaufeln und dem Druck des ersten Arbeitsfluids nach den ersten Leitschaufeln. Diese Druckdifferenz führt zu einer hohen Belastung der ersten Leitschaufeln. Nachdem ein maximaler erster Massenstrom durch den ersten Strömungskanal strömt, wird bei weiterem Bedarf der Turbine das zweite Ar¬ beitsfluid durch den zweiten Strömungskanal zugeführt, um die Laufräder mit zusätzlichem Arbeitsfluid zu versorgen. Das zweite Arbeitsfluid trifft auf das zweite Leitschaufelsegment mit dem zweiten Massenstrom. Die zweiten Leitschaufeln be- schleunigen das zweite Arbeitsfluid und reduzieren entspre¬ chend den zweiten Druck hinter dem zweiten Leitschaufelsegment. Da bereits das erste Arbeitsfluid, welches durch die ersten Leitschaufeln strömt, das Druckniveau hinter dem Leitschaufelkranz bereits erhöht hat, ist die Druckdifferenz zwi- sehen dem Druck des zweiten Arbeitsfluids vor den zweiten
Leitschaufeln und in Strömungsrichtung nach den zweiten Leitschaufeln geringer als die Druckdifferenz, welche bei den ersten Leitschaufeln bei Beaufschlagung nur des ersten Düsensegments der Turbine anliegt.
Aus diesem Grunde können zum einen die Geometrien der ersten und zweiten Leitschaufeln unterschiedlich ausgebildet werden. Insbesondere da beispielsweise die zweiten Leitschaufeln ei¬ ner geringeren Druckdifferenz standhalten müssen, können die- se schmaler und somit weniger robust als die ersten Leit¬ schaufeln ausgebildet werden. Ebenso können sich alternativ oder zusätzlich die Anzahl der ersten Leitschaufeln von der Anzahl der zweiten Leitschaufeln unterscheiden. Mit anderen Worten werden die jeweiligen Leitschaufeln in ihrer geometrischen Ausgestaltung und in ihrer Anzahl an ihre entsprechende betriebsbedingte Belastung angepasst. In Um- fangsrichtung weist das Leitrad sozusagen unterschiedlich ausgebildete erste und zweite Leitschaufeln auf. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Geometrien und der Anzahl der ersten und zweiten Leitschaufeln kann das Design eines Leitrads optimiert werden, so dass dadurch die unterschied- lichsten positiven Effekte erzielt werden. Beispielsweise werden das Gewicht und die Herstellkosten des Leitrads redu¬ ziert, da bei geringerer Belastung einzelner Segmente leichtere Leitschaufeln eingesetzt werden können. Es ist daher nicht notwendig, durchgängig massive und schwere Leitschau- fein einzusetzen, obwohl in manchen Segmenten eine derart hohe Robustheit unnötig ist. Ferner können aufgrund der niedri¬ geren Belastung in manchen Segmenten die Leitschaufeln beispielsweise schmaler ausgeführt werden als beispielsweise diejenigen Leitschaufeln, welche zuerst bei Beginn des Be- triebs der Turbine beaufschlagt werden. Da im Allgemeinen die Strömungsverluste bei gleicher Schaufelhöhe der Leitschaufeln umso größer sind, je breiter die beaufschlagte Leitschaufel ausgeführt ist, führt der Einsatz schmalerer Leitschaufeln bei weniger belasteten Leitschaufeln zusätzlich zu einem hö- heren Wirkungsgrad der Regelstufe.
Zusammenfassend kann mit den angepassten ersten und zweiten Leitschaufeln, welche beispielsweise unterschiedliche Profi¬ le, Profilstärken, Profillängen sowie eine unterschiedliche Anzahl je Segment aufweisen können, an eine im Betrieb ausgesetzte Belastung optimiert werden. Damit kann der Wirkungs¬ grad jedes Segments bzw. jeder Gruppe an ersten und/oder Leitschaufeln gesteigert und somit auch der Wirkungsgrad der gesamten Regelstufe gesteigert werden. Die Schaufelprofile der Düsensegmente (bzw. Leitschaufelsegmente) werden auf ih¬ ren Differenzdruck hin optimiert wodurch der Wirkungsgrad der Leitschaufelsegmente gesteigert wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form der vorliegenden Erfindung weist die erste Geometrie eine erste Pro- fildicke und die zweite Geometrie eine zweite Profildicke auf. Die erste Profildicke unterscheidet sich von der zweiten Profildicke . Die Profildicke eines Strömungsprofils, aus welchem üblicher¬ weise die Leitschaufeln gebildet werden, beschreibt einen größtmöglichen Kreisdurchmesser auf einer Skelettlinie (Mittellinie) der jeweiligen Leitschaufel. Die Skelettlinie bzw. Mittellinie verbindet eine Profilnase mit einem hinteren Ende bzw. mit der Abströmkante der Leitschaufel. Mit anderen Wor¬ ten beschreibt die Profildicke die größtmögliche Breite bzw. die maximale Breite einer entsprechenden Leitschaufel. Mit der oben beschriebenen Aus führungs form unterscheiden sich so- mit die einzelnen ersten Leitschaufeln von den zweiten Leitschaufeln entsprechend ihren Dicken. Beispielsweise können die ersten Leitschaufeln dicker ausgeführt sein als die zweiten Leitschaufeln. Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die erste Geometrie eine erste Profillänge und die zweite Geomet¬ rie eine zweite Profillänge auf. Die erste Profillänge unter¬ scheidet sich von der zweiten Profillänge. Die Profillänge beschreibt die längste Linie von der Profilnase bis zur Pro- filhinterkante (Skelettlinie, Mittellinie) . Mit anderen Wor¬ ten sind beispielsweise die ersten Leitschaufeln länger als die zweiten Leitschaufeln ausgebildet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die erste Geometrie eine erste Profilwölbung und die zweite Geo¬ metrie eine zweite Profilwölbung auf. Die erste Profilwölbung unterscheidet sich von der zweiten Profilwölbung. Als Profilwölbung kann die größte Abweichung der Skelettlinie von der Profilsehne beschrieben werden.
Die Profilsehne ist eine gedachte Linie, die die Profilnase und die Hinterkante des Profils der Leitschaufeln verbindet. Die Skelettlinie (Profilmittellinie, Wölbungslinie) ist eine gedachte Linie von der Vorder- bis zur Hinterkante des Pro- fils, die an jedem Ort den gleichen Abstand zu der Profilo¬ ber- und -Unterseite hat. Bei symmetrischen Profilen bei¬ spielsweise ist die Skelettlinie eine Gerade und fällt mit der Profilsehne zusammen. Bei nichtsymmetrischen Profilen ist die Skelettlinie gewölbt und weist somit einen Abstand zu der Profilsehne auf.
Ferner kann zur unterschiedlichen Definition der ersten Geo- metrie zur zweiten Geometrie weitere geometrische Formdefini¬ tionen herangezogen werden. Beispielsweise kann sich die erste Geometrie von der zweiten Geometrie durch ihre Hohlwöl¬ bung, dem Nasenradius, dem Hinterkantenwinkel, der Wölbungs¬ rücklage oder der Dickenrücklage unterscheiden.
Insbesondere können sich die ersten Leitschaufeln von den weiteren und diese untereinander auch in Formdefinitionen unterscheiden, welche geeignet sind, die Profile jeweils für den Betrieb im Überschallbereich, im schallnahen oder Unter- schallbereich zu bevorzugen.
Die Hohlwölbung ist die größte Abweichung einer Profilbitan- gente von der Profilkontur der Leitschaufel. Sie befindet sich meist nur auf der unteren Profilseite hinten. Der Nasen- radius bezeichnet den Radius des Nasenkreises der Profilnase. Großer Nasenradius bedeutet meistens geringe Dickenrücklage. Der Hinterkantenwinkel ist der Winkel an der Hinterkante zwi¬ schen Profiloberseite und Profilunterseite.
Die Wölbungsrücklage bezeichnet den Abstand von der Profilna- se, den der Punkt in maximaler Höhe der Skelettlinie hat. Sie befindet sich immer hinter der Dickenrücklage. Die Dicken¬ rücklage bezeichnet den Abstand der größten Dicke über der Profilsehne von der Profilnase. Sie befindet sich immer vor der Wölbungsrücklage.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form ist zwischen zwei benachbarten ersten Leitschaufeln ein erster Düsenkanal mit einem ersten Düsenquerschnitt ausgebildet. Zwi¬ schen zwei benachbarten zweiten Leitschaufeln ist ein zweiter Düsenkanal mit einem zweiten Düsenquerschnitt ausgebildet.
Der erste Düsenquerschnitt unterscheidet sich von dem zweiten Düsenquerschnitt . Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist das Leitrad weitere Leitschaufeln (bzw. weitere Leitschaufelseg¬ mente) auf. Die Regelstufe weist ferner einen weiteren Strö¬ mungskanal auf. Der weitere Strömungskanal ist derart einge¬ richtet, dass ein durch den weiteren Strömungskanal strömendes weiteres Arbeitsfluid mit weiteren Fluidparametern und einem weiteren Massenstrom die weiteren Leitschaufeln beaufschlagt. Eine weitere Anzahl der weiteren Leitschaufeln unterscheidet sich zumindest von der ersten Anzahl der ersten Leitschaufeln und/oder der zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln. Alternativ oder zusätzlich unterscheidet sich zumindest eine weitere Geometrie der weiteren Leitschaufeln von zumindest der ersten Geometrie der ersten Leitschaufeln und/oder der zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln.
Mit der oben beschriebenen Aus führungs form wird verdeutlicht, dass eine Vielzahl an Düsengruppen aufweisend einen Düsenkanal und eine Gruppe an Leitschaufeln segmentiert und verwen¬ det werden kann. Später öffnende bzw. durchströmte Düsengrup¬ pen erfahren weniger Druckdifferenz, wodurch die Leitschaufeln der entsprechenden Düsengruppe weniger belastet werden und daher weniger robust ausgebildet werden müssen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Aus führungs formen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Aus führungs formen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben .
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Regelstufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von dritten Leit¬ schaufeln eines dritten Leitschaufelsegments des Leitrads ge¬ mäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung von ersten Leit¬ schaufeln eines ersten Leitschaufelsegments des Leitrads ge¬ mäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Turbine mit einer Regelstufe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsfor- men
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Fi- guren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt eine Regelstufe 100 für eine Turbine 400 (siehe Fig. 4) . Die Regelstufe 100 weist ein Leitrad 110 mit ersten Leitschaufeln 111 und zweiten Leitschaufeln 112 auf. Ferner weist die Regelstufe 100 einen ersten Strömungskanal 101 und einen zweiten Strömungskanal 102 auf. Der erste Strömungska¬ nal 101 ist derart ausgebildet, dass ein durch den ersten Strömungskanal 101 strömendes erstes Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom ril l der ersten Leitschaufeln 111 beaufschlagt. Der zweite Strömungskanal 102 ist derart ausgebildet, dass ein durch den zweiten Strömungs¬ kanal 102 strömendes zweites Arbeitsfluid mit zweiten Fluid- parametern und einem Massenstrom ΓΓΊ2 die zweiten Leitschaufeln 112 beaufschlagt. Eine erste Anzahl der ersten Leit¬ schaufeln 111 und/oder eine erste Geometrie der ersten Leitschaufeln 111 unterscheiden sich von einer zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln 112 und/oder einer zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln 112.
Ferner zeigt Fig. 1, dass die Regelstufe 100 weitere Strö¬ mungskanäle 103, 104 aufweisen kann. Beispielsweise zeigt Fig. 1, dass ein dritter Strömungskanal 103 und ein vierter Strömungskanal 104 ausgebildet werden kann, um entsprechende dritte Leitschaufeln 113 und vierte Leitschaufeln 114 mit einem Arbeitsfluid, wie beispielsweise Wasserdampf, zu beauf¬ schlagen. Die jeweiligen Strömungskanäle 101-104 teilen bzw. segmentieren die Leitschaufeln 111-114 des Leitrads 110 in entsprechende Segmente A-D.
In Fig. 1 beispielsweise wird der erste Strömungskanal 101 durch seine Wandung begrenzt und steuert das durch ihn hin¬ durchströmende Arbeitsfluid direkt zu den ersten Leitschau- fein 111. Die ersten Leitschaufeln 111 bilden zusammen mit dem ersten Strömungskanal 101 das erste Segment A der Regel¬ stufe 100. Entsprechend werden das zweite Segment B, das dritte Segment C und das vierte Segment D gebildet. Durch jeden Strömungskanal 101-104 fließt ein entsprechendes Arbeitsfluid, welches beispielsweise unterschiedliche Massen¬ ströme 1771-1774 und/oder unterschiedliche Fluidparameter aufweisen kann. Die Fluidparameter sind beispielsweise Drücke pl-p4 und Strömungsgeschwindigkeiten cl-c4.
Der Massenstrom 1711-1714 und die Strömungsparameter des Ar- beitsfluids in dem jeweiligen Strömungskanal 101-104 können durch in den Strömungskanälen 101-104 angeordnete Ventile 121-124 eingestellt werden.
Wird die Turbine 400 aus dem Stillstand gestartet und bis zur Vollauslastung hochgefahren, öffnet sich zunächst das erste Ventil 121, so dass durch den ersten Strömungskanal 101 ein erstes Arbeitsfluid mit dem Massenstrom ril l und dem ersten Druck pl und der ersten Strömungsgeschwindigkeit cl in Rich¬ tung erste Leitschaufeln 111 strömt. Die ersten Leitschaufeln 111 lenken das erste Arbeitsfluid in eine vorbestimmte Rich¬ tung, so dass in der vorbestimmten Richtung die dahinter angeordneten Laufschaufeln eines Laufrades angeströmt werden.
Wenn das erste Ventil 121 vollständig geöffnet ist und sozu- sagen in seinem Ventilpunkt am verlustärmsten das erste Arbeitsfluid einströmen lässt, wird bei Bedarf zusätzlicher Leistung der Turbine 400 das zweite Ventil 122 geöffnet. Mit¬ tels des zweiten Ventils 122 strömt ein zweites Arbeitsfluid durch den zweiten Strömungskanal 102 in Richtung Leitrad 110 und strömt gegen die zweiten Leitschaufeln 112. Da in Strömungsrichtung hinter dem Leitrad 110 bzw. in einem Raum zwischen dem Leitrad 110 und dem dahinterliegenden Laufrad bereits ein erhöhter Druck aufgrund der Strömung des ersten Ar- beitsfluids vorliegt, ist die Druckdifferenz zwischen dem zweiten Druck p2 des zweiten Arbeitsfluids vor den zweiten
Leitschaufeln 112 und dem Druck des Arbeitsfluids hinter den Leitschaufeln geringer als diejenige Druckdifferenz, welche beim Start der Turbine 400 auf die ersten Leitschaufeln 111 wirkt. Aufgrund der niedrigeren Druckdifferenz werden die zweiten Leitschaufeln 112 weniger beansprucht als die ersten Leitschaufeln 111.
Nachdem auch das zweite Ventil 122 in seinem Ventilpunkt be¬ trieben wird und somit den optimalen Wirkungsgrad aufweist, wird bei Bedarf das dritte Ventil 123 geöffnet, so dass ein drittes Arbeitsfluid durch den dritten Strömungskanal 103 in Richtung dritte Leitschaufeln 113 strömt. Die dritten Leitschaufeln 113 werden weniger belastet als die ersten Leit- schaufeln 111 und die zweiten Leitschaufeln 112, da bei den dritten Leitschaufeln 113 eine geringere Druckdifferenz zwischen dem dritten Druck p3, welcher vor den dritten Leitschaufeln 113 anliegt und einem Druck, welcher hinter den dritten Leitschaufeln 113, vorherrscht.
Wenn das dritte Ventil 123 mit seinem Ventilpunkt betrieben wird und ein zusätzlicher Bedarf an frisch zugeführtem Ar- beitsfluid notwendig ist, wird schließlich das vierte Ventil 124 geöffnet, damit ein viertes Arbeitsfluid durch den vier¬ ten Strömungskanal 104 mit einem vierten Massenstrom ΓΓΊ4 und einer vierten Strömungsgeschwindigkeit c4 in Richtung vierte Leitschaufeln 114 strömt. Vor den vierten Leitschaufeln 114 liegt ein vierter Druck p4 des vierten Arbeitsfluids an.
Somit wird eine Düsengruppenregelung bereitgestellt, wodurch das Arbeitsfluid, wie beispielsweise Frischdampf, durch ge¬ trennte Ventile 121-124 jeweils einem zugeordneten Düsenseg¬ ment A-D zugeleitet wird. Mit steigender Leistung der Turbine 400 öffnen sich die Ventile 121-124 in einer vorbestimmten
Reihenfolge. Je mehr Ventile 121-124 geöffnet sind, desto hö¬ her ist der Druck nach dem Leitrad 110 und desto geringer ist folglich die Belastung der einzelnen Leitschaufeln 111-114 in den jeweiligen Segmenten A-D. Dies hat zur Folge, dass dieje- nigen Leitschaufeln 111-114, welche in den Segmenten A-D liegen und erst bei höherer Turbinenleistung zugeschaltet werden, niedriger belastet sind als diejenigen Leitschaufeln 111-114 der zuerst durchströmten Segmente A-D. Die in den vorgenannten Abschnitten genannte Öffnungssequenz kann während des Turbinenbetriebes beim Belasten der Turbi¬ ne 400 wie beschrieben oder beim Entlasten der Turbine 400 in umgekehrter Folge ganz oder teilweise beliebig häufig durch¬ laufen werden.
Erfindungsgemäß können die entsprechenden Leitschaufeln 111- 114 der später durchströmten Segmente A-D schmaler und leichter ausgeführt werden als diejenigen Leitschaufeln 111-114 der zuerst geöffneten Segmente A-D, insbesondere des ersten Segments A.
Fig. 1 zeigt, dass die Wandungen der Strömungskanäle 101-104 die Segmentierung der Leitschaufeln 111-114 definieren. Der Strömungskanal 101 definiert beispielsweise den ersten Sektor A, in dem aufgrund der Ausbildung des ersten Strömungskanals 101 ausschließlich das erste Arbeitsfluid mit den ersten Flu- idparametern und dem ersten Massenstrom ril l beaufschlagt wird. Entsprechend werden die zweiten Leitschaufeln 112 ausschließlich durch das zweite Arbeitsfluid mit dem zweiten Massenstrom ΓΓΊ2 und den zweiten Fluidparametern beaufschlagt. Entsprechend steuert der dritte Strömungskanal 103 und der vierte Strömungskanal 104 die Zuströmung eines dritten Ar- beitsfluids und eines vierten Arbeitsfluids an die dritten Leitschaufeln 113 des dritten Segments C und an die vierten Leitschaufeln 114 des vierten Segments D, respektive.
Ferner zeigt Fig. 1, dass das Leitrad 110 um eine Turbinen- welle 130 angeordnet ist. Die Turbinenwelle 130 weist einen
Mittelpunkt auf, welcher auf einer Drehachse der Turbinenwel¬ le 130 liegt. Die Drehachse der Turbinenwelle 130 bestimmt die Axialrichtung 131 der Turbine 400 bzw. der Turbinenwelle 130.
Fig. 2 zeigt den Schnitt II-II des Leitrads 110. Insbesondere zeigt Fig. 2 mit dem Schnitt II-II einen Ausschnitt des drit¬ ten Segments C, in welchem die dritten Leitschaufeln 113 angeordnet sind. Zur Orientierung ist ebenfalls die Axialrich- tung 131 der Turbinenwelle 130 dargestellt. Das dritte Ar¬ beitsfluid strömt mit einem dritten Massenstrom 1713 und einer dritten Strömungsgeschwindigkeit c3 gegen die Profilnasen der einzelnen dritten Leitschaufeln 113. In Strömungsrichtung vor den dritten Leitschaufeln 113 herrscht ein Druck p3. Zwischen den einzelnen dritten Leitschaufeln 113 bildet sich ein dritter Düsenkanal 213 aus. Das dritte Arbeitsfluid strömt durch den dritten Düsenkanal 213. Das durchströmende dritte Ar¬ beitsfluid wird durch den dritten Strömungskanal 213 in eine vorbestimmte Strömungsrichtung gelenkt. Ferner sind die Pro¬ file der dritten Leitschaufeln derart ausgebildet, dass der dritte Düsenkanal 213 als Düse wirkt, so dass sich der dritte Druck p3 auf ein niedrigeres drittes Druckniveau p3,nach re- duziert und seine dritte Strömungsgeschwindigkeit c3 erhöht, so dass hinter den dritten Leitschaufeln 113 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit c3,nach des dritten Arbeitsfluids vorherrscht . Die Profilformen der dritten Leitschaufeln 113 definieren einen dritten Düsenquerschnitt A3, welcher die Fluidparameter des durchströmenden dritten Arbeitsfluids in vorbestimmter Art und Weise steuern.
Jedes der dritten Leitschaufeln 113 weist gleiche oder unterschiedliche Geometrien auf. Die unterschiedlichen Geometrien können beispielsweise wie in Fig. 2 dargestellt, über eine dritte Profildicke d3, eine dritte Skelettlinie s3 und/oder über eine dritte Länge 13 bestimmt werden.
Fig. 3 zeigt den Schnitt I-I aus Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des ersten Segments A des Leitrads 110, in welchem in Umfangsrichtung die ersten Leitschaufeln 111 angeordnet sind. Stromaufwärts strömt das erste Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom rill gegen die Profilnasen der ersten Leitschaufeln 111. Stromaufwärts liegt ein erster Druck pl an den Profilnasen der ersten Leitschaufeln 111 an. Das erste Arbeitsfluid weist eine erste Strö¬ mungsgeschwindigkeit cl auf. Das erste Arbeitsfluid strömt durch erste Düsenkanäle 211, welche sich zwischen den ersten Leitschaufeln 111 ausbilden. Jeder der ersten Düsenkanäle 211 weist einen ersten Düsenquerschnitt AI auf.
Das erste Arbeitsfluid weist stromabwärts nach Durchströmen der ersten Düsenkanäle 211 einen ersten Druck pl,nach und eine erste Strömungsgeschwindigkeit cl,nach auf. Bei Verwendung des Leitrads 110 in einer Gleichdruckturbine wird im Allge¬ meinen in der Regelstufe der Druck verringert und das erste Arbeitsfluid beschleunigt. Daher sind die Drücke pl und p3 vor den Leitschaufeln 111-114 im Allgemeinen höher als die Drücke pl,nach und p3,nach der Arbeitsfluide nach den Leit¬ schaufeln 111-114. Entsprechend sind die Strömungsgeschwin- digkeiten cl, c3 der Arbeitsfluide vor den Leitschaufeln 111- 114 niedriger als die Strömungsgeschwindigkeiten cl, nach und c3,nach nach den jeweiligen Leitschaufeln 111-114.
Im Vergleich zu Fig. 2 zeigt Fig. 3 die ersten Leitschaufeln 111, welche als erstes bei Start der Turbine 400 mit einem ersten Arbeitsfluid angeströmt werden. Hierbei ist die erste Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck pl und dem ersten Druck pl, nach hinter den ersten Leitschaufeln 111 größer als die Druckdifferenz zwischen dem dritten Druck p3, p3,nach, welcher an den dritten Leitschaufeln 113 vorliegt. Daher ist die Belastung der ersten Leitschaufeln 111 größer als die Belastung der dritten Leitschaufeln 113. Daher sind die ersten Leitschaufeln 111 beispielsweise robuster ausgeführt als die dritten Leitschaufeln 113, wie durch Vergleich der Figuren 2 und 3 dargestellt. Die ersten Leitschaufeln 111 weisen beispielsweise eine erste Profildicke dl auf, welche größer als die dritte Profildicke d3 der dritten Leitschaufeln 113 ist. Ferner weisen die ersten Leitschaufeln 111 beispielsweise eine längere Länge 11 (erste Profilsehne) auf als die dritte Länge 13 (dritte Profilsehne) . Zusätzlich oder alternativ kann die Skelettlinie sl der ersten Leitschaufeln 111 länger ausgebildet sein als die dritte Skelettlinie s3 der dritten Leitschaufeln 113. Die ersten Leitschaufeln 111 sind somit robuster ausgebildet als die dritten Leitschaufeln 113.
Alternativ oder zusätzlich ist die erste Anzahl der ersten Leitschaufeln 111 in dem ersten Segment A geringer als die Anzahl der dritten Leitschaufeln 113 in dem dritten Segment C. Die Segmente A-D können beispielsweise gleich große oder verschiedene Kreissegmente des Leitrads 110 bilden.
Fig. 2 zeigt eine höhere Anzahl an dritten Leitschaufeln 113 in dem dritten Segment C im Vergleich zu der ersten Anzahl der ersten Leitschaufeln 111 in dem ersten Segment A. Dadurch reduziert sich der dritte Düsenquerschnitt A3 des dritten Dü¬ senkanals 213 im Vergleich zu dem ersten Düsenquerschnitt AI des ersten Düsenkanals 211.
Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass die Leitschaufeln 111-114 in den Segmenten A-D entsprechend ihrer Belastung ausgebildet und angepasst sind, so dass die Leitschaufeln 111-114 mit ihren Geometrien und in ihrer Anzahl in den je- weiligen Segmenten A-D an die benötigte Robustheit und einem besseren Wirkungsgrad angepasst werden. Somit wird der Wir¬ kungsgrad der Regelstufe 100 und somit der gesamten Turbine 400 erhöht. Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Turbine 400. Die
Turbine 400 weist die oben beschriebene Regelstufe 100 auf. Die in Fig. 4 gezeigte Regelstufe 100 weist das Leitrad 110 auf, an welchem äußeren Umfang die Leitschaufeln 111-114 angeordnet sind (nicht dargestellt) . Drei Strömungskanäle 101- 103 segmentieren die Leitschaufeln 111-114 in drei Leitschaufelsegmente A-C. In einem zentralen Bereich wird die Turbi¬ nenwelle 130 gelagert.
Wie in Fig. 4 dargestellt, wird das Arbeitsfluid, wie bei- spielsweise Frischdampf, in einer Zuführleitung zugeführt und durch die Strömungskanäle 101-104 zunächst in radialer Richtung zur Turbinenwelle 130 geleitet. Bevor das Arbeitsfluid die Leitschaufeln 111-114 durchströmt, wird das Arbeitsfluid durch die Strömungskanäle 101-104 in axiale Richtung 131 um- gelenkt.
Während des Startvorgangs der Turbine wird zunächst das erste Ventil 121 geöffnet, so dass das erste Arbeitsfluid durch den ersten Strömungskanal 101 die ersten Leitschaufeln 111 des ersten Segments A durchströmt. Wenn das erste Ventil 121 voll geöffnet ist und der Ventilpunkt am ersten Ventil 121 einge¬ stellt ist, öffnet sich je nach Bedarf das zweite Ventil 122. Ein zweites Arbeitsfluid strömt entlang des zweiten Strö- mungskanals 102 zu den zweiten Leitschaufeln 112 des zweiten Sektors B. Wenn schließlich auch das zweite Ventil 122 voll geöffnet ist und sich der Ventilpunkt eingestellt hat, öffnet sich das dritte Ventil 123, so dass durch den dritten Strö- mungskanal 103 ein drittes Arbeitsfluid die dritten Leit¬ schaufeln 113 des dritten Segments C durchströmt. Wenn schließlich auch das dritte Strömungsventil 123 voll geöffnet ist, läuft die Turbine 400 unter Volllast. Eine Regelstufe 100 gemäß der vorliegenden Erfindung kann 3, 4, 5 oder eine weitere Vielzahl an Düsengruppen aufweisen, welche jeweils ein Segment A-D, einen Strömungskanal 101-104 und ein Ventil 121-124 aufweisen.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine an- deren Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder
"ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewie¬ sen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden kön¬ nen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Regelstufe (100) für eine Turbine, die Regelstufe (100) aufweisend
ein Leitrad (110) mit ersten Leitschaufeln (111) und zweiten Leitschaufeln (112),
einen ersten Strömungskanal (101), und
einen zweiten Strömungskanal (102),
wobei der erste Strömungskanal (101) derart eingerichtet ist, dass ein durch den ersten Strömungskanal (101) strömendes erstes Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom (rill) die ersten Leitschaufeln (111) beaufschlagt,
wobei der zweite Strömungskanal (102) derart eingerich- tet ist, dass ein durch den zweiten Strömungskanal (102) strömendes zweites Arbeitsfluid mit zweiten Fluidparametern und einem zweiten Massenstrom (ril2) die zweiten Leitschaufeln (112) beaufschlagt, und
wobei eine erste Anzahl der ersten Leitschaufeln (111) und/oder eine erste Geometrie der ersten Leitschaufeln (111) sich von einer zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln (112) und/oder einer zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln (112) unterscheiden.
2. Regelstufe (100) gemäß Anspruch 1,
wobei die erste Geometrie eine erste Profildicke und die zweite Geometrie eine zweite Profildicke aufweisen,
wobei sich die erste Profildicke von der zweiten Profil¬ dicke unterscheidet.
3. Regelstufe (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die erste Geometrie eine erste Profillänge (sl) und die zweite Geometrie eine zweite Profillänge (s2) aufwei¬ sen,
wobei sich die erste Profillänge (sl) von der zweiten
Profillänge (s2) unterscheidet.
4. Regelstufe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Geometrie eine erste Profilwölbung und die zweite Geometrie eine zweite Profilwölbung aufweisen, wobei sich die erste Profilwölbung von der zweiten Profilwölbung unterscheidet.
5. Regelstufe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei zwischen zwei benachbarten ersten Leitschaufeln
(111) ein erster Düsenkanal (211) mit einem ersten Düsenquerschnitt (AI) ausgebildet ist,
wobei zwischen zwei benachbarten zweiten Leitschaufeln
(112) ein zweiter Düsenkanal mit einem zweiten Düsenquerschnitt ausgebildet ist, und
wobei sich der erste Düsenquerschnitt (AI) vom zweiten Düsenquerschnitt unterscheidet.
6. Regelstufe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, fer¬ ner aufweisend
ein erstes Ventil (121), und
ein zweites Ventil (122),
wobei das erste Ventil (121) eingerichtet ist, in dem ersten Strömungskanal (101) die ersten Fluidparameter
und/oder den ersten Massenstrom (rill) des Arbeitsfluids einzustellen, und
wobei das zweite Ventil (122) eingerichtet ist, in dem zweiten Strömungskanal (102) die zweiten Fluidparameter und/oder den zweiten Massenstrom (ril2) des Arbeitsfluids einzustellen .
7. Regelstufe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei das Leitrad (110) weitere Leitschaufeln (113, 114) aufweist, und
wobei die Regelstufe (100) ferner einen weiteren Strömungskanal (103, 104) aufweist,
wobei der weitere Strömungskanal (103, 104) derart ein- gerichtet ist, dass ein durch den weiteren Strömungskanal
(103, 104) strömendes weiteres Arbeitsfluid mit weiteren Flu- idparametern und einem weiteren Massenstrom (1713, 1714) die weiteren Leitschaufeln (113, 114) beaufschlagt, wobei eine weitere Anzahl der weiteren Leitschaufeln (113, 114) sich zumindest von der ersten Anzahl der ersten Leitschaufeln (111) und/oder der zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln (112) unterscheiden, und/oder
wobei eine weitere Geometrie der weiteren Leitschaufeln
(113, 114) sich zumindest von der ersten Geometrie der ersten Leitschaufeln ( 111 ) und/oder der zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln (112) unterscheidet.
8. Turbine, die Turbine aufweisend,
eine Regelstufe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, und
ein Laufrad,
wobei das Laufrad entlang einer Strömungsrichtung der Turbine hinter der Regelstufe (100) angeordnet ist, und
wobei die Regelstufe (100) ausgebildet ist, dass erste Arbeitsfluid und/oder das zweite Arbeitsfluid derart zu steu¬ ern, dass das erste Arbeitsfluid und/oder das zweite Ar¬ beitsfluid das Laufrad in einem vorbestimmten Bereich in ei- nem vorbestimmten Anströmwinkel anströmt.
9. Verfahren zum Betreiben einer Regelstufe (100) für eine Turbine, insbesondere für eine Gleichdruckturbine,
wobei die Regelstufe (100) ein Leitrad (110) mit ersten Leitschaufeln (111) und zweiten Leitschaufeln (112) aufweist und ferner einen ersten Strömungskanal (101) und einen zweiten Strömungskanal (102) aufweist,
wobei eine erste Anzahl der ersten Leitschaufeln (111) und/oder eine erste Geometrie der ersten Leitschaufeln (111) sich von einer zweiten Anzahl der zweiten Leitschaufeln (112) und/oder einer zweiten Geometrie der zweiten Leitschaufeln (112) unterscheiden,
das Verfahren aufweisend
Beaufschlagen der ersten Leitschaufeln (111) mit einem durch den ersten Strömungskanal (101) strömenden ersten Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom ( ril l ) , und Beaufschlagen der zweiten Leitschaufeln (112) mit einem durch den zweiten Strömungskanal (102) strömenden zweiten Ar- beitsfluid mit zweiten Fluidparametern und einem zweiten Massenstrom (1712) .
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