Dampfturbine für Teillastbetrieb

Abstract

 Bei Dampfturbinen, die mit Teillastbetrieb mit Düsengruppen­regelung (3) betrieben werden, wird in Strömungsrichtung dem Regelrad (2) ein Drallgitter (4) nachgeschaltet. Die aus dem Regelrad (2) austretenden Teilströme werden im Drallgitter (4) mit einem deutlichen Drall versetzt und in den Ueberströmkanal (9) entlassen. Am Ende desselben befindet sich die vollbeauf­schlagte Reaktionsbeschaufelung (7, 8) der Turbine, wobei die Strömung direkt eine erste Laufschaufelreihe (7) beauf­schlagt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine, die im Teillastbereich mit Düsengruppenregelung betrieben wird.

STAND DER TECHNIK

[0002] Bei Teilbeaufschlagung werden im Dampfturbinenbau Regelräder mit separat öffnenden Düsengruppen verwendet, weil der damit erzielbare Wirkungsgrad über den wesentlichen Leistungsbereich betrachtet besser ist als bei anderen Systemen, wobei das Regelrad bewirkt, dass Arbeit aus dem Dampf entzogen wird, dergestalt, dass die Leistungsregelung an sich optimal wirkt. Um bei den nachfolgenden Stufen Vollbeaufschlagung zu erreichen wird ein Ausgleichsraum vorgesehen, der den Uebergang von Teilbeaufschlagung auf Vollbeaufschlagung ermöglicht.

[0003] Bei Dampfturbinen der kleinen Leistungsklasse, welche durch eine kleine Dampfmenge und durch einen kleinen Rotordurch­messer charakterisiert sind, wird der Durchmesser des Regel­rades grösser als der Durchmesser der nachfolgenden Stufen ausgeführt. Hierdurch gewinnt man zwischen der Austrittsebene des teilbeaufschlagten Regelrades und der Eintrittsebene der ersten vollbeaufschlagten Stufe soviel Raum, dass sich die Strömung nach dem Regelrad bis zum Eintritt in den folgenden Turbinenteil weitgehend gleichmässig über den ganzen Querschnitt des Strömungskanals verteilen kann, so dass die Verluste infolge Strömungsinhomogenitäten in den vollbeaufschlagten Stufen klein bleiben.

[0004] Indessen, bei Dampfturbinen für grössere Leistungen, welche durch grosse Dampfmengen und grossen Rotordurchmesser charak­terisiert sind, ist es konstruktiv nicht möglich, ein vorge­sehenes Regelrad gegenüber dem nachfolgenden vollbeaufschlagten Teil viel grösser auszuführen. Damit bleibt der Raum zwischen teilbeaufschlagtem Regelrad und nachfolgendem vollbeaufschlag­tem Turbinenteil zur Vergleichmässigung der Strömung über den ganzen Umfang des Strömungskanals kleiner und Strömungsin­homogenitäten bleiben erhalten. Ein zu kleiner Radraum führt denn auch im Teillastbetrieb zu erheblichen Verlusten. Im Extremfall könnte das Regelrad mit dem gleichen Durchmesser wie die Beschaufelung der folgenden Turbinenstufe ausgeführt werden; jedoch würde dann eine besondere Ausgleichsstrecke erforderlich, z.B. in Form eines sehr grossen Axialabstandes oder einer Strömungsumkehr, was eine Verlängerung und/oder Verschlechterung der Turbine bedeutet. Nachteilig ist bei Strömungsinhomogenitäten auch, dass hierdurch die Schaufeln der dem Regelrad nachfolgenden Stufen zu schädlichen Schwingun­gen angeregt werden können.

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0005] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei im Teillast betriebenen Dampfturbinen der eingangs genannten Art eine Vergleichmässigung der Strömung beim Uebergang von Teilbeaufschlagung in der Regelstufe auf die Vollbeaufschla­gung der restlichen Stufen zu bewerkstelligen.

[0006] Die Aufgabe wird primär dadurch gelöst, dass hinter dem Regelrad ein Drallgitter eingebaut wird, wobei gleichzeitig die erste Leitschaufelreihe der folgenden Beschaufelung der Turbine weggelassen wird.

[0007] Die Wirkungsweise ist so, dass das Drallgitter den aus dem Regelrad austretenden Massenstrom mit einem deutlichen Drall versieht, bevor er in den Ueberströmkanal entlassen wird. Durch den Drall erzeugt man bei Teilbeaufschlagung einen zu­sätzlichen Druckgradienten in Umfangsrichtung, der eine tangen­tiale Ausgleichsströmung schafft. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Lösung gleich gut angewendet werden kann, selbst wenn kein Durch­messerunterschied zwischen Regelrad und nachfolgender Beschau­felung besteht: Der Platzbedarf ist nicht grösser als in existie­renden Regelradmaschinen, womit sich die Lösung ausgezeichnet zur Nachrüstung existierender Anlagen eignet.

[0008] Eine mögliche Variante geht dahin, dass die konventionelle, erste Leitschaufelreihe an die vom Drallgitter kommende Strömung angepasst wird, dergestalt, dass in dieser Leitreihe eine geringere Umlenkung auftritt.

[0009] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungs­gemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Insbesondere wird dort der Einbau von Strömungs­führungsteilen zwischen Drallgitter und nachfolgender Beschau­felung der Turbine beansprucht.

[0010] Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente werden in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0011] Die Erfindung ist gleichermassen für Turbinen der Reaktions­wie der Aktions-Bauweise anwendbar, weshalb die Ausführungs­beispiele für den einen oder anderen Typ zu verstehen sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0012] Es zeigt:

Fig. 1 eine Grundausführung mit eingebautem Drallgitter, wobei die erste Reaktionsleitschaufelreihe bereits entfernt ist,

Fig. 2 eine weitere Ausführung, jedoch mit zusätzlichem Wirbel­raum,

Fig. 3 eine weitere Ausführung mit zusätzlichem Wirbelraum und radialem Leitgitter zur Drallkorrektur,

Fig. 4 eine weitere Ausführung mit zusätzlichen Vorkehrungen zur Strömungsführung und einem Drallkorrekturgitter,

Fig. 5 eine weitere Ausführung mit mehreren teilbeaufschlagten Stufen vor dem Drallgitter,

Fig. 6 eine weitere Ausführung mit "Curtis-Stufe" vor dem Drallgitter,

Fig. 7 eine weitere Ausführung, ohne Durchmesserunterschiede zwischen Regelrad und Aktionsbeschaufelung der Turbine und

Fig. 8 ein Drallgitter, dessen Beaufschlagungsbogen an den Beaufschlagungsbogen der vorangehenden Regelstufe angepasst ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0013] In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Dampfturbine ersichtlich, und zwar zeigt sie den Bereich zwischen Düse 3 / Regelrad 2 und den ersten Schaufelreihen 7, 8 der Turbine. Beim vorliegenden Regelteil ist der Durchmesser des Regelrades 2 grösser als der Durchmesser der Nabe 1 und der ersten Laufschaufelreihe 7.

[0014] Der Durchmesserunterschied muss dabei so gehalten werden, dass bei einer vom Bauaufwand her vertretbaren Länge des Ueber­strömkanals 9 zwischen Regelstufe und Reaktionsstufe das Kanal­volumen zur vollständigen Homogenisierung der Strömung über den ganzen Kanalumfang ausreicht. In Strömungsrichtung ist nach dem Regelrad 2 eine Scheibe 5 vorgesehen, in welcher ein Drallgitter 4, das die kontrollierte Drallabströmung er­möglicht, eingebaut ist. Die Scheibe 5 ist im Stator 10 fixiert, und sie reicht in ihrer Radialebene bis zum Aussendurchmesser der Nabe 1. Dort sind Dichtungen 6 vorgesehen, welche eine Leckströmung zwischen dem Regelrad 2 und der Scheibe 5, mini­mieren. Von der Wirkungsweise her betrachtet ist zu sagen, dass das Drallgitter 4 die aus dem Regelrad 2 austretenden Teilströme mit deutlichem Drall versieht und danach in den Ueberströmkanal 9 entlässt. Hier geschieht auch die Vergleich­mässigung der Strömung. Durch den so bewirkten Strömungsaus­gleich werden die dynamischen Anregungskräfte auf die folgenden Schaufeln, insbesondere auf die erste Laufschaufelreihe 7, minimiert. Es ist vorteilhaft, wenn die erste Leitschaufelreihe, wie in Fig. 1 gezeigt ist, weggelassen wird, da die Auslegung des Drallgitters 4 und die zusätzliche Drallerhöhung durch die Strömungsführung im vorgegebenen Ueberströmkanal 9 vor­zugsweise so geschieht, dass eine günstige Zuströmung zur ersten Laufreihe erreicht wird. Durch den Einbau vorliegenden Drallgitters 4 wird der Platzbedarf nicht grösser als in exi­stierenden Regelradmaschinen, wodurch sich die Lösung aus­gezeichnet zur Nachrüstung existierender Anlagen eignet.

[0015] Fig. 2 unterscheidet sich zu Fig. 1 lediglich in der Ausbildung des Ueberströmkanals 9. Während in Fig. 1 der Ueberströmkanal 9 eine direkte Linienführung zu den Schaufelreihen beschreibt, weist der Ueberströmkanal gemäss Fig. 2 einen zusätzlichen Wirbelraum 11 auf, der sich unmittelbar nach dem Drallgitter 4 in den Stator 10 buchtförmig ausweitet. Dieser Wirbelraum 11 ist ein zusätzlicher Ausgleichsraum, in welchem die Strömung in Richtung Laufschaufeln 7 umgelenkt wird.

[0016] Fig. 3 weist gegenüber Fig. 2 eine zusätzliche Massnahme auf, welche wiederum den erwähnten Zweck verfolgt, die Laufschau­feln 7 mit einer optimierten Strömung zu beaufschlagen. Unmit­telbar nach dem Wirbelraum 11 wird ein radiales Leitgitter 12 vorgesehen, das eine allfällige Drallkorrektur der Strömung ermöglicht. Dieses Leitgitter 12 ist zwischen Stator 10 und Scheibe 5 montiert.

[0017] Fig. 4 zeigt eine weitere Variante zur Optimierung der Drall­wirkung ab Ausgang des Drallgitters 4. Da sind einmal die Strömungsführungen 13 und 14, welche die Strömung im Ueber­strömkanal 9 auch platzmässig kanalisieren. Eine erste Führung 13 zwingt die Strömung ab Drallgitter 4 sofort den Ueberström­kanal 9 zu durchströmen. Eine weitere Führung 14 verläuft ebenfalls ab Drallgitter 4 in Strömungsrichtung parallel zur Wand des Ueberströmkanals 9. Endseitig ist die Strömungsführung 14 auslaufend im Sinne einer Uebergangshilfe für die Richtungs­änderung der Strömung ausgebildet. Ein Drallkorrekturgitter 15 kann unmittelbar vor der ersten Laufschaufelreihe 7 vorgesehen werden.

[0018] Die in Fig. 5 ersichtliche Lösung entspricht derjenigen aus Fig. 1 mit dem Unterschied, dass nunmehr zwei oder mehrere teilbeaufschlagte Stufen 16 vor dem Drallgitter 4 wirken. Zwischen den teilbeaufschlagten Laufrädern 16 ist jeweils ein teilbeaufschlagtes Leitgitter 17 vorgesehen. Eine solche Lösung eignet sich vorzüglich für Beaufschlagungen mit sehr kleinen Eintrittsvolumenströmen, womit Teilbeaufschlagung über mehrere Stufen geschaffen werden kann, mit anschliessendem Ausgleich über den ganzen Umfang.

[0019] In diesem Zusammenhang muss auch die Ausführung gemäss Fig. 6 angesehen werden. Unterschiedlich zu der vorangegangenen Figur ist lediglich die stromaufwärts des Drallgitters 4 gewählte Schaltung: Hier handelt es sich um eine "Curtis-Stufe" 18, 19. Ueber die technische Umschreibung der "Curtis-Stufe" 18, 19 wird unter anderem auf A. Stodola, Dampf- und Gasturbinen, 5. Auflage, Berlin 1922, S. 496 ff. und W. Traupel, Thermische Turbomaschinen, Bd. 1, 3. Auflage, Berlin 1977, S. 152 ff., verwiesen.

[0020] Fig. 7 zeigt eine andere Bauart, bei welcher die verwendeten Aktionsräder 20, 21, 22 der Turbine keinen Durchmesserunter­schied gegenüber der stromaufwärts gelegenen Regelungsstufe 2, 3 aufweisen. Der Zwischenraum 23 ist so dimensioniert, dass die vom Drallgitter 4 erzeugte Drallströmung bis zur Beaufschlagung der vollbeaufschlagten Aktionsreihe 20, 21, 22 nicht unzulässig reduziert wird.

[0021] Fig. 8 zeigt die Scheibe 5 und das Drallgitter 4 in einer Axialansicht. Das aktiv wirkende Drallgitter 4 ist auf eine Beaufschlagungsbogenzone 24 reduziert, womit diese in Ueberein­stimmung mit dem Düsengitter der Regelstufe wirkt. Der übrige Umfang ist glatt und dient als zusätzlicher Ventilationsschutz. Das Winkelmass des Beaufschlagungsbogens 24 ergibt sich aus dem Beaufschlagungsbogen des Düsengitters 4. Diese Ausführung ist für kleine Massenströme vorgesehen, bei denen nicht der gesamte Umfang der Scheibe 5 benötigt wird.

Ansprüche

1. Dampfturbine, die im Teillastbereich mit Düsengruppenregelung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regelrad (2) in Strömungsrichtung ein Drallgitter (4) nachgeschaltet ist, wobei die Reaktionsbeschaufelung der Turbine mit einer Laufschaufelreihe (7) beginnt.

2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ueberströmkanal (9), zwischen Drallgitter (4) und Lauf­schaufelreihe (7) ein Wirbelraum (11) vorgesehen ist.

3. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ueberströmkanal (9) Strömungshilfen (12, 13, 14, 15) zur Konservierung des vom Drallgitter (4) erzeugten Dralls vorgesehen sind.

4. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drallgitter (4) eine "Curtis-Stufe" (18, 19) vorge­schaltet ist.

5. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelstufe mit Drallgitter (4) eine Aktionsbeschaufelung (20, 21, 22) nachgeschaltet ist.

Zeichnung