Dampfturbine mit Strömungsführungen

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine (1) mit Strömungsführungen. Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, Strömungsführungen in einer Dampfturbine kostengünstiger zu gestalten und dennoch keinen Verlust in der Lebensdauer dieser Bauteile hinnehmen zu müssen. Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Dampfturbine mit Dampfturbine (1) vor, bei welcher mindestens eine Strömungsführung (2a, 2b) im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoff besteht. Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Dampfturbine (1) mit Strömungsführung (2a, 2b) ist die geringere Dichte des Faserverbundwerkstoffs, wodurch die Gesamtstruktur entlastet wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit Strörnungsführungen. Unter Strömungsführungen im Sinn der Erfindung sind sämtliche Formstücke zu verstehen, welche die Richtung einer Strömung beeinflussen, beispielsweise die Strömung umleiten bzw. den Geschwindigkeitsvektor der Strömung verändern. Strömungsführungen können hierbei sowohl die Richtung der Strömung bzw. diejenige des lokalen Geschwindigkeitsvektors verändern als auch die Strömungsgeschwindigkeit, wie dies beispielsweise bei einer Düse oder einem Diffusor der Fall ist.

[0002] Während der Wirkungsgrad bzw. die strömungstechnische Optimierung einer Dampfturbinenbeschauflung sich technisch sehr eng an die naturgesetzlich vorgegebenen Grenzen eines maximalen Wirkungsgrades angenähert haben, ist das strömungstechnische Umfeld um den Schaufelkanal herum häufig von vermeidbaren Strömungsverlusten geprägt. Dies ist umso erstaunlicher, da an manchen Stellen bereits das Abrunden einer in die Strömung herein stehenden Kante ausreichend wäre, Einbußen im Wirkungsgrad zu verringern. Während sich die Beschaufelung schon seit Jahrzehnten im engen Fokus der Betrachtung von Strömungstechnikern befindet, wurde dem strömungstechnischen Umfeld außer von der konstruktiven Perspektive aus nur wenig Aufmerksamkeit gewidmet.

[0003] Jüngere Bestrebungen, Strömungsverluste in diesen Bereichen zu minimieren, zeigen jedoch, dass dieses Vorhaben mit einem beträchtlichen konstruktiven und kostenträchtigen Aufwand einhergeht. Beispielsweise befinden sich bisher in der Abströmung der Niederdruckturbine (DIN 4304) kantige Schweißkonstruktionen des Außengehäuses, die im Zusammenwirken mit den sonstigen Elementen der Abströmung einen Strömungsdiffusor ergeben, wobei erhebliche Verluste an den Kanten in Folge von unerwünschten Verwirbelungen entstehen.

[0004] Eine Turbine der erläuterten Bauart ist beispielsweise bereits aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 22 916 A1 bekannt.

[0005] Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, Strömungsführungen in einer Dampfturbine kostengünstiger zu gestalten und dennoch keinen Verlust in der Lebensdauer dieser Bauteile hinnehmen zu müssen.

[0006] Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Dampfturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, wobei sich die Erfindung auch solche Ausführungsformen erfasst, die nicht durch explizite Rückbezüge als Merkmalskombination beansprucht sind.

[0007] Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Dampfturbine mit Strömungsführung besteht darin, dass die Dichte von Faserverbundwerkstoff wesentlich geringer ist als diejenige des bisher benutzten Stahls, wodurch die Gesamtstruktur des Turbinengehäuses entlastet wird. Die erfindungsgemäße Verringerung der Gesamtmasse entlastet die Gesamtstruktur des Türbinengehäuses, so dass die tragenden Komponenten des Gehäuses und der Fundamente sowie auch die im Maschinenhaus vorgesehenen Hebezeuge schwächer dimensioniert werden können. Daneben lassen sich mit bedeutend weniger Aufwand aus dem Faserverbundwerkstoff strömungsoptimierte Konturen herstellen, was unmittelbar zu einer Wirkungsgradsteigerung des Turbosatzes führt.

[0008] Insbesondere das Außengehäuse von Dampfturbinen ist bisher von ungünstigen Ecken und Kanten geprägt, so dass eine Anordnung der erfindungsgemäßen Strömungsführungen in dem Außengehäuse zweckmäßig ist. Bevorzugt sollten sämtliche angeströmten Kanten mit erfindungsgemäßen Strömungsführungen versehen werden.

[0009] Dampfturbinen, insbesondere Niederdruckdampfturbinen, welche regelmäßig in einen Kondensator abströmen, weisen im Bereich der Abströmung aus der Beschaufelung in das Außengehäuse bzw. den Kondensator naturgemäß einen Diffusor auf, in dem die Strömung abgebremst wird. Zweckmäßig ist zu diesem Zweck die Strömung mittels einer ersten Strömungsführung geleitet, welche die Abströmung konzentrisch zur Läuferachse umgibt und sich in Strömungsrichtung aufweitet, wobei vorzugsweise eine zur Läuferachse hin konvexe Aufweitung vorgesehen ist. Gleichzeitig wird die Strömung radial nach außen umgelenkt, wobei eine konische zweite Strömungsführung konzentrisch zur Läuferachse und zu der ersten Strömungsführung angeordnet ist. Die zweite Strömungsführung ist hierbei bevorzugt zur Strömung hin konkav ausgebildet und weist im Wesentlichen die Form eines um die Läuferachse rotierten Rotationskörpers eines zum Beschaufelungskanals konkaven Bogens auf. Die erste Strömungsführung wird im Wesentlichen auf dem Innendurchmesser beströmt - vergleichbar mit dem Endstück einer Trompete - und die zweite Strömungsführung wird im Wesentlichen seitlich angeströmt in der Art eines trichterförmigen Dämpfers bzw. Formstücks, das mit seinem sich verjüngenden Ende in das Endstück der Trompete bzw. in die Beschaufelung weist. Die beiden Strömungsführungen bilden gemeinsam den Diffusor. Zumindest eines der beiden Bauteile, vorzugsweise beide bestehen erfindungsgemäß aus Faserverbundwerkstoffen. Die Verwendung des Faserverbundwerkstoffes eröffnet die Möglichkeit, dass insbesondere die zweite Strömungsführung vorteilhaft einen stetigen Krümmungsverlauf aufweist. Diese kann erfindungsgemäß besser als die herkömmliche Schweißkonstruktion vollständig auf eine Minimierung der Strömungsverluste angepasst werden. Hierbei können komplizierte dreidimensionale Gestaltungen gewählt werden, die die Strömung optimal führen.

[0010] Für einen Diffusor im Bereich einer Abströmung aus der Beschaufelung ist es zweckmäßig, wenn dieser vollständig oder zumindest Teilen zur Läuferachse im Wesentlichen konzentrisch angeordnete Bauelemente aufweist. Daneben ist es insbesondere hinsichtlich der Montage sinnvoll, wenn der Diffusor in Umfangsrichtung um die Läuferachse der Dampfturbine in vorzugsweise zumindest teilweise identische Segmente unterteilt ist. Auf diese Weise ermöglicht eine Kleinserienfertigung die Erschließung weiterer Kostenreduktionspotentiale. Bei einer hinreichenden Anzahl an Segmenten, beispielsweise bei 6 oder 8 Segmenten über den Umfang, kann eine automatisierte Fertigung mittels eines Autoklaven kostengünstig realisiert werden. Auch eine Segmentierung in zwei Halbschalen führt zu einer verhältnismäßig einfachen Handhabung des erfindungsgemäß in Leichtbauweise ausgebildeten Diffusors. Selbst ein einstückiges Komplettteil stellt eine bedeutende Erleichterung gegenüber dem Stand der Technik dar.

[0011] Besonders gute Ergebnisse, insbesondere hinsichtlich der Erosionsanfälligkeit, können bei Verwendung von Glasfaser-verstärktem, Kohlenstofffaser-verstärktem oder Aramidfaser-verstärktem Kunststoff erzielt werden. Eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guten Verarbeitungseigenschaften kann erzielt werden, wenn der Faserverbundwerkstoff als Matrixwerkstoff Epoxidharz oder Phenolharz oder Bismaleimid oder Cyanatharz aufweist.

[0012] In der Folge ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen ohne Einschränkungen auf das Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

jeweils einen Längsschnitt durch eine Niederdruckteilturbine mit erfindungsgemäßen Strömungsführungen.

Figur 2

ein schematische Darstellung der Umfangssegmentierung einer Strömungsführung nach der Erfindung.

[0013] In den Figuren 1 und 2 ist jeweils eine Niederdruckteilturbine dargestellt, wobei auf der linken Seite der Darstellung die Abströmung in herkömmlicher Weise gestaltet ist und auf der rechten Seite die erfindungsgemäßen Strömungsführungen 2a, 2b vorgesehen sind.

[0014] Die im Niederdruck zu betreibende Dampfturbine 1 weist einen beschaufelten Läufer 3 auf, der in zwei Lagerböcken 4 gelagert ist. Der Dampf strömt durch eine Einströmung 5 in die Beschaufelung 6 ein und tritt durch eine Abströmung 7 aus dieser aus. Die gesamte Dampfturbine 1 ist von einem Außengehäuse 8 umgeben, welches gemeinsam mit einem nicht dargestellten Kondensator unterhalb der Dampfturbine 1 ein durchgehendes Bauteil bildet. Die Schweißkonstruktion des Außengehäuses 8 bedingt mehrere Kanten 9, an welchen die Dampfströmung verlustreiche Wirbel bildet. Um Strömungsverluste in dem Bereich zu minimieren, sind erfindungsgemäße Strömungsführungen 2a, 2b, welche jeweils Bestandteil eines Diffusors 13 sind, im Bereich der auf der rechten Seite befindlichen Abströmung 7 dargestellt.

[0015] An der Abströmung 7 befindet sich eine erste Strömungsführung 2a. Die erste Strömungsführung 2a ist in Bezug auf die Läuferachse 10 im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und unterstützt die Umlenkung der Strömung nach radial außen. Sie ist erfindungsgemäß aus Faserverbundwerkstoff hergestellt und im Außengehäuse 8 angebracht.

[0016] Die erste Strömungsführung 2a weist im Wesentlichen die Form eines um die Läuferachse 10 des Läufers 3 rotierten Rotationskörpers auf, wobei er als ein zur Beschaufelung 6 konvexer Bogen 12 ausgebildet ist.

[0017] Die zweite Strömungsführung 2b weist im Wesentlichen die Form eines um die Läuferachse 10 des Läufers 3 rotierten Rotationskörpers auf, wobei er zur Beschaufelung 6 konkav ausgebildet ist. Zu einem idealen Rotationskörper bestehen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Abweichungen in der Art, dass die von dem Zentrum entfernteste Krümmung des Bogens nur im oberen Teil des Außengehäuses 8 vorgesehen ist.

[0018] Eine Variante der erfindungsgemäßen Strömungsführung 2b an dem Außengehäuse 8 ist in Figur 1 gestrichelt dargestellt. Unter Ausnutzung der Flexibilität des Faserverbundwerkstoffs, aus dem die Strömungsführung 2 besteht, kann erfindungsgemäß ein den Läufer 3 umgebender Kompensator 14 mittels eines als flexible Membran ausgebildeten Abschnitts 20 ersetzt werden, wobei die erfindungsgemäße zweite Strömungsführung 2b dann direkt dichtend mit einer zu dem Läufer 3 dichtenden Wellendichtung 15 verbunden wird. Die zweite Strömungsführung 2b ist hierbei zu einem ersten Teil 21 der Gesamterstreckung von dem Außengehäuse 8 gestützt und ein zweiter Teil 22, welcher im Bereich der Wellendichtung 15 liegt, kann sich im Rahmen der eigenen Elastizität bewegen, so dass thermische Relativdehnungen an der Anbindung des Außengehäuses 8 zu der Wellendichtung 15 kompensiert werden.

[0019] Sowohl die erste als auch die zweite Strömungsführung 2a, 2b bestehen in der in Figur 2 dargestellten Weise aus in Umfangsrichtung aneinander gefügten Segmenten 30.

[0020] Die erfindungsgemäße Lösung kann auch mit Vorteil Anwendung in Verbindung mit einer seitlichen statt mit einer Abströmung in einen unter der Turbine befindlichen Kondensator, wie sie das Ausführungsbeispiel zeigt, finden.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

Dampfturbine

2a

Strömungsführung

2b

Strömungsführung

3

Läufer

4

Lagerbock

5

Einströmung

6

Beschaufelung

7

Abströmung

8

Außengehäuse

9

Kante

10

Läuferachse

13

Diffusor

12

Bogen

14

Kompensator

15

Wellendichtung

20

Abschnitt

21

erster Teil

22

zweiter Teil

Ansprüche

1. Dampfturbine (1) mit Strömungsführungen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strömungsführung (2a, 2b) im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoff besteht.

2. Dampfturbine (1) nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung (2a, 2b) sich im Inneren eines Außengehäuses (8) der Dampfturbine (1) befindet.

3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungen (2a, 2b) in Umfangsrichtung um die Läuferachse (10) der Dampfturbine (1) in Segmente unterteilt ausgebildet ist.

4. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich einer Abströmung (7) aus einer Beschaufelung (6) ein Diffusor (13) als Strömungsführung (2a, 2b) vorgesehen ist, der im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoff besteht.

5. Dampfturbine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) in Umfangsrichtung um die Läuferachse der Dampfturbine (1) in Segmente unterteilt ausgebildet ist.

6. Dampfturbine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) in Umfangsrichtung um die Drehachse der Turbine in zwei Halbschalen ausgebildet ist.

7. Dampfturbine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) einstückig ausgebildet ist.

8. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) eine erste Strömungsführung (2a) aus Faserverbundwerkstoff umfasst, die im Bereich einer Abströmung (7) aus einer Beschaufelung (6) der Turbine angeordnet ist und im Wesentlichen einen Ring umfasst, der die Abströmung (7) sich in Strömungsrichtung konvex aufweitend umgibt.

9. Dampfturbine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) eine zweite Strömungsführung (2b) aus Faserverbundwerkstoff umfasst, die im Wesentlichen die Form eines um die Läuferachse (10) rotierten Rotationskörpers eines zur Beschaufelung (6) konkaven Bogens (12) aufweist, wobei die zweite Strömungsführung (2b) derart angeordnet ist, dass die Strömung von der konkaven Fläche nach radial außen umgeleitet wird.

10. Dampfturbine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bogen (12) einen stetigen Krümmungsverlauf aufweist.

11. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff als Glasfaser-verstärkter, Kohlenstofffaser-verstärkter oder Aramidfaser-verstärkter Kunststoff ausgebildet ist.

12. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff als Matrixwerkstoff Epoxidharz oder Phenolharz oder Bismaleimid oder Cyanatharz aufweist.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

1. Dampfturbine (1) mit Strömungsführungen,
wobei mindestens eine Strömungsführung (2a, 2b) im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoff besteht, wobei die Strömungsführung (2a, 2b) sich im Inneren eines Außengehäuses (8) der Dampfturbine (1) befindet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsführungen (2a, 2b) in Umfangsrichtung um die Läuferachse (10) der Dampfturbine (1) in Segmente unterteilt ausgebildet ist.

2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich einer Abströmung (7) aus einer Beschaufelung (6) ein Diffusor (13) als Strömungsführung (2a, 2b) vorgesehen ist, der im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoff besteht.

3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (13) in Umfangsrichtung um die Läuferachse der Dampfturbine (1) in Segmente unterteilt ausgebildet ist.

4. Dampfturbine (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (13) in Umfangsrichtung um die Drehachse der Turbine in zwei Halbschalen ausgebildet ist.

5. Dampfturbine (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (13) einstückig ausgebildet ist.

6. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (13) eine erste Strömungsführung (2a) aus Faserverbundwerkstoff umfasst, die im Bereich einer Abströmung (7) aus einer Beschaufelung (6) der Turbine angeordnet ist und im Wesentlichen einen Ring umfasst, der die Abströmung (7) sich in Strömungsrichtung konvex aufweitend umgibt.

7. Dampfturbine (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (13) eine zweite Strömungsführung (2b) aus Faserverbundwerkstoff umfasst, die im Wesentlichen die Form eines um die Läuferachse (10) rotierten Rotationskörpers eines zur Beschaufelung (6) konkaven Bogens (12) aufweist,
wobei die zweite Strömungsführung (2b) derart angeordnet ist, dass die Strömung von der konkaven Fläche nach radial außen umgeleitet wird.

8. Dampfturbine (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Bogen (12) einen stetigen Krümmungsverlauf aufweist.

9. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverbundwerkstoff als Glasfaser-verstärkter, Kohlenstofffaser-verstärkter oder Aramidfaser-verstärkter Kunststoff ausgebildet ist.

10. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverbundwerkstoff als Matrixwerkstoff Epoxidharz oder Phenolharz oder Bismaleimid oder Cyanatharz aufweist.

Zeichnung