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(11) |
EP 2 128 386 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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02.04.2014 Patentblatt 2014/14 |
(22) |
Anmeldetag: 27.05.2009 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle
der Tropfengröße und zugehörige Dampfturbine
Method for reducing water drop erosion in steam turbines by controlling the drop size
and corresponding steam turbine
Procédé de réduction de l'érosion par impact de gouttes dans des turbines à vapeur
par contrôle de la taille des gouttes et turbine à vapeur associée
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO
PL PT RO SE SI SK TR |
(30) |
Priorität: |
30.05.2008 DE 102008026031
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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02.12.2009 Patentblatt 2009/49 |
(73) |
Patentinhaber: Siemens Aktiengesellschaft |
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80333 München (DE) |
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Erfinder: |
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- Hammer, Thomas
91334 Hemhofen (DE)
- Kishimoto, Tetsuo
91056 Erlangen (DE)
- Sürken, Norbert
45468 Mülheim a.d. Ruhr (DE)
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(56) |
Entgegenhaltungen: :
US-A- 3 859 005 US-A1- 2005 207 880
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US-A1- 2002 174 655
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion
in Dampfturbinen durch Kontrolle der Tropfengröße, bei denen durch Kondensation in
der Dampfströmung Primärtropfen von Wasser entstehen, die sich teilweise an den Leitschaufeln
ablagern und weiterhin an und hinter den Leitschaufeln Sekundärtropfen, die ein erheblich
größeres Volumen als die Primärtropfen haben. Daneben bezieht sich die Erfindung auf
eine Dampfturbine mit einer Hilfseinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0002] Bei Dampfturbinen wird insbesondere im Wasserdampf enthaltene Energie in mechanische
Energie umgewandelt und damit ein elektrischer Generator oder auch eine Arbeitsmaschine
angetrieben. Um die im Dampf gespeicherte Wärme so weit wie möglich für die Umwandlung
in mechanische Energie nutzen zu können, werden Niederdruck-Dampfturbinen so betrieben,
dass die Kondensation des Wasserdampfes bereits in der Turbine einsetzt und so am
Austritt ein stark expandierter Dampf mit typisch 10-16 % Nässe vorliegt. Ein Teil
dieses Kondensats führt zur Bildung eines Wasserfilms auf den Turbinenschaufeln der
Stufen, die stromab der einsetzenden Kondensation liegen. Da die Laufschaufeln und
der ggf. auf ihnen befindliche Wasserfilm rotationsbedingt erheblichen Fliehkräften
ausgesetzt sind, findet eine Wasseransammlung nur auf den Leitschaufeln in signifikantem
Ausmaß statt. Dieser Wasserfilm fließt - getrieben durch die Dampfströmung - an die
Hinterkanten der Leitschaufeln und reißt dort in Form von Tropfen ab, die wesentlich
größer sind als die primär durch Kondensation im Dampfvolumen gebildeten Primärtropfen.
Weil diese Sekundärtropfen eine im Vergleich zu den Primärtropfen hohe Masse haben,
können sie wegen ihrer Massenträgheit der Dampfströmung nur bedingt folgen und prallen
deshalb mit hohen Relativgeschwindigkeiten auf die stromab der Leitschaufel rotierenden
Laufschaufeln. Dabei richten sie teilweise hohe Schäden durch Tropfenschlagerosion
an.
[0003] Um letztere Schäden zu begrenzen, wurden bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen,
die die auf den Leitschaufeln angesammelten Wassermengen reduzieren sollen. Diese
Maßnahmen kann man in drei Kategorieneinteilen:
- 1.: Maßnahmen zur Reduzierung der auf den Leitschaufeln angesammelten Wassermengen;
- 2.: Maßnahmen zur Reduzierung der Abscheidung von Wasser auf den Leitschaufeln;
- 3.: Maßnahmen zur Reduzierung der Sekundärtropfengröße.
[0004] In die erste Kategorie fallen sowohl Maßnahmen zur Ableitung des Wassers durch kanalartige
Strukturen nach außen (Absaugeschlitze/Absaugebohrungen) als auch Maßnahmen zur Verdampfung
der Wasserfilme durch Beheizung der Leitschaufeln von innen. In die zweite Kategorie
fallen Maßnahmen zur Steuerung der Kondensation im Dampfvolumen, die zur Ausbildung
einer höheren Zahl kleinerer Tropfen führen, die der Strömung besser folgen können
und sich deshalb nicht so schnell auf den Leitschaufeln ablagern. In die dritte Kategorie
fallen sowohl Maßnahmen, die die Oberflächeneigenschaften von Leitschaufeln modifizieren
als auch Maßnahmen, die durch gezielte Dampfausblasung im Bereich der Leitschaufelhinterkante
eine Tropfenzerstäubung befördern.
[0005] Maßnahmen der ersten Kategorie sind nur begrenzt erfolgreich, weil Strukturen, die
zur nahezu vollständigen Ableitung des Wassers von der Leitschaufel führen, sowohl
die Strömung in der Dampfturbine nachhaltig beeinflussen als auch die verfügbare Menge
an Arbeitsfluid reduzieren und damit den Wirkungsgrad reduzieren.
[0006] Maßnahmen zur Steuerung der Kondensation im Volumen können eine Hauptquelle der Bildung
von Wasserfilmen auf Leitschaufeln beeinflussen, nämlich die Volumenkondensation.
Ein Teil der so gebildeten feinsten Tröpfchen kann sich trotzdem noch auf den Leitschaufeln
ansammeln. Die Oberflächenkondensation als zweite Quelle des Wassers auf den Turbinenschaufeln
lässt sich durch eine Maßnahme der zweiten Kategorie nicht unterbinden. Außerdem beruht
ein Teil der bisher vorgeschlagenen Maßnahmen zur Steuerung der Volumenkondensation
auf dem Zusatz Ionen bildender Substanzen, die die chemische Korrosion fördern können
und deshalb nicht wünschenswert erscheinen.
[0007] Die Beheizung der Leitschaufeln erfordert neben dem Einsatz geringer Mengen von höher
energetischem Heizdampf einen erhöhten apparativen Aufwand, der die Kosten des Produktes
Dampfturbine trotz erwiesener hoher Wirksamkeit signifikant erhöhen kann.
[0008] Bislang vorgeschlagene Maßnahmen zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften von
Leitbeschauflungen haben insbesondere Einschränkungen durch die geringe Beständigkeit
z. B. von wasserabweisenden Beschichtungen. Die Dampfausblasung an der Leitschaufelhinterkante
führt wie die Maßnahmen der ersten Kategorie zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades
über die Verwendung höherenergetischen Dampfes, welcher der Arbeitsumsetzung nicht
mehr zur Verfügung steht.
[0009] Ferner sei auf die
US 2005/0207880 A1 verwiesen, die eine Verringerung der Tropfenreaktion durch Anlegen von elektrostatische
Dipolkräfte zu erzielen versucht. Die
US 3859005 beschreibt das Anlegen eines elektrischen Feldes an die Oberfläche von Turbinengehäusen
und die
US 2002/0174655 A1 beschreibt die Verwendung von Elektroden im Abgasbereich der Turbine
[0010] Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dem der schädigende Einfluss der Sekundärtropfen in Dampfturbinen reduziert werden
kann. Dazu soll eine zugehörige Dampfturbine geschaffen werden.
[0011] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst.
Eine zugehörige Dampfturbine ist Gegenstand des Patentanspruches 11. Weiterbildungen
des Verfahrens und der Dampfturbine sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0012] Mit der Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die die Größe der Sekundärtropfen
entweder beim Tropfenabriss an der Hinterkante der Leitschaufeln stark reduzieren
oder zumindest zu einer beschleunigten Zerstörung großer Sekundärtropfen führen, bevor
sie die nächste Reihe von Turbinenschaufeln erreichen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass an den Leitschaufeln elektrische Felder erzeugt werden, die aufgrund
der elektrostatischen Kräfte zum vorzeitigen Abriss der Wassertropfen und damit zu
reduzierten Sekundärtropfengrößen führen. Da die elektrischen Felder auch Dipolkräfte
auf die Tropfen im Volumen ausüben, die mit zunehmendem Tropfendurchmesser anwachsen,
können bei geeigneten elektrischen Feldern auch Sekundärtropfen im Dampfvolumen zerkleinert
werden.
[0013] Bei der Erfindung werden die elektrischen Felder dadurch erzeugt, dass an geeigneten
Elektrodenstrukturen in der Dampfturbine elektrische Spannungen angelegt werden. Im
einfachsten Fall werden die Elektroden durch die Turbinenschaufeln selbst gebildet,
indem Lauf- und Leitschaufeln auf unterschiedliches elektrisches Potential gelegt
werden. Dabei ist eine besonders einfache Realisierung möglich, wenn der komplette
Läufer isoliert aufgehängt und mit Hochspannung beaufschlagt wird, während die Leitschaufeln
und das Turbinengehäuse geerdet sind. Umgekehrt kann auch der Läufer geerdet sein,
während die Leitschaufeln isoliert eingesetzt und mit Hochspannung beaufschlagt werden.
Diese Variante ist zwar aus Gründen der Betriebssicherheit aufwendiger, da das Turbinengehäuse
geerdet sein sollte, erlaubt dafür aber die Steuerung einzelner Stufen der Dampfturbine
mit unterschiedlichen Spannungen, die dem jeweiligen Druck angepasst sein können.
[0014] Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen zeichnen sich durch niedrigen Energieverbrauch
aus, weil für die Erzeugung der elektrischen Felder kaum elektrische Leistung bereitgestellt
werden muss. Ein nennenswerter elektrischer Strom, der zur Dissipation elektrischer
Energie führen würde, fließt unter den in Dampfturbinen herrschenden Bedingungen -
nämlich extrem reiner Dampf zur Vermeidung von Korrosion - nicht. Der Energiebedarf
lässt sich grob abschätzen durch die Differenz der Oberflächenenergien, die sich bei
der Zerkleinerung grober zu feineren Tröpfchen ergibt.
[0015] Die Tropfengröße lässt sich erfindungsgemäß durch die Amplitude des elektrischen
Feldes, d.h. bei gegebener Elektrodengeometrie durch die verwendeten elektrischen
Spannungen, steuern. Die Kraft, die zur Zerstörung der Wassertropfen führt, erfordert
auch keine elektrische Ladung der Tropfen, z. B. durch Ionisation oder Zusatz Ionen
bildender Materialien. Der Grund dafür ist, dass Wasser Dipol-polarisierbar ist, d.h.
durch ein elektrisches Feld wird ein Dipolmoment induziert, auf das das elektrische
Feld wiederum eine Kraft ausübt, die zur Verformung (Elongation) des Tröpfchens führt,
bis es schließlich instabil wird und zerfällt, weil die Oberflächenspannung aufgrund
der starken Krümmung der Oberfläche nicht mehr ausreicht, um den Tropfen zusammenzuhalten.
[0016] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn das elektrische Feld nicht als
stationäres, sondern als Wechselfeld betrieben wird. Durch Einstellung der Frequenz
des elektrischen Wechselfeldes lassen sich resonante Schwingungen der Tropfen anregen,
die zu einer effizienteren Zerkleinerung der Tropfen beim Abriss oder auch im Volumen
führen. Die erforderliche Spannungsamplitude kann dadurch stark gesenkt werden. Die
Möglichkeit, Resonanzeffekte auszunutzen, eröffnet gleich mehrere Wege, Tropfenschlag-Erosion
zu verhindern:
[0017] Zum einen kann eine Spannung fester Frequenz an das Elektrodensystem angelegt werden.
Das führt dazu, dass die Schwingung von Tropfen, sowie sie eine bestimmte Größe erreichen,
in Resonanz mit dem elektrischen Feld kommen. Dadurch kommt es sehr schnell zu einer
extremen Verformung der Tropfen, die zum Zerfall führt. Zum anderen kann die Frequenz
des elektrischen Feldes in einem bestimmten Bereich zyklisch variiert werden. Das
führt dazu, dass ein bestimmtes Größenspektrum von Tropfen zerkleinert wird.
[0018] Für die Bereitstellung der elektrischen Felder lassen sich erfindungsgemäß unterschiedliche
Elektrodenanordnungen und Möglichkeiten nutzen, die Hochspannung einem Teil des Elektrodensystems
zuzuführen:
[0019] Wie bereits angegeben, kann die Hochspannung an die Laufschaufeln angelegt werden,
indem die Achse des Rotors isoliert durch das Außengehäuse der Dampfturbine geführt
wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, dass einerseits der Rotor elektrisch
gegen den Generator isoliert werden muss, anderseits die Hochspannung einem rotierenden
Teil sicher und störungsfrei zugeführt werden muss.
[0020] Die bevorzugte Lösung liegt deshalb darin, den Rotor mit Laufschaufeln zu erden und
stattdessen die Leitschaufeln mit Hochspannung zu beaufschlagen. Da das Gehäuse der
Dampfturbine dabei aus Sicherheitsgründen weitgehend geerdet sein sollte, werden dafür
verschiedene Anordnungen vorgeschlagen.
[0021] In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden einzelne Kränze von Leitschaufeln
isoliert in die Dampfturbine eingesetzt, und jeweils ganze Kränze von Laufschaufeln
werden mit der gewünschten Spannung beaufschlagt. Unterschiedliche Kränze können so
angepasst an den Druck geometrische Parameter etc. mit unterschiedlichen Spannungen
angesteuert werden. Ein neben verbesserter Betriebssicherheit weiterer Vorteil dieser
Ausführungsform gegenüber der Grundidee, alle Leitschaufeln auf ein elektrisches Potential
zu legen, besteht darin, dass die Kapazität der daraus resultierenden elektrischen
Schaltung gegenüber der Grundidee reduziert werden kann. Das reduziert den Aufwand
für die Bereitstellung geeigneter elektrischer Spannungen.
[0022] In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind einzelne Leitschaufeln isoliert
in das Gehäuse der Dampfturbine eingesetzt. Es können insbesondere mehrere Leitschaufeln
parallel mit der gleichen Spannung beaufschlagt werden. Prinzipiell erlaubt diese
Ausführungsform aber auch die Ansteuerung benachbarter Leitschaufeln mit unterschiedlichen
Spannungen. So kann z. B. mit mehrphasiger Spannungsversorgung gearbeitet werden,
was die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen nach außen reduziert. Außerdem ergibt
sich hier eine weitere Reduzierung der elektrischen Kapazität des Aufbaus.
[0023] Schließlich können in weiteren Ausführungsformen der Erfindung bei einer Reihe von
Leitschaufeln Bereiche gegen den Rest der jeweiligen Leitschaufel isoliert und mit
einer elektrischen Durchführung nach außen versehen werden. Auf diese Art lassen sich
z. B. elektrische Isolationsprobleme der Leitschaufeln gegen den Rotor vermeiden,
ohne dass es zu nennenswerten Einbußen in der Wirksamkeit kommt. Ein bevorzugt mit
Hochspannung beaufschlagter Bereich kann zu diesem Zweck im weiter außen liegenden
Bereich der Hinterkante der Leitschaufel liegen.
[0024] Bei der Steuerung der Potentiale ist zu beachten, dass die angelegte Hochspannung
einen kritischen Wert nicht überschreitet, bei dem es zur Ausbildung elektrischer
Gasentladungen kommen würde. Erfindungsgemäß wird deshalb die Amplitude der Spannung
an einer Leitschaufel so gesteuert, dass das so genannte reduzierte elektrische Feld,
das ist der Quotient aus elektrischer Feldstärke und Anzahldichte der Dampfmoleküle,
80 x 10
21 Vm
2 lokal nicht übersteigt.
[0025] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit
den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
- Figur 1
- eine Anordnung zur Beaufschlagung des Rotors einer Dampfturbine mit einer hochfrequenten
Wechselspannung,
- Figur 2
- eine alternative Anordnung zur Beaufschlagung der Leitschaufeln bzw. einer Stufe von
Leitschaufeln mit einer hochfrequenten Wechselspannung,
- Figur 3
- eine Anordnung zur Beaufschlagung der Hinterkante von Leitschaufeln mit einer hochfrequenten
Wechselspannung und
- Figur 4
- den Querschnitt durch eine Turbinenschaufel mit einer Wechselspannungselektrode an
der hinteren Profilkante.
[0026] Gleiche Einheiten haben in den Figuren gleiche oder sich entsprechende Bezugszeichen.
Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
[0027] In den Figuren 1 bis 3 bedeutet 1 eine Dampfturbine, von der jeweils nur ein Teil
dargestellt ist. Im Einzelnen ist jeweils ein Rotor 2 mit Rotationsachse I vorhanden,
auf dem sich einzelne Laufschaufelreihen 3, 3', ... befinden, wobei speziell drei
Laufschaufelreihen 3, 3', 3" angedeutet sind. Korrespondierend dazu ist ein Statorteil
4 mit zugehörigen Leitschaufeln 5, 5', 5" vorhanden. Es sind auch Anordnungen mit
mehr Schaufelreihen denkbar.
[0028] Über eine Zuleitung 8 erfolgt der Zustrom von Dampf. Der Dampfstrom wird in die Anordnung
aus Statorteil 4 und Rotor 2 mit den Laufschaufeln 3, 3', 3" geleitet, wodurch über
die Umwandlung von Strömungsenergie in mechanische Energie der Rotor in Drehung versetzt
wird. Damit kann ein mechanisch angeschlossener Generator betrieben und elektrische
Leistung erzeugt werden.
[0029] Beim oder nach dem Einbringen des Dampfes in die Anordnung gemäß den Figuren 1 bis
3 kondensiert der Dampf als kleine Tröpfchen. In den Figuren ist beispielhaft eine
Sättigungslinie S (auch: Taulinie) eingezeichnet, nach deren Überschreitung der Dampf
im thermodynamischen Gleichgewicht teils in flüssigem, teils in gasförmigem Aggregatzustand
vorliegt.
[0030] Der Rotor 2 weist eine elektrisch isolierende Durchführung 13 auf und einen anschließenden
Schleifring 14, über den eine Wechselspannungsquelle 15 angeschlossen ist, die eine
Wechselspannung U(t) liefert. Die Leitschaufeln 3, 3', 3" sind in diesem Fall geerdet.
Dadurch ergibt sich zwischen den Laufschaufeln 3, 3', 3" des Rotors 2 und den Leitschaufeln
5, 5', 5'' des Stators 4 jeweils ein elektrisches Wechselfeld.
[0031] In einer Alternative zu Figur 1 sind gemäß Figur 2 die Leitschaufeln 5" gegenüber
dem Stator 2 bzw. Gehäuse elektrisch isoliert und bildet ein separat isoliertes Bauteil
10, das an die Spannungsquelle 15 für die Wechselspannung U(t) angeschlossen ist.
Der Rotor 2 ist in diesem Fall geerdet. Im Ergebnis ergibt sich aber damit die gleiche
Wirkung wie in Figur 1.
[0032] In einer weiteren Abwandlung von Figur 2 werden gemäß Figur 3 nur die Hinterkanten
einer der Leitschaufeln 5, 5', 5" mit der hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt.
Dazu ist auf der Hinterkante eine Isolierschicht 11 und darauf elektrisch isoliert
eine Elektrode 12 aufgebracht, die an die Spannungsquelle 15 für die Wechselspannung
U(t) angeschlossen ist. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die elektrische Verschaltung
weitestgehend der Figur 2. Der Einsatz von Wechselspannungen erfolgt dabei typischerweise
bei Frequenzen von 100 Hz bis 100 kHz. Bevorzugt ist der Bereich zwischen 1 kHz und
10 kHz, weil er besonders effizient zur Zerstörung von Tropfen mit Durchmessern im
Bereich einiger 0,1 mm führt. Die für die Zerstörung der Tropfen erforderliche Zeit
reduziert sich gegenüber Gleichspannung um einen Faktor 10-20, und die Spannungsamplitude
kann um einen Faktor 5 reduziert werden.
[0033] In der Figur 4 ist eine einzelne Leitschaufel einer Turbine mit 50 bezeichnet, die
einen üblichen konvex-konkaven Profilverlauf hat. An der Hinterkante der Leitschaufel
50, die als Abrisskante für flüssiges Wasser wirkt, ist über einen Isolator 51 eine
Elektrode 52 angebracht. An die Elektrode 52 wird die elektrische Spannung aus der
Spannungsquelle 15 entsprechend den Figuren 2 und 3 angelegt. Es wird damit die Anordnung
nach Figur 3 realisiert.
[0034] Bei der beschriebenen Dampfturbine können weitere Mittel zur Verhinderung der Tropfenschlagerosion
und zur Zerstörung von Wassertröpfchen vorhanden sein, wie sie insbesondere als Ultraschallschwinger
in der Parallelanmeldung der Anmelderin und mit gleicher Anmeldepriorität mit der
Bezeichnung "Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung der Tropfenschlagerosion in
einer Dampfturbine und zugehörige Dampfturbine" offenbart sind.
1. Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion in Dampfturbinen durch Kontrolle
der Tropfengröße in der Dampfturbine, in der durch Kondensation in der Dampfströmung
Primärtropfen von Wasser, die sich teilweise an den Leitschaufeln ablagern, und weiterhin
an bzw. hinter den Leitschaufeln Sekundärtropfen von Wasser, die ein erheblich größeres
Volumen als die Primärtropfen haben, entstehen,
mit folgenden Verfahrensschritten:
- In der Umgebung der Leitschaufeln mindestens einer Reihe werden elektrische Felder
erzeugt, wobei die elektrischen Felder durch Anlegen elektrischer Spannungen an gegeigneten
Elektrodenstrukturen in der Dampfturbine erzeugt werden
- wobei diese durch elektrostatische Dipolkräfte zu einer Reduzierung der Sekundärtropfengröße
führen
dadurch gekennzeichnet,
dass als elektrische Felder Wechselfelder verwendet werden
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Sekundärtropfengröße durch Zerstörung von Sekundärtropfen im
Volumen, d.h. nach dem Tropfenabriss von der Leitschaufel erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Sekundärtropfengröße durch einen vorzeitigen, durch elektrische
Dipolkräfte induzierten Tropfenabriss an der Hinterkante der Leitschaufeln erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des elektrischen Wechselfeldes zur Anregung resonanter Schwingungen
der Tropfen bestimmter Größe gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Wechselfeld sowohl unmittelbar auf der Leitschaufeloberfläche als
auch im umliegenden Dampfraum zu einer Zerkleinerung der Tropfen führt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Sekundärtropfengröße in Dampfturbinen durch elektrische Felder
mit weiteren Verfahren zur Reduzierung der Tropfenschlagerosion kombiniert werden.
7. Dampfturbine mit einer Hilfseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6 mit einer Dampfturbine (1), mit Leitschaufeln (3,
3', 3", ...) einerseits und nachfolgenden Laufschaufeln (5, 5', 5", ...)andererseits,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Elektroden enthält, die mittels wenigstens einer Spannungsquelle
(15) auf unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Felder Wechselfelder einsetzbar sind, die durch Verwendung von Wechselspannungsquellen
(15) mit periodisch zeitabhängigen Spannungen (U(t)) erzeugt werden.
8. Dampfturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Turbinenschauf eln (3, 3', 3", ...; 5, 5', 5",) Elektroden gebildet werden,
indem Laufschaufeln (3, 3', 3", ...) und Leitschaufeln (5, 5', 5", ...) auf unterschiedliches
elektrisches Potential gelegt werden.
9. Dampfturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der komplette Läufer mit den Laufschaufeln (3, 3', 3", ...) mittels einer elektrisch
isolierende Durchführung (13) isoliert angeordnet ist und über einen Schleifring (14)
mit Hochspannung beaufschlagbar ist, wogegen die Leitschaufeln (5, 5' , 53'', ...)
und das Turbinengehäuse (4) geerdet sind.
10. Dampfturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer mit den Laufschaufeln (3, 3', 3'', ...) geerdet ist, wogegen die Leitschaufeln
(5, 5', 5'', ...) isoliert eingesetzt und mit Hochspannung beaufschlagbar sind.
11. Dampfturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) geerdet ist und dass einzelne Stufen der Leitschaufeln (5,
5', 5'', ...) mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagbar sind.
12. Dampfturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung elektrischer Felder in der Nähe der Leitschaufeln Elektroden (52)
in die Dampfturbine eingesetzt sind.
13. Dampfturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (52) strömungsgünstig ausgeführt sind.
14. Dampfturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (52) durch die elektrisch vom Rest der jeweiligen Leitschaufel (50)
isolierten Hinterkanten der Leitschaufeln gebildet werden.
15. Dampfturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (15) Mittel zur Einstellung der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes
f besitzt.
16. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel zur Verhinderung der Tropfenschlagerosion vorhanden sind.
1. Method for reducing droplet impingement erosion in steam turbines by controlling the
droplet size in the steam turbine, in which condensation in the flow of steam causes
primary droplets of water, which are partially deposited on the stationary blades,
and also secondary droplets of water on or behind the stationary blades, of a considerably
greater volume than the primary droplets, with the following method steps:
- electrical fields are generated in the area around the stationary blades of at least
one row: wherein the electrical fields are generated by applying electrical voltages
to suitable electrode structures in the steam turbine,
- wherein these fields lead to a reduction in the size of the secondary droplets by
electrostatic dipole forces,
characterized
in that alternating fields are used as electrical fields.
2. Method according to Claim 1, characterized in that the reduction in the size of the secondary droplets takes place by destroying secondary
droplets in the volume, i.e. after the separation of droplets from the stationary
blade.
3. Method according to Claim 1, characterized in that the reduction in the size of the secondary droplets takes place by an early separation
of droplets, induced by electrical dipole forces, at the rear edge of the stationary
blades.
4. Method according to Claim 3, characterized in that the frequency (f) of the alternating electrical field is chosen by exciting resonant
vibrations of the droplets of a certain size.
5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the alternating electrical field leads to a reduction in size of the droplets both
directly on the surface of the stationary blades and in the surrounding steam chamber.
6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reduction in the size of the secondary droplets in steam turbines by electrical
fields is combined with further methods for reducing droplet impingement erosion.
7. Steam turbine with an auxiliary device for carrying out the method according to Claim
1 or one of Claims 2 to 6, with a steam turbine (1), with moving blades (3, 3', 3'',
...) on the one hand and following stationary blades (5, 5', 5'', ...) on the other
hand, characterized in that the device contains electrodes, which are connected to different electrical potential
by means of at least one voltage source (15), characterized in that alternating fields that are generated by using alternating voltage sources (15) with
periodically time-dependent voltages (U(t)) can be used as electrical fields.
8. Steam turbine according to Claim 7, characterized in that the electrodes are formed by the turbine blades (3, 3', 3'', ...; 5, 5', 5'', ...),
in that moving blades (3, 3', 3'', ...) and stationary blades (5, 5', 5'', ...) are connected
to different electrical potential.
9. Steam turbine according to Claim 8, characterized in that the complete rotor with the moving blades (3, 3' , 3'', ...) is arranged in an insulated
manner by means of an electrically insulating bushing (13) and can be subjected to
high voltage by way of a slip ring (14), whereas the stationary blades (5, 5', 5'',
...) and the turbine casing (4) are earthed.
10. Steam turbine according to Claim 9, characterized in that the rotor with the moving blades (3, 3', 3'', ...) is earthed, whereas the stationary
blades (5, 5', 5'', ...) are fitted in an insulated manner and can be subjected to
high voltage.
11. Steam turbine according to Claim 10, characterized in that the turbine casing (4) is earthed and in that individual stages of the stationary blades (5, 5', 5'', ...) can be subjected to
different voltages.
12. Steam turbine according to Claim 7, characterized in that electrodes (52) are fitted into the steam turbine for the generation of electrical
fields in the vicinity of the stationary blades.
13. Steam turbine according to Claim 11, characterized in that the electrodes (52) are of a streamlined design.
14. Steam turbine according to Claim 13, characterized in that the electrodes (52) are formed by the rear edges of the stationary blades that are
electrically insulated from the rest of the respective stationary blades (50).
15. Steam turbine according to Claim 14, characterized in that the voltage source (15) has means for setting the frequency of the alternating electrical
field f.
16. Steam turbine according to one of Claims 9 to 15, characterized in that there are further means for preventing droplet impingement erosion.
1. Procédé de réduction de l'érosion par impact de gouttes dans des turbines à vapeur
en contrôlant la dimension des gouttes dans la turbine à vapeur, dans lequel il se
crée par condensation dans le courant de vapeur des gouttes primaires d'eau, qui se
déposent en partie sur des aubes directrices, et, en outre, sur ou derrière les aubes
directrices, des gouttelettes secondaires d'eau, qui ont un volume considérablement
plus grand que les gouttes primaires, comprenant les stades de procédé suivants :
- on produit, à l'entour des aubes directrices, au moins une rangée de champs électriques,
les champs électriques étant produits par application de tensions électriques à des
structures d'électrodes appropriées dans la turbine à vapeur,
- dans lequel ceux-ci donnent, par des forces de dipôle électrostatiques, une réduction
de la dimension des gouttes secondaires,
caractérisé en ce que l'on utilise des champs alternatifs comme champs électriques.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction de la dimension des gouttes secondaires s'effectue en détruisant des
gouttes secondaires en volume, c'est-à-dire après que les gouttes se sont détachées
de l'aube directrice.
3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction de la dimension des gouttes secondaires s'effectue par un détachement
de gouttes sur le bord arrière des aubes directrices induit préalablement par des
forces de dipôle électriques.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'on choisit la fréquence ( f ) du champ alternatif électrique pour exciter des oscillations
de résonance des gouttes de dimension définie.
5. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ alternatif électrique entraîne une fragmentation des gouttes à la fois à
la surface de l'aube directrice et dans l'espace réservé à la vapeur qui est autour.
6. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on combine la réduction de la dimension des gouttes secondaires dans des turbines
à vapeur par des champs électriques avec d'autres procédés de réduction de l'érosion
par impact de gouttes.
7. Turbine à vapeur ayant un dispositif auxiliaire pour effectuer le procédé suivant
la revendication 1 ou l'une des revendications 2 à 6, comprenant une turbine ( 1 )
à vapeur ayant des aubes ( 3 , 3' 3'', ... ) directrices, d'une part, et des aubes
( 5, 5' 5'', ... ) mobiles consécutives, d'autre part, caractérisée en ce que le dispositif comporte des électrodes, qui, au moyen d'au moins une source ( 15 )
de tension, sont mises à un potentiel électrique différent, caractérisée en ce que l'on peut utiliser comme champs électriques des champs alternatifs, qui sont produits
en utilisant des sources ( 15 ) de tension alternative ayant des tensions ( U(t) ),
qui dépendent périodiquement du temps.
8. Turbine à vapeur suivant la revendication 7, caractérisée en ce que des électrodes sont formées par les aubes ( 3, 3' 3'', ...; 5, 5' 5'', ... ) de turbine
en mettant des aubes (3, 3' 3'', ... ) mobiles et des aubes ( 5, 5' 5'', ... ) directrices
à un potentiel électrique différent.
9. Turbine à vapeur suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le rotor complet ayant les aubes ( 3 , 3' 3'', ... ) mobiles est monté de manière
isolée au moyen d'une traversée ( 13 ) isolante du point de vue électrique et peut
être mis sous haute tension par une bague ( 14 ) de friction, tandis que les aubes
( 5, 5' 5'', ... ) directrices et la carcasse ( 3 ) de la turbine sont mises à la
terre.
10. Turbine à vapeur suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le rotor ayant les aubes ( 3, 3' 3'', ... ) mobiles est mis à la terre, tandis que
les aubes ( 5, 5' 5'' , ... ) directrices sont isolées et peuvent être mises sous
haute tension.
11. Turbine à vapeur suivant la revendication 10, caractérisée en ce que la carcasse ( 4 ) de la turbine est mise à la terre et en ce que divers étages des aubes ( 5, 5' 5 '', ... ) directrices sont mises à des tensions
différentes.
12. Turbine à vapeur suivant la revendication 7, caractérisée en ce que, pour la production de champs électriques au voisinage des aubes directrices, des
électrodes ( 52 ) sont insérées dans la turbine à vapeur.
13. Turbine à vapeur suivant la revendication 11, caractérisée en ce que les électrodes ( 12 ) sont réalisées de manière à favoriser l'écoulement.
14. Turbine à vapeur suivant la revendication 13, caractérisée en ce que les électrodes ( 52 ) sont formées par les bords arrières des aubes directrices isolés
électriquement du reste des aubes ( 50 ) directrices respectives.
15. Turbine à vapeur suivant la revendication 14, caractérisée en ce que la source ( 15 ) de tension a des moyens de réglage de la fréquence du champ ( f
) alternatif électrique.
16. Turbine à vapeur suivant l'une des revendications 9 à 15, caractérisée en ce qu'il y a d'autres moyens pour empêcher l'érosion par impact de gouttes.
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