[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, umfassend einen Rotor, der drehbar
um eine Rotationsachse gelagert ist, Laufschaufeln, die auf dem Rotor angeordnet sind,
ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist, Leitschaufeln, die am Gehäuse angeordnet
sind, einen Strömungskanal, der zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ausgebildet ist,
eine Zuströmung, die im Gehäuse angeordnet ist und zum Zuströmen von Dampf ausgebildet
ist, ein Einströmsegement, das im Gehäuse angeordnet ist, Einströmsegment-Leitschaufeln,
die im Einströmsegment angeordnet sind.
[0002] Strömungsmaschinen, wie z.B. Dampfturbinen, werden beispielsweise in der Energieversorgung
eingesetzt. Im Wesentlichen umfassen solche Strömungsmaschinen einen drehbar gelagerten
Rotor und ein um den drehbar gelagerten Rotor angeordnetes Gehäuse. In der Regel wird
das Gehäuse in ein Innengehäuse und ein um das Innengehäuse angeordnetes Außengehäuse
eingeteilt. Die Rotoren solch ausgeführter Strömungsmaschinen umfassen Laufschaufeln,
die zwischen am Innengehäuse angeordneten Leitschaufeln angeordnet sind und einen
Strömungskanal bilden, durch den ein Strömungsmedium strömt. In einer als Dampfturbine
ausgebildeten Ausführungsform der Strömungsmaschine ist Dampf das Strömungsmedium.
[0003] Das in eine Strömungsmaschine einströmende Strömungsmedium weist vergleichsweise
hohe Temperaturen auf. So ist bei Dampfturbinen als Ausführungsform einer Strömungsmaschine
der Dampf derart erhitzt, dass der Dampf Temperaturen von über 600 C aufweisen kann.
Solch hohe Temperaturen führen zu großen thermischen Belastungen der Strömungsmaschine.
Insbesondere werden die Bauteile der Strömungsmaschine thermisch belastet, die im
Einströmbereich des Strömungsmediums angeordnet sind. Darüber hinaus ist der Rotor
ebenfalls besonders an der Stelle an der das Strömungsmedium in die Strömungsmaschine
einströmt besonders thermisch belastet. Die Materialien müssen geeignet gewählt werden,
damit die Strömungsmaschine betrieben werden kann.
[0004] Allerdings sind dadurch die Einsatzgrenzen eines Rotors begrenzt, da die thermische
Belastung nur bis zu einem Grenzwert zulässig und möglich ist. Beispielsweise lassen
die maßgeblichen Festigkeitskennwerte der eingesetzten Materialien bei zu hohen Temperaturen
überproportional nach. Aus der Temperatur, die das Material des Rotors aufweist, ergeben
sich beispielsweise die maximal zulässigen Wellendurchmesser, bezogen auf die Auslastung
im Welleninneren oder auch maximal zulässige Fliehkräfte im randnahen Bereich von
Rotoren, die besonders bei 60 Hz Anwendungen zur Einschränkung führen können. Abhilfe
wird geschaffen durch Temperaturabsenkung, die durch Kühlung der Oberfläche erfolgen
kann oder durch Kühlung des Welleninneren, die entweder eine Erweiterung der mechanischen
Einsatzgrenzen des Rotors bei gegebenem Werkstoff erzielen oder in anderen Fällen
ein Wechsel zu hochwertigeren und teureren Werkstoffen vermeiden.
[0005] Derzeitige Strömungsmaschinen weisen ein Einströmsegment auf, das im Zuströmungskanal
der Strömungsmaschine angeordne ist. Dieses Einströmsegment weist einen Leitschaufelring
auf siehe z.B
US 2 244 983. Der in die Strömungsmaschine zuströmende Frischdampf trifft zunächst auf die Leitschaufeln
dieses Einströmsegments. In der Regel wird dieses Einströmsegment am Innengehäuse
angeordnet. Ein physikalischer Effekt, der mit dem Einströmsegment erzielt werden
kann, ist, dass der Frischdampf einen erhöhten Drall aufweist und dadurch zu Temperaturabsenkungseffekten
der Einströmentlastungsnut führt. Dadurch wird eine moderate Kühlung erreicht, die
die thermische Auslastung der ersten Turbinenschaufelfüße als auch des Welleninneren
reduziert. Solche Einströmsegmente werden auch als Diagonalstufen bezeichnet.
[0006] Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Strömungsmaschine
anzugeben.
[0007] Erreicht wird dies durch eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1.
[0008] Ein wesentliches Merkmal hierbei ist, dass Bohrungen ausgeführt werden, die im Einströmsegment
angeordnet sind und eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Zuströmung und
einem Entlastungsraum, der zwischen dem Einströmsegment und dem Rotor angeordnet ist,
herstellt.
[0009] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Temperatur an der Wellenoberfläche
stärker abzusenken, indem Bohrungen, die als Tangentialbohrungen ausgeführt sind,
angeordnet werden. Dadurch wird der Strömung des Strömungsmediums unterhalb des Einströmsegments
eine vorgegebene Umfangsgeschwindigkeit aufgeprägt. Dadurch ergibt sich an der Wellenoberfläche
der gewünschte Kühlungseffekt. Durch eine Benetzung des Bereichs der Wellenoberfläche
in der Entlastungsnut mit Temperaturen unter der Frischdampf-Temperatur ergibt sich
auch eine Temperaturabsenkung im Bereich der Wellenachse unter der ersten Laufschaufelklaue.
[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0011] So sind in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die Bohrungen derart ausgebildet,
dass ein Teil eines Zuströmdampfes durch die Bohrungen und ein Teil des Zuströmdampfes
durch die Einströmsegment-Leitschaufeln geführt wird.
[0012] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Einströmsegment ein nabenseitiges
Ringsegment auf, in dem die Bohrungen ausgebildet sind.
[0013] Vorteilhafterweise sind die Bohrungen in Strömungsrichtung des Zuströmdampfes gesehen,
vor den Einströmsegment-Leitschaufeln angeordnet. Dadurch kann ein Teil des Dampfes
direkt vor dem Durchströmen durch den Einströmring abgeleitet werden. Dadurch ist
eine bessere Kühlung möglich.
[0014] Erfindungsgemäß sind die Bohrungen um einen Winkel α, der zwischen 40° und 80° liegt,
gegenüber einer radialen Richtung, die durch die Rotationsachse geht, geneigt. Dadurch
lassen sich optimale Kühlungseffekte erzielen
; da der Drall des unter dem Einströmsegment einströmenden Dampfes wesentlich ist für
eine möglichst effektive Kühlung.
[0015] In einer vorteilhaften Weiterbildung sind sechs Bohrungen ausgebildet, wobei die
Anzahl von der jeweiligen Geometrie, Thermodynamik und Höhe des gewünschten Kühleffekts
beeinflusst wird.
[0016] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der schematisierten Zeichnungen
näher erläutert.
[0017] Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Schnittansicht durch einen Teil einer Strömungsmaschine;
- Figur 2
- eine teilperspektivische Ansicht eines Einströmrings;
- Figur 3
- eine Schnittansicht durch den Einströmring.
[0018] Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Strömungsmaschine. Die in Figur 1 gezeigte
Strömungsmaschine ist als eine Dampfturbine 1 ausgebildet. Die Dampfturbine 1 weist
einen um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 weist verschiedene
Durchmesser auf. Auf einer Rotoroberfläche 4 sind Laufschaufeln 5 angeordnet. Der
Übersichtlichkeit wegen ist lediglich eine Laufschaufel 5 dargestellt. Die Laufschaufel
5 weist einen Laufschaufelfuß 6 auf, der in einer entsprechenden Rotornut 7 angeordnet
ist. Das unmittelbar zum Laufschaufelfuß 6 benachbarte Rotormaterial wird auch als
Laufschaufelklaue bezeichnet.
[0019] Um den Rotor 3 ist ein Innengehäuse 8 angeordnet, das im Wesentlichen und je nach
Bauform aus einem oberen Innengehäuseteil und einem unteren Innengehäuseteil bei horizontaler
Teilfuge oder entsprechend aus linkem und rechtem Innengehäuseteil bei vertikaler
Teilfuge ausgebildet ist. Um das Innengehäuse 8 ist ein Außengehäuse 9 angeordnet.
Zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Außengehäuse 9 ist ein Dichtelement 10 angeordnet.
[0020] Das Innengehäuse 8 ist derart ausgebildet, dass durch eine nicht näher dargestellte
Dampfzuführung eine Zuströmung 11 ausgebildet ist. Durch diese Zuströmung 11 wird
Frischdampf, der Temperaturen bis 650°C oder mehr aufweisen kann, zugeführt. Das Innengehäuse
8 trägt zudem Leitschaufeln 12, die über Leitschaufelfüße 13 in entsprechende Innengehäusenuten
14 angeordnet sind.
[0021] Der Übersichtlichkeit wegen ist lediglich eine Leitschaufel 12 dargestellt. Zwischen
dem Innengehäuse 8 und dem Rotor 3 ist ein Strömungskanal 15 ausgeführt, der durch
die Leitschaufeln 12 und Laufschaufeln 5 gebildet ist. Der Rotor 3 ist mit einem Schubausgleichskolben
16 ausgebildet, der im Wesentlichen einen größeren Durchmesser aufweist. Zwischen
der Oberfläche 17 des Schubausgleichskolbens 16 und dem Innengehäuse 8 ist eine Wellendichtung
18 ausgebildet. In Rotationsrichtung gesehen vor dem Schubausgleichskolben 16 weist
der Rotor 2 einen geringeren Durchmesser auf, wobei in diesem Abschnitt eine zweite
Wellendichtung 19 angeordnet ist.
[0022] Die Zuströmung 11 ist zum Zuströmen von Dampf vorgesehen und dementsprechend ausgebildet.
Das Innengehäuse 8 weist in diesem Bereich einen Vorsprung 20 auf, an dem ein Einströmsegment
21 angeordnet ist. Das Einströmsegment 21 ist im Wesentlichen als Ring ausgebildet
und in das Innengehäuse 8 eingebaut. Am äußeren Durchmesser des Einströmsegmentes
21 ist das Einströmsegment 21 in eine Nut 22 eingepasst. Das Einströmsegment 21 weist
ein nabenseitiges Ringsegment 23 auf, das über ein zweites Dichtelement 24 mit dem
Innengehäuse 8 verbunden ist. Dazu weist das nabenseitige Ringsegment 23 eine Dichtnut
25 auf, in die das zweite Dichtelement 24 eingepasst ist. Des Weiteren weist das Innengehäuse
8 ebenfalls eine Nut 26 auf, in der das andere Ende des zweiten Dichtelementes 24
angeordnet ist. Das Einströmsegment 21 weist Einströmsegment-Leitschaufeln 27 auf,
die integral mit dem Einströmsegment 21 ausgebildet sind. Der Rotor 3 ist mit einer
Entlastungsnut 28 ausgebildet, die sich im Wesentlichen durch einen geringeren Durchmesser
auszeichnet und einen gewissen radialen Abstand zum Einströmsegment 21 aufweist, um
den Entlastungsraum 30 auszubilden. Das Einströmsegment 21 im eingebauten Zustand
stellt über die Dichtelemente und Einbausituation eine technisch dampfdichte Separierung
des Zuströmkanals 11 zum Entlastungsraum 30 sicher. Bohrungen 29 sind im nabenseitigen
Ringsegment 23 im Einströmsegment 21 angeordnet. Diese Bohrungen 29 stellen eine strömungstechnische
Verbindung zwischen der Zuströmung 11 und einem Entlastungsraum 30 her, der zwischen
dem Einströmsegment 21 und dem Rotor 3 ausgebildet ist.
[0023] Im Betrieb strömt ein Massenstrom (M
ges) in die Zuströmung 11. Dieser Massenstrom teilt sich in einen kleineren Massenstrom
(M
1), der durch die Bohrungen 29 führt und in den Entlastungsraum 30 gelangt und in einen
größeren Massenstrom (M
2), der durch die Einströmsegment-Leitschaufel 27 strömt und danach durch den Strömungskanal
15 führt. Es gilt Mg
es=M
1+M
1, wobei M
1 << M
2. Des Weiteren teilt sich der Massenstrom M
1, der durch die Bohrungen 29 führt, in einen Massenstrom M
11 auf, der über die zweite Wellendichtung 19 in einen Schubausgleichskolben-Vorraum
31 gelangt. Ein anderer Teil des Massenstroms M
1 gelangt als zweiter Massenstrom M
12 am nabenseitigen Ringsegment 23 entlang in den Strömungskanal 15.
[0024] Der Massenstrom M
11 + M
12 weist eine vergleichsweise geringere Temperatur auf als der von M
ges und führt daher zu einer Abkühlung der Rotoroberfläche in der Entlastungsnut 28.
[0025] Die Bohrungen 29 sind in Strömungsrichtung 32 des Zuströmdampfes gesehen, vor den
Einströmsegment-Leitschaufeln 27 angeordnet.
[0026] Die Figur 2 zeigt eine Teilansicht des Einströmsegments 21. In der in Figur 2 dargestellten
Perspektive erfolgt ein Blick von der Rotationsachse 2 aus in radialer Richtung nach
außen. In der dargestellten Perspektive sind mehrere Einströmsegment-Leitschaufeln
27 zu erkennen. Das nabenseitige Ringsegment 23 ist im Wesentlichen dreieckförmig
ausgebildet und weist die Nut 25 zur Aufnahme des Dichtelementes 24 auf. Die Figur
2 zeigt eine Perspektive des Einströmelements 21, wobei eine innenseitige Oberfläche
33 des nabenseitigen Ringsegments 23 zu sehen ist. Der Austritt 34 der Bohrungen 29
ist auf dieser innenseitigen Oberfläche 33 ausgebildet.
[0027] Die Figur 3 zeigt eine Schnittansicht durch das Einströmsegment 21. Der Übersichtlichkeit
wegen ist lediglich eine Einströmsegment-Leitschaufel mit dem Bezugszeichen 27 versehen.
Im gewählten Ausführungsbeispiel sind sechs Bohrungen 29 ausgeführt, die in einer
tangentialen Richtung zum Entlastungsraum 30 im Winkel α ausgebildet sind. Die Drehrichtung
des Rotors 3 erfolgt gegen den Uhrzeigersinn. Beispielhaft wird an der Bohrung 29
in der Zwölf-Uhr-Position der Winkel α erläutert. Von der Rotationsachse 2 aus ist
in radialer Richtung eine Bezugslinie 35 dargestellt. Unter einem Winkel α, der zwischen
40° und 80° liegt, wird eine Bohrung 29 ausgeführt. Durch diese Bohrung 29 strömt
der Massenstrom M
1. Durch den ausgeübten Drall erfährt der Dampf eine Geschwindigkeitsänderung und damit
eine Absenkung der statischen Temperatur des Dampfes bezogen auf das rotierende System,
was dann zu einer Abkühlung der Oberfläche des Rotors 3 gegenüber der Temperatur des
Massenstroms M
ges führt.
1. Strömungsmaschine, umfassend
- einen Rotor (3), der drehbar um eine Rotationsachse (2) gelagert ist, Laufschaufeln
(5), die auf dem Rotor (3) angeordnet sind,
- ein Gehäuse (8, 9), das um den Rotor (3) angeordnet ist, Leitschaufeln (12), die
im Gehäuse (8, 9) angebracht sind,
- einen Strömungskanal (15), der zwischen dem Rotor (3) und dem Gehäuse (8, 9) ausgebildet
ist,
- eine Zuströmung (11), die im Gehäuse (8, 9) angeordnet ist und zum Zuströmen von
Dampf ausgebildet ist,
- ein Einströmsegment (21), das im Gehäuse (8, 9) angeordnet ist,
- Einströmsegment-Leitschaufeln (27), die im Einströmsegment (21) angeordnet sind,
Bohrungen (29), die im Einströmsegment (21) angeordnet sind und eine strömungstechnische
Verbindung zwischen der Zuströmung (11) und einem Entlastungsraum (30), der zwischen
dem Einströmsegment (21) und dem Rotor (3) angeordnet ist, herstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bohrungen (29) um einen Winkel α in Umfangsrichtung,
der einen Betrag zwischen 40° - 80° aufweist,
gegenüber einer radialen Richtung,
die durch die Rotationsachse (2) führt,
geneigt ist.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,
wobei die Bohrungen (29) derart ausgebildet sind, dass ein Teil eines Zuströmdampfes
durch die Bohrungen (29) und ein Teil des Zuströmdampfes durch die Einströmsegment-Leitschaufeln
(27) geführt sind.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Einströmsegment (21) ein nabenseitiges Ringsegment (23) aufweist, in dem
die Bohrungen (29) ausgebildet sind.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei die Bohrungen (29) in Strömungsrichtung (32) des Zuströmdampfes gesehen vor
den Einströmsegment-Leitschaufeln (27) angeordnet sind.
5. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
wobei sechs Bohrungen (29) ausgebildet sind.
6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Gehäuse als Innengehäuse (8) ausgebildet ist und um das Innengehäuse (8)
ein Außengehäuse (9) angeordnet ist.
7. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ausgebildet als Dampfturbine (1).
1. Turbomachine, comprising
- a rotor (3) which is mounted rotatably about an axis of rotation (2), rotor blades
(5) which are arranged on the rotor (3),
- a casing (8, 9) which is arranged about the rotor (3), guide vanes (12) which are
attached inside the casing (8, 9),
- a flow duct (15) which is formed between the rotor (3) and the casing (8, 9),
- a supply line (11) which is arranged in the casing (8, 9) and is formed for supplying
steam,
- an inflow segment (21) which is arranged in the casing (8, 9),
- inflow segment guide vanes (27) which are arranged in the inflow segment (21),
bores (29) which are arranged in the inflow segment (21) and which establish a fluidic
connection between the supply line (11) and a relief space (30) which is arranged
between the inflow segment (21) and the rotor (3),
characterized in that the bores (29) are inclined,
with respect to a radial direction through the axis of rotation (2),
by an angle α in the circumferential direction of between 40° and 80°.
2. Turbomachine according to Claim 2,
wherein the bores (29) are formed such that part of the supply steam is fed through
the bores (29) and part of the supply steam is fed through the inflow segment guide
vanes (27).
3. Turbomachine according to Claim 1 or 2,
wherein the inflow segment (21) has a hub-side ring segment (23) in which are formed
the bores (29).
4. Turbomachine according to Claim 1, 2 or 3,
wherein the bores (29) are arranged upstream of the inflow segment guide vanes (27),
as seen in the flow direction (32) of the supply steam.
5. Turbomachine according to Claim 1,
wherein six bores (29) are formed.
6. Turbomachine according to one of the preceding claims,
wherein the casing is formed as an inner casing (8) and an outer casing (9) is arranged
around the inner casing (8).
7. Turbomachine according to one of the preceding claims, formed as a steam turbine (1).
1. Turbomachine comprenant
- un rotor (3) qui est monté tournant autour d'un axe (2) de rotation, des aubes (5)
mobiles, qui sont montées sur le rotor (3),
- une carcasse (8, 9) qui est disposée autour du rotor (3), des aubes (12) directrices
qui sont mises dans la carcasse (8, 9),
- un canal (15) d'écoulement, qui est constitué entre le rotor (3) et la carcasse
(8, 9),
- un conduit (11) d'afflux, qui est disposé dans la carcasse (8, 9) et qui est constitué
pour faire affluer de la vapeur,
- un segment (21) d'entrée qui est disposé dans la carcasse (8, 9),
- des aubes (27) directrices de segment d'entrée, qui sont disposées dans le segment
(21) d'entrée,
des trous (29) qui sont disposés dans le segment (21) d'entrée et qui ménagent une
liaison en technique d'écoulement entre le conduit (11) d'afflux et un espace (30)
de décharge disposé entre le segment (21) d'entrée et le rotor (3),
caractérisée en ce que
les trous (29) sont inclinés d'un angle α, dans la direction périphérique, compris
entre 40° et 80° par rapport à une direction radiale qui passe par l'axe (2) de rotation.
2. Turbomachine suivant la revendication 1,
dans laquelle les trous (29) sont constitués de manière à ce qu'une partie d'une vapeur
d'afflux passe par les trous (29) et qu'une partie de la vapeur d'afflux passe par
les aubes (27) directrice du segment d'entrée.
3. Turbomachine suivant la revendication 1 ou 2,
dans laquelle le segment (21) d'entrée a un segment (23) annulaire du côté du moyeu,
segment dans lequel les trous (29) sont constitués.
4. Turbomachine suivant la revendication 1, 2 ou 3,
dans laquelle les trous (29) sont, considérés dans la direction (32) d'écoulement
de la vapeur d'afflux, en amont des aubes (27) directrices du segment d'entrée.
5. Turbomachine suivant la revendication 1,
dans laquelle il est constitué six trous (29).
6. Turbomachine suivant l'une des revendications précédentes,
dans laquelle la carcasse est sous la forme d'une carcasse (8) intérieure, et une
carcasse (9) extérieure est disposée autour de la carcasse (8) intérieure
7. Turbomachine suivant l'une des revendications précédentes, constituée sous la forme
d'une turbine (1) à vapeur.