KÜHLMÖGLICHKEIT FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Umlenkleiteinrichtung (26) in der Labyrinthdichtung (25) im großen Zwischenboden (19), um den Leckagedampf in Umfangsrichtung (28) umzulenken, um dadurch eine Kühlung in der Entlastungsnut (16, 17) im Mitteldruck-einströmbereich (12) zu erreichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, umfassend einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein in eine erste Richtung weisender erster Strömungskanal und ein in einer zweiten Strömungsrichtung weisender zweiter Strömungskanal angeordnet ist, wobei zwischend dem ersten und dem zweiten Strömungskanal eine mehrere Spitzen umfassende Labyrinthdichtung angeordnet ist.

[0002] Strömungsmaschinen im Sinne dieser Erfindung sind beispielsweise Dampfturbinen, Gasturbinen oder Verdichter, wobei sich die Erfindung vorzugsweise auf Dampfturbinen bezieht. Strömungsmaschinen zeichnen sich durch ein Strömungsmedium aus. Unter der Sammelbezeichnung Strömungsmaschinen werden Wasserturbinen, Dampf- und Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst. Allen diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sie dem Zweck dienen, einem Fluid Energie zu entziehen, um damit eine andere Maschine anzutreiben oder umgekehrt, einem Fluid Energie zuzuführen, um dessen Druck zu erhöhen. In Strömungsmaschinen ist die Energieumsetzung indirekt und nimmt vorzugsweise den Weg über die kinetische Energie des Fluids.

[0003] In Strömungsmaschinen, wie z. B. in Dampfturbinen, strömt im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Hauptströmungsrichtung, die im Wesentlichen der Richtung der Rotationsachse entspricht. Das Strömungsmedium soll idealerweise lediglich durch einen so genannten Strömungskanal strömen, der so genannte Leit- und Laufschaufeln aufweist. Üblicherweise wird der Strömungskanal aus verschiedenen hintereinander angeordneten Leit- und Laufschaufeln gebildet. Das Strömungsmedium strömt durch den Strömungskanal an den Leit- und Laufschaufeln vorbei, wobei die kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt wird, was zu einer Rotation des Rotors führt. Da eine Bewegung des Rotors in einem Gehäuse stattfindet, sind Spalte zwischen dem Gehäuse und dem Rotor vorhanden, die so gering wie möglich ausgeführt werden sollten. Dennoch können Spalte nicht vermieden werden, was zu einer unerwünschten Strömung durch die Spalte führt. Die unerwünschte Strömung ergibt sich aus der Hauptströmung, wobei ein Teil aus der Hauptströmung abzweigt und durch den Spalt strömt. Diese Spaltströmung kann als Sekundärströmung bezeichnet werden, wobei es Ziel bei jeder Auslegung einer Strömungsmaschine ist, die Sekundärströmung so gering wie möglich zu halten. Daher existieren verschiedene Ansätze, um die Sekundärströmung zu minimieren. Ein erster Ansatz besteht darin, sogenannte Dichtlippen zwischen den rotierenden und den feststehenden Komponenten anzuordnen. Die Dichtlippen sind rotationssymmetrisch angeordnet und wirken sozusagen als Barriere für die Sekundärströmung. Somit wird eine im Wesentlichen zur Hauptströmung strömende Sekundärströmung abgebremst.

[0004] Es sind Dampfturbinen als Ausführungsform einer Strömungsmaschine bekannt, die zwei Fluten aufweist. Das bedeutet, dass eine solch ausgebildete Dampfturbine einen ersten Strömungskanal aufweist und entgegengesetzt zu einem zweiten Strömungskanal angeordnet ist. Solche Dampfturbinen zeichnen sich durch zwei Einströmungsbereiche auf. Einen ersten Einströmbereich für den ersten Strömungskanal und einen zweiten Einströmungsbereich für den zweiten Strömungskanal. Des Weiteren zeichnet sich eine solche Dampfturbine dadurch aus, dass ein gemeinsamer Rotor einen Beschaufelungsbereich für den ersten Strömungskanal und einen zweiten Beschaufelungsbereich für den zweiten Strömungskanal aufweist. Zwischen den Beschaufelungsbereichen ist ein sogenannter Zwischenboden angeordnet, der eine Oberfläche aufweist, die möglichst dicht an ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse angeordnet werden muss. Ein Spalt zwischen dem Zwischenboden und dem Gehäuse sollte möglichst gering sein, weil ein im ersten Einströmbereich einströmender Dampf teilweise durch diesen Spalt strömen kann und in den zweiten Einströmungsbereich des zweiten Strömungskanals einströmen kann. Daher werden solche Spalte mit sogenannten Labyrinthdichtungen ausgeführt. Labyrinthdichtungen weisen sogenannte Spitzen auf, die sowohl auf der Oberfläche des Rotors als auch auf der Innenoberfläche des Gehäuses angeordnet sind. Labyrinthdichtungen sind im Stand der Technik bekannt und müssen hier nicht weiter ausgeführt werden.

[0005] Rotoren weisen des Weiteren im Einströmbereich sogenannte Entlastungsnuten auf. Solche Entlastungsnuten sind durch einen geringeren Radius charakterisiert. Für die vorgenannten Dampfturbinen sind die Wellentemperaturen in der Entlastungsnut begrenzend für die Lebensdauer der Welle. Des Weiteren ist die Wellentemperatur ebenfalls begrenzend für die durchleitbare Leistung der Welle. Daher werden große Anstrengungen unternommen, die Temperatur möglichst weit abzusenken. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine weitere Möglichkeit anzugeben, die Temperatur in der Entlastungsnut zu verringern.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, umfassend einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein in eine erste Richtung weisender erster Strömungskanal und ein in einer zweiten Strömungsrichtung weisender zweiter Strömungskanal angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungskanal eine mehrere Spitzen umfassende Labyrinthdichtung angeordnet ist, wobei in der zweiten Strömungsrichtung gesehen nach einer letzten Spitze eine Umlenkleiteinrichtung angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass ein in axialer Richtung in der Labyrinthdichtung strömender Leckdampf zumindest teilweise in Umfangsrichtung des Rotors ablenkbar ist.

[0007] Mit der Erfindung wird somit eine Abkühlmöglichkeit angeboten, die vergleichsweise günstig herstellbar ist und sich durch eine Umlenkleiteinrichtung auszeichnet. Die Umlenkleiteinrichtung erzeugt einen Drall des strömenden Leckdampfes im Bereich der Entlastungsnut und kann die Temperatur an der Wellenoberfläche in der Entlastungsnut weiter absenken. Hierbei wird der aus der Labyrinthdichtung ausströmende Leckdampf durch die Umlenkleiteinrichtung in die Wellenrotationsrichtung umgelenkt.

[0008] Mit der Erfindung wird somit eine hohe kinetische Energie des Leckdampfes am Austritt der Labyrinthdichtung eines großen Zwischenbodens ausgenutzt und diese zu Kühlmöglichkeiten ausgenutzt.

[0009] Durch die Verringerung der Wellentemperatur an der Oberfläche der Entlastungsnut kann die durchleitbare Leistung durch die Entlastungsnut erhöht werden. Des Weiteren kann die erreichbare geringere Temperatur in der Entlastungsnut auch für eine Kühlwirkung an einer ersten Laufschaufelnut führen. Dies würde zu einer geringeren Auslastung und dadurch zu einer Verbesserung in der Schaufelauslegung führen.

[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0011] In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist die Umlenkleiteinrichtung mehrere auf dem Umfang verteilte Umlenkelemente auf. Dadurch wird der Effekt verstärkt, indem eine passende Anzahl von Umlenkelementen auf dem Umfang verteilt wird. Die Umlenkleiteinrichtung hat die Aufgabe, die in der Labyrinthdichtung strömende Leckdampfströmung umzulenken und dadurch einen Drall zu erzeugen, der dazu führt, dass der Leckdampf in eine Wellenrotationsrichtung umgelenkt wird. Die Anzahl der Umlenkelemente sollte passend gewählt werden.

[0012] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Umlenkelemente gebogen ausgeführt. Aus strömungstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, eine Biegung der Umlenkelemente zu berücksichtigen, um dadurch möglichst geringe Strömungsverluste zu haben. Dabei kann der Bogen eine parabelförmige Kontur aufweisen. Es ist auch eine kreisförmige Kontur denkbar.

[0013] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Umlenkelemente zunächst in axialer Richtung, die in die Rotationsrichtung zeigt, gerichtet ausgebildet und anschließend weisen die Umlenkelemente einen Bogen auf, der in die Umfangsrichtung zeigt.

[0014] Somit sind in einer vorteilhaften Weiterbildung die Umlenkelemente derart ausgebildet, dass eine Umlenkung um 90° erfolgt. Darunter ist zu verstehen, dass der Leckdampfstrom im Wesentlichen in axialer Richtung strömt und dazu um 90° umgelenkt wird, was im Wesentlich der Umfangsrichtung entspricht.

[0015] Die Umlenkelemente können in einer vorteilhaften Weiterbildung profiliert ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die Umlenkelemente eine leitschaufelförmige Kontur aufweisen. Die leitschaufelförmige Kontur führt dazu, dass eine Strömung umgelenkt und beschleunigt wird, was zu dem vorgenannten Effekt der Abkühlung führt.

[0016] In vorteilhafter Weiterbildung sind die Umlenkelemente als eine Leitschaufelstufe ausgebildet.

[0017] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmal und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

[0018] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

[0019] Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0020] Es zeigen:

Figur 1

eine Querschnittsansicht einer Strömungsmaschine,

Figur 2

eine Querschnittsansicht eines vergrößerten Teils aus Figur 1,

Figur 3

eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Figur 4

eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung.

[0021] Die Figur 1 zeigt eine Dampfturbine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine und weist ein Außengehäuse 2 auf, das um einen Rotor 3 angeordnet ist, der drehbar um eine Rotationsachse 4 gelagert ist. Um den Rotor 3 ist ein Innengehäuse 5 angeordnet. Die Dampfturbine 1 weist einen Hochdruckteil 6 und einen Mitteldruckteil 7 auf. Der Hochdruckteil 6 weist einen Hochdruckeinströmbereich 8 auf, durch den ein Hochdruckfrischdampf einströmt. Der Hochdruckfrischdampf strömt anschließend durch in einer ersten Richtung 9 ausgerichteten ersten Strömungskanal 10, der auch als Hochdruckströmungskanal bezeichnet werden kann. Die thermische Energie des Dampfes im ersten Strömungskanal 10 wird in Rotationsenergie des Rotors 3 umgewandelt. Der Dampf strömt anschließend aus dem Hochdruckausströmbereich 11 und von dort ggf. zu einem Zwischenüberhitzer (nicht dargestellt). Danach strömt der Dampf als Mitteldruckeinströmdampf in einen Mitteldruckeinströmbereich 12. Nach dem Einströmen in den Mitteldruckeinströmbereich 12 strömt der Dampf in einen in eine zweite Richtung 13 weisenden zweiten Strömungskanal 14. Nach dem zweiten Strömungskanal 14 strömt der Dampf über einen Mitteldruckausströmbereich 15 aus der Strömungsmaschine heraus. Der Rotor 3 weist im Bereich des Hochdruckeinströmbereichs 8 eine Entlastungsnut 16 auf, die dadurch charakterisiert werden kann, dass der Rotor 3 an dieser Stelle in einem bestimmten axialen Bereich einen geringeren Radius aufweist als der Bereich davor und dahinter. Ebenso weist im Bereich des Mitteldruckeinströmbereichs 12 der Rotor 3 ebenfalls eine Entlastungsnut 17 auf, die ebenfalls dadurch charakterisiert werden kann, dass der Rotor 3 in einer gewissen axialen Länge einen geringeren Radius aufweist als der Rotor 3 vor der Entlastungsnut 17 und hinter der Entlastungsnut 17 in der zweiten Richtung 13 aus gesehen. Im Betrieb strömt ein Frischdampf im Hochdruckeinströmbereich 8 herein und strömt zum größten Teil durch den ersten Strömungskanal 10, der mit nicht näher dargestellten Leit- und Laufschaufeln ausgebildet ist. Ein unerwünscht geringer Teil des Hochdruckfrischdampfes strömt durch einen Spalt zwischen dem Innengehäuse 5 und dem Rotor 3 in einen mittleren Bereich 18. Im mittleren Bereich 18 weist der Rotor 3 einen Radius bestimmter Länge auf und bildet einen sogenannten großen Zwischenboden 19. Der Spalt zwischen dem Innengehäuse 5 und dem großen Zwischenboden 19 sollte möglichst dampfdicht ausgebildet sein und weist daher, wie in Figur 2 dargestellt, eine Labyrinthdichtung 25 auf. Die Labyrinthdichtung 25 umfasst mehrere Labyrinthdichtungssegmente 20 auf, die federnd in Labyrinthdichtungsnuten 21 angeordnet sind. Die Labyrinthdichtungssegmente 20 können somit in einer radialen Richtung 34 bewegt werden. Auf der Oberfläche des großen Zwischenbodens 19 sind, wie bei Labyrinthdichtungen 25 üblich, sogenannte Spitzen 22 angeordnet. Die Spitzen 22 werden auch als Dichtlippen bezeichnet oder ähnlich. Im Labyrinthdichtungssegment 20 hingegen ist ebenfalls eine Spitze 23 bzw. Dichtlippe angeordnet. In einer axialen Richtung 24 sind die Spitzen 22 und 23 nacheinander ausgebildet, was in der Figur 3 nochmal gesondert dargestellt ist.

[0022] Die Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. Die Figur 2 hingegen zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 und zwar den mit dem Oval gekennzeichneten Teil der Strömungsmaschine 1. Wie nun in Figur 1 dargestellt, kann der Mitteldruckdampf aus dem Mitteldruckeinströmbereich 8 durch den Spalt durch die Labyrinthdichtung 25 zum Mitteldruckeinströmbereich 12 gelangen. Dieser Leckstrom sollte möglichst klein gehalten werden. Jedenfalls weist der in die Entlastungsnut 17 ausströmende Leckstrom eine vergleichsweise hohe Temperatur auf, die zu einer Schädigung des Rotors 3 in der Entlastungsnut 17 führen kann. Erfindungsgemäß wird dies hier verhindert, indem wie in Figur 3 ersichtlich, eine Umlenkleiteinrichtung 26 nach einer letzten Spitze 27 angeordnet ist und die derart ausgebildet ist, dass ein in der axialen Richtung 24 strömender Leckdampf zumindest teilweise in Umfangsrichtung 28 des Rotors umgelenkt wird. Die Umlenkleiteinrichtung 26 weist mehrere in der Umfangsrichtung 28 angeordnete Umlenkelemente 29 auf. Diese Umlenkelemente 29 können gebogen ausgeführt sein. Das bedeutet, dass die Umlenkelemente 29 zunächst in der axialen Richtung 24 gerichtet gerade ausgebildet sind und anschließend einen Bogen 30 aufweisen, der in die Umfangsrichtung 28 schließlich in einen Endbereich 31 zeigt. Die Umlenkelemente 29 sind hierbei derart ausgebildet, dass die Umlenkung um 90° erfolgt, das bedeutet, dass die Umlenkelemente 29 zunächst in axialer Richtung 24 parallel in einem Anfangsbereich 32 ausgebildet sind und im Endbereich 31 parallel zur Umfangsrichtung 28 ausgebildet sind. Dabei kann in alternativen Ausführungsformen der Endbereich 31 nicht zwingend parallel zur Umfangsrichtung 28 ausgebildet sein. Der Endbereich 31 und die Umfangsrichtung 28 können um einen Winkel α (wobei α zwischen 0° und 40° liegt) zueinander geneigt sein.

[0023] In alternativen Ausführungsformen können die Umlenkelemente 29 profiliert ausgebildet sein, das bedeutet, dass in einer Querschnittsansicht (nicht dargestellt) die Umlenkelemente eine Leitschaufelform aufweisen und die Strömung, die zwischen den Umlenkelementen sich befindet, beschleunigt.

[0024] Durch die Beschleunigung des Leckagedampfes erhöht sich die kinetische Energie und die Temperatur sinkt. Somit wird die Temperatur in der Entlastungsnut 17 verringert. In einer ersten Ausführungsform kann der umgelenkte Leckagedampf mit einem Mitteldruckfrischdampf, der durch den Mitteldruckeinströmbereich 12 strömt, vermischt werden. In weiteren Ausführungsformen weist die Strömungsmaschine 1 einen Diagonalring 33 auf, der als erste Leitschaufelstufe wirkt und den Mitteldruckfrischdampf direkt in den zweiten Strömungsbereich 14 umlenkt, ohne dass dabei ein Dampf zur Entlastungsnut 17 gelangt. In einer alternativen Ausführungsform kann eine sogenannte Drallkühlung in dem Diagonalring 33 berücksichtigt werden, die einen Dampf aus dem Mitteldruckeinströmbereich in die Entlastungsnut 17 strömt, wobei dieser Dampf durch die Drallkühlung abgekühlt ist. Der Diagonalring 33 weist hierzu mehrere Düsen auf, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Mitteldruckeinströmbereich 12 und der Entlastungsnut 17 darstellt.

[0025] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine (1), umfassend einen drehbar gelagerten Rotor (3) und ein um den Rotor (3) angeordnetes Gehäuse (2, 5),
wobei zwischen dem Rotor (3) und dem Gehäuse (2, 5) ein in eine erste Richtung (9) weisender erster Strömungskanal (10) und ein in einer zweiten Richtung (13) weisender zweiter Strömungskanal (14) angeordnet sind,
wobei zwischen dem ersten (10) und zweiten (14) Strömungskanal eine mehrere Spitzen (22, 23) umfassende Labyrinthdichtung (25) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Strömungsrichtung (13) gesehen nach einer letzten Spitze (27) eine Umlenkleiteinrichtung (26) angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass ein in axialer Richtung (24) in der Labyrinthdichtung (25) strömender Leckdampf zumindest teilweise in Umfangsrichtung (28) des Rotors (3) ablenkbar ist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
wobei die Umlenkleiteinrichtung (26) mehrere auf dem Umfang verteilte Umlenkelemente (29) aufweist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,
wobei die Umlenkelemente (29) gebogen ausgeführt sind.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 oder 3,
wobei die Umlenkelemente (29) zunächst in axialer Richtung (24) gerichtet ausgebildet sind und anschließend einen Bogen aufweisen, der in die Umfangsrichtung (28) zeigt.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei die Umlenkelemente (29) derart ausgebildet sind, dass eine Umlenkung um 90° erfolgt.

6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Umlenkelemente (29) profiliert ausgebildet sind.

7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6,
wobei Umlenkelemente (29) derart profiliert sind, dass eine Strömung umgelenkt und beschleunigt wird.

8. Strömungsmaschine nach Anspruch 7,
wobei die Umlenkelemente (29) eine Leitschaufelstufe bilden.

Zeichnung