Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen

Abstract

 Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, dessen in einer Ventilführung verschiebbarer Ventilkörper einem Ventilsitz zugeordnet Ist, wobei der Ventilsitz im Bereich eines konvergenten Kanalteils (6) des Ventilgehäuses (1) liegt, an welchen sich der divergente Kanalteil eines Diffusors (5) anschliesst. Eine Minimierung der den Ventilkörper zu Schwingungen anregenden Wechselkräfte und eine Stabilisierung der Strömung an der Diffusorwand wird dadurch erreicht, dass der konvergente Kanalteil (6) die Kontur eines Kreiskegelstumpfes aufweist und mit einer Krümmung (10) in den divergenten Kanalteil des Diffusors (5) oder in einen dem Diffusor vorgeschalteten zylindrischen Kanalteil übergeht. Der Kegelwinkel (2α) des Kreiskegelstumpfes darf dabei aber höchstens 65° betragen. Vorzugsweise werden Kegelwinkel (2a) gewählt, die 60° oder weniger betragen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Derartige Stellventile, die beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift 41 (1967), Beiheft "Dampfturbinen großer Leistung", Seiten 75 und 76, bekannt sind, sollen einerseits durch Verändern der Hubstellung des Ventilkörpers eine gewünschte Drosselcharakteristik gewährleisten und andererseits in voll geöffnetem, d. h. in ausgesteuertem Zustand möglichst geringe Gefälleverluste verursachen. Darüber hinaus sollen im Hinblick auf Grenzen der Baumaße und der Leistung der zugehörigen Stellantriebe die Verstellkräfte klein gehalten werden. Bei den im Dampfturbinenbau zumeist verwendeten Einsitzventilen werden die Verstellkräfte durch die Wahl eines relativ geringen Durchmessers des Ventilkörpers vermindert. Im engsten Querschnitt hinter dem Ventilsitz ergeben sich damit schon im voll geöffneten Zustand des Stellventils hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Um die Gefälleverluste in der nachfolgenden Rohrleitung klein zu halten, wird dann die Strömungsgeschwindigkeit in dem hinter dem Ventilsitz angeordneten Diffusor verlustarm verlangsamt. Bei diesem Querschnittsverlauf des Stellventils, der als konvergent-divergenter Kanal aufgefaßt werden kann, ergeben sich tiefste Drucke in dem engsten Querschnitt gefolgt von einem Druckanstieg längs des Diffusors.

[0003] Wird zu Steuerungszwecken die Strömung gedrosselt und der Ventilkörper hierzu in Richtung des Ventilsitzes verschoben, so kommt es im Diffusor in mit der Schließbewegung des Ventilkörpers zunehmendem Maße zu Strömungsablösungen. Die Übergeschwindigkeiten der Strömung werden dabei durch Verwirbeln verlangsamt. Bei stärkerer Drosselung werden zunehmend Überschallgeschwindigkeiten der Strömung hinter dem Ventilsitz erzeugt, welche durch Verdichtungsstöße abgebaut werden. Beide Formen der Strömungsverlangsamung bzw. Verlusterzeugung durch Verwirbeln oder durch Verdichtungsstöße bewirken jedoch einen stark instationären Strömungsverlauf mit ausgeprägter Grobturbulenz, mit Pulsieren und mit Hin- und Herschwanken der hinter dem Ventilsitz zunächst als Freistrahl verlaufenden Strömung. Die hierdurch erzeugten Druckschwankungen wirken dann als unerwünschte Schwingungsanregung auf den Ventilkörper.

[0004] Besonders starke Schwankungen können auch schon bei relativ schwacher Drosselung auftreten. Es ist für eine Diffusorströmung charakteristisch, daß der Beginn der Strömungsablösung instationär verläuft, da es zwischen noch anliegender und schon abgelöster Strömung zu stochastischem Wechsel kommt. Die hierdurch ausgelösten Zusammenbrüche des Druckanstieges im Diffusor und die davon ausgehenden starken Druckstöße wirken ebenfalls als Schwingungsanregungen auf den Ventilkörper.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil zu schaffen, bei welchem die den Ventilkörper zu Schwingungen anregenden Wechselkräfte minimiert werden.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0007] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Stabilisierung der Strömung an der Diffusorwand dann erreicht werden kann, wenn die Beschleunigung der Strömung an der Drosselstelle zwischen Ventilkörper und Ventilsitz dominierend in axialer Richtung wirkt und die Radialkomponente der Beschleunigung möglichst klein bleibt. Es wurde ferner herausgefunden, daß eine derartige Beeinflussung der Beschleunigung im Sinne einer großen Axialkomponente und einer geringen Radialkomponente dadurch realisiert werden kann, daß der konvergente Kanalteil die Kontur eines Kreiskegelstumpfes aufweist und ohne scharfe Kante, sondern mit einer Krümmung in den daran anschließenden Kanalteil übergeht. Bei einem derartigen Querschnittsverlauf des konvergenten Kanalteils tritt der gewünschte Effekt, d. h. eine merkliche Stabilisierung der Strömung aber erst dann ein, wenn der Kegelwinkel des Kreiskegelstumpfes 65⁰ oder weniger beträgt. Vorzugsweise werden jedoch Kegelwinkel von 60° oder weniger gewählt, wodurch eine besonders effiziente Stabilisierung der Strömung erzielt wird.

[0008] Die strömungstechnisch günstige Formgebung des erfindungsgemäßen Stellventils kann dadurch noch weiter verbessert werden, daß im Einlaufbereich des konvergenten Kanalteils die Innenwandung des Ventilgehäuses stufen- und kantenlos in die kreiskegelstumpfförmige Kontur übergeht. Eine Stetigkeit des Übergangs im mathematischen Sinne ist dabei jedoch nicht erforderlich.

[0009] Wie bereits erwähnt wurde, ist es für die erwünschte Stabilisierung der Strömung erforderlich, daß der kreiskegelstumpfförmige konvergente Kanalteil mit einer Krümmung in den daran anschließenden Kanalteil übergeht. Dabei ist bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß der konvergente Kanalteil mit der Krümmung unmittelbar in den divergenten Kanalteil des Diffusors übergeht. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführung ist es aber auch möglich, daß der konvergente Kanalteil mit der Krümmung in einen zylindrischen Kanalteil übergeht, an welchen sich der divergente Kanalteil des Diffusors anschließt. Der zylindrische Kanalteil wirkt dabei auf die Strömung als zusätzliche Beruhigungszone und vergrößert außerdem den Abstand zwischen dem in Bezug auf Instabilitäten besonders kritischen Diffusor und dem Ventilkörper.

[0010] Im folgenden sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch das Ventilgehäuse eines Stellventils für Dampfturbinen,

Fig. 2 in größer gewähltem Maßstab einen Ausschnitt aus der Fig. 1 mit dem Querschnittsverlauf im Bereich des Ventilsitzes und des hinter dem Ventilsitz liegenden Kanals und

Fig. 3 eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Querschnittsverlaufs.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Ventilgehäuses 1 eines Stellventils. Die durch Pfeile S angedeutete Dampfströmung tritt durch einen seitlichen Eintrittsstutzen 2 in das Ventilgehäüse ein, durchströmt einen zwischen der Kegellippe 31 eines Ventilkörpers 3 und einem Ventilsitz 4 gebildeten Ringquerschnitt und tritt dann nach unten aus dem Ventilgehäuse 1 aus, wobei der Austrittsbereich als Diffusor 5 ausgebildet ist.

[0011] Der Querschnittsverlauf des Stellventils kann dabei als konvergent-divergenter Kanal aufgefaßt werden, wobei der Ventilsitz 4 in dem konvergenten Kanalteil 6 vor dem engsten Querschnitt f liegt und wobei der divergente Kanalteil durch den Diffusor 5 gebildet wird. Dabei ist die Kontur des konvergent-divergenten Kanals im Bereich des Ventilsitzes 4, des engsten Querschnittes f und des Anfangsbereichs des divergenten Kanalteils bzw. Diffusors 5 durch eine aus verschleißfestem Material bestehende und in das Ventilgehäuse 1 eingesetzte Ventilsitzbuchse 7 gebildet.

[0012] Der Ventilkörper 3 ist als Kolben ausgebildet, und innerhalb einer als Zylinder ausgebildeten und im Ventilgehäuse 1 fest angeordneten Ventilführung 8 in axialer Richtung geführt. Die Hubstellung des Ventilkörpers 3, welche die Drosselung der Dampfströmung S bestimmt, wird dabei in Richtung der Längsachse L des Ventilgehäuses 1 über eine formschlüssig mit dem Ventilkörper 3 verbundene Ventilspindel 9 von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Stellantrieb eingestellt.

[0013] Um nun die den Ventilkörper 3 zu Schwingungen anregenden Wechselkräfte zu minimieren, ist ein in dem Ausschnitt der Fig. 2 im Detail dargestellter Querschnittsverlauf des konvergent-divergenten Kanals vorgesehen. Der konvergente Kanalteil 6 weist dabei die Kontur eines Kreiskegelstumpfes auf, welcher durch die strichpunktierte Kegelmantellinie KM und den Kegelwinkel 2a definiert ist. Dieser Kegelwinkel 2a beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 60⁰. Stromaufwärts geht die kreiskegelstumpfförmige Kontur des konvergenten Kanalteils 6 ohne Stufen oder Kanten in die Innenwandung des Ventilgehäuses 1 über, während sie stromabwärts mit einer Krümmung 10 in den divergenten Kanalteil des Diffusors 5 übergeht.

[0014] Fig. 3 zeigt eine Variante im Querschnittsverlauf des konvergent-divergenten Kanals. Hier geht die kreiskegelstumpfförmige Kontur des konvergenten Kanalteils 6 mit einer Krümmung 10' in einen zylindrischen Kanalteil 11 über, an welchen sich dann der divergente Kanalteil eines Diffusors 5' direkt, d. h. ohne weitere Krümmung anschließt. Die Ventilsitzbuchse, welche die Kontur des zylindrischen Kanalteils bildet, ist bei dieser Variante mit 7' bezeichnet.

[0015] Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnittsverlauf und bei dem in Fig. 3 dargestellten Querschnittsverlauf wird erreicht, daß die Beschleunigung der Dampfströmung S an der Drosselstelle zwischen der Kegellippe 31 und dem Ventilsitz 4 dominierend in Richtung der Längsachse L wirkt, während die Radialkomponente der Beschleunigung normal zur Längsachse L äußerst klein bleibt. Hierdurch wird die Dampfströmung S an der Wandung des Diffusors 5 bzw. an der Wandung des Diffusors 5' stabilisiert. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Querschnittsverlauf wirkt der zylindrische Kanalteil 11 noch als zusätzliche Beruhigungszone.

Ansprüche

1. Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, dessen in einer Ventilführung verschiebbarer Ventilkörper einem Ventilsitz zugeordnet ist, wobei der Ventilsitz im Bereich eines konvergenten Kanalteils des Ventilgehäuses liegt, an welchen sich der divergente Kanalteil eines Diffusors anschließt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der konvergente Kanalteil (6) weist die Kontur eines Kreiskegelstumpfes auf;

b) der Kegelwinkel (2a) des Kreiskegelstumpfes beträgt höchstens 65°;

c) der konvergente Kanalteil (6) geht mit einer Krümmung (10; 11) in den daran anschließenden Kanalteil über.

2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaufbereich des konvergenten Kanalteils (6) die Innenwandung des Ventilgehäuses (1) stufen- und kantenlos in die kreiskegelstumpfförmige Kontur übergeht.

3. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (2a) des Kreiskegelstumpfes höchstens 60° beträgt.

4. Stellventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der konvergente Kanalteil (6) mit der Krümmung (10) unmittelbar in den divergenten Kanalteil des Diffusors (5) übergeht.

5. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a - durch gekennzeichnet, daß der konvergente Kanalteil (6) mit der Krümmung (10') in einen zylindrischen Kanalteil (11) übergeht, an welchen sich der divergente Kanalteil des Diffusors (5') anschließt.

Zeichnung