Turbine mit einer Sekundärgaszuführung

Abstract

 Eine Turbine (10) mit einem Gehäuse (24), in dem im Betrieb der Turbine (10) ein Primärgasstrom (26) im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse (14) der Turbine (10) geleitet werden kann, und einer Sekundärgaszuführung (30), mit der ein Sekundärgasstrom (28) im Wesentlichen quer zur Längsachse (14) in den Primärgasstrom (26) eingeleitet werden kann, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (26) ein Mittel (32) zum Verwirbeln des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (26) hinein vorgesehen ist. Ferner ist eine derartige Turbine (10) dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (26) ein Mittel (32) zum Lenken des Sekundärgasstroms (28) in die Strömungsrichtung des Primärgasstroms (26) vorgesehen ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Turbinengehäuse, in dem im Betrieb der Turbine ein Primärgasstrom im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse der Turbine geleitet werden kann, und einer Sekundärgaszuführung, mit der ein Sekundärgasstrom im Wesentlichen quer zur Längsachse in den Primärgasstrom eingeleitet werden kann. Im Rahmen dieser Unterlagen soll dabei unter "Gas" auch Dampf in einer ein- oder mehrphasigen Zusammensetzung verstanden werden.

[0002] Bei Turbinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, ist es üblich, einem Haupt- bzw. Primärgasstrom weitere Gasströme, so genannte Sekundärgasströme, zuzuführen. Beispiele für solche Sekundärgasströme sind Sekundärluft, Zudampf, Leckdampf und Dampf, der zur Kühlung der Turbinenkomponenten zugeführt wird. Typischerweise ist der Sekundärgasmassenstrom kleiner als 10% des Hauptgasmassenstroms.

[0003] So wird beispielsweise an Dampfturbinen teilentspannter Dampf aus dem Gehäuse der Turbine entnommen (z.B. nach einer Mitteldruckstufe), der dann entlang des heißen Gehäuses geleitet wird, um Dichtungsleckmassenströme aufzunehmen. Der entnommene Dampf, der beispielsweise eine Temperatur von ca. 200° C hat, kühlt ferner weitere Bauteile der Turbine und erwärmt sich dabei auf eine Temperatur von ca. 400° C. Um diesen exergetisch hochwertigen Dampf thermodynamisch nutzen zu können, wird er der Turbine beispielsweise an einer in Strömungsrichtung weiter hinten angeordneten Mitteldruckstufe wieder zugeleitet.

[0004] Ein derart eingeleiteter Sekundärgasstrom darf im Wesentlichen keine zusätzlichen Druckverluste des Hauptgasstroms verursachen. Ferner darf sich beim Einleiten des Sekundärgasstroms keine Heißdampfschicht über den angrenzenden Bauteilen, wie z.B. Gehäuse und Schaufeln der Turbine bilden. Fälle, in denen der Sekundärgasstrom wesentlich heißer ist als der Hauptgasstrom und auch nur zeitweise Sekundärgas eingedüst wird, stellen hierbei eine besondere Herausforderung an die Konstruktion der Turbine dar.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine mit einem Turbinengehäuse der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die oben genannten Schwierigkeiten überwunden und insbesondere Gefahren einer Heißgasschichtung an angrenzenden Bauteilen von Sekundärgaszuführungen vermieden sind.

[0006] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Turbine gelöst, bei der im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms in den Primärgasstrom ein Mittel zum Verwirbeln des Sekundärgasstroms in den Primärgasstrom hinein vorgesehen ist. Ferner ist die Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Turbine gelöst, bei der im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms in den Primärgasstrom ein Mittel zum Lenken des Sekundärgasstroms in die Strömungsrichtung des Primärgasstroms vorgesehen ist.

[0007] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Vermeidung der oben genannten Probleme im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms in den Primärgasstrom hinein eine homogene Mischung der Teilströme bei minimalem Druckverlust und zugleich kurzer Mischstrecke geschaffen werden muss. Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein Mittel vorgesehen, mittels dem eine Verwirbelung des Sekundärgasstroms in den Primärgasstrom hinein und damit eine Mischung von Primär- und Sekundärgas unter Vermeidung von Heißgasschichten erzielt wird. Die derartige Vermischung der Gasströme führt zu einer Verringerung der Gefahr von Schichtströmungen und einer schnellen Verteilung des mit dem Sekundärgas zugeführten Energiestroms. Die Bauteile in unmittelbarer Nähe der Einleitung des Sekundärgasstroms erfahren daher erfindungsgemäß keine erhöhte Temperaturbelastung und können demnach für eine vergleichsweise geringe Temperaturbelastung ausgelegt werden. Eine Überdimensionierung der Bauteile allein für den Fall eines Zuführens von besonders heißem Sekundärgas kann so vermieden werden.

[0008] Darüber hinaus wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Sekundärgasstrom mit einer strömungsgünstigen Eindüsungsgeometrie in den Primärgasstrom eingeleitet und gezielt in die Richtung der Strömung des Primärgasstroms umgelenkt wird. Die derartige Einleitung des Sekundärgases führt zur Verringerung von Druckverlusten und fördert ferner eine gute Durchmischung mit dem Hauptgasstrom.

[0009] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbine ist das Mittel zum Verwirbeln und/oder Lenken des Sekundärgasstroms mit einer im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms am Gehäuse angeordneten Strömungsfläche gebildet, deren von Sekundärgasstrom überströmte Strömungskante zumindest abschnittsweise wellenförmig gestaltet ist. Mit einer derartigen wellenförmigen Strömungskante wird der Sekundärgasstrom in verschiedenen Abschnitten des Strömungsweges mit unterschiedlichen Druckgefällen in den Primärgasstrom eingeleitet, wodurch ein starkes Wirbelfeld erzeugt wird, welches die Teilströme aufgrund der entstehenden Querkomponenten intensiv vermischt.

[0010] Eine besonders starke Vermischung der Teilströme kann ferner vorteilhaft mit einer Strömungsfläche als Mittel zum Verwirbeln und/oder Lenken geschaffen werden, deren vom Sekundärgasstrom überströmte Strömungskante zumindest abschnittsweise in Zick-Zack-Form gestaltet ist. Die sich an der Zick-Zack-Form im Bereich von Spitzen stark verengenden Strömungswege führen zu einer besonders starken Wirbelbildung und zu einer entsprechend gesteigerten Vermischung der genannten Teilströme.

[0011] Alternativ oder zusätzlich zu den genannten Formen von erfindungsgemäß weitergebildeten Strömungskanten kann vorteilhaft auch mit einer zumindest abschnittsweise stufenförmig gestalteten Strömungskante gearbeitet werden.

[0012] Die insbesondere nicht geradlinige Strömungskante der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung des Sekundärgasstroms kann dabei vorteilhaft zumindest abschnittsweise in einer Ebene ausgebildet sein, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung der Turbine erstreckt. Mit einer derartigen Strömungskante wird in axialer Richtung in den Primärgasstrom verschieden viel Sekundärgas eingedüst, wodurch die genannte Verwirbelung gefördert wird. Zugleich kann die Wandung des Gehäuses der derart gestalteten erfindungsgemäßen Turbine in radialer Richtung im Wesentlichen glatt gestaltet sein.

[0013] Alternativ kann die Strömungskante zumindest abschnittsweise in einer Ebene ausgebildet sein, welche sich im Wesentlichen in radialer Richtung der Turbine erstreckt. Eine solche Gestalt einer Strömungskante ist insbesondere an einem Mittel zum Lenken des Sekundärgasstroms vorteilhaft, welches zu einer sehr starken Umlenkung hin zur Primärgasströmung und damit parallel zur Längsachse der Turbine beiträgt.

[0014] Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Lösung wird dadurch erzielt, dass das Mittel zum Verwirbeln und/oder Lenken mit einer im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms am Gehäuse angeordneten Strömungsfläche gebildet ist, welche in den Primär- und/oder Sekundärgasstrom hinein und heraus bewegbar ist. Eine solche Strömungsfläche kann beispielsweise während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Turbine ohne Sekundärgaszufuhr strömungsgünstig in Richtung der Primärgasströmung ausgerichtet werden, während sie zum Eindüsen des Sekundärgasstroms in den Primärgasstrom hineinbewegt und dort zu einer Verwirbelung und Durchmischung der beiden Teilströme führt. Für das Bewegen der Strömungsfläche können Temperaturkennlinien vorgegeben werden, derart, dass immer nur soviel Durchmischung der Teilströme erzielt wird, wie es temperaturtechnisch erforderlich ist. Strömungsverluste können auf diese Weise besonders minimiert werden.

[0015] Die erfindungsgemäß bewegbare Strömungsfläche kann konstruktiv besonders wirkungsvoll und zugleich vergleichsweise kostengünstig mit einer am Gehäuse flexibel angelenkten Lasche oder einer am Gehäuse schwenkbar angelenkten Klappe gestaltet werden.

[0016] Zum Bewegen der Strömungsfläche ist es besonders vorteilhaft, wenn diese mittels eines Bimetall-Elements bewegbar ist. Mit einem solchen Bimetall-Element können die oben genannten Temperaturkennlinien abgebildet werden, ohne dass dazu ein besonderer Steuerungsaufwand mit fremdbetätigter Aktuatorik erforderlich wäre.

[0017] Darüber hinaus kann vorteilhaft zum Bewegen der Strömungsfläche ein Formgedächtnismetall verwendet werden, welches bei einem Erreichen einer vorbestimmten Kristallisationstemperatur seine Metallstruktur ändert und dadurch eine vordefinierte Form annimmt. Diese Form bestimmt dann die veränderte Lage der erfindungsgemäßen Strömungsfläche.

[0018] Zusammenfassend ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Lösung eine Verringerung der Strömungsverluste beim Betrieb einer Turbine mit und ohne Sekundärgaszuführung, wodurch insgesamt ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Die Erfindung stellt eine (insbesondere nicht allein konvektive) Durchmischung von Primärgas und Sekundärgas sicher. Damit ergibt sich an angrenzenden Bauteilen ein ausgeglichenes Temperaturprofil und die Belastung dieser Bauteile wird gleichmäßiger. Die erfindungsgemäß erzielten kurzen Mischungswege führen zur Minimierung von Druckverlusten und insgesamt zu einer Verbesserung der Betriebssicherheit. Zugleich kann die erfindungsgemäße Lösung kostengünstig und mit geringem baulichen Änderungsaufwand realisiert werden. Mit den oben genannten Weiterbildungen kann die Lösung an vielfältige Anwendungsfälle und Umgebungssituationen angepasst werden.

[0019] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbine,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Darstellung gemäß Fig. 1 bei einer ersten Stellung eines an der Turbine vorgesehenen Mittels zum Verwirbeln und Lenken des Sekundärgasstroms,

Fig. 3 die Ansicht gemäß Fig. 2 bei einer zweiten Stellung des Mittels zum Verwirbeln und Lenken des Sekundärgasstroms,

Fig. 4a die Teilansicht IV in Fig. 3 bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Mittels zum Verwirbeln und Lenken des Sekundärgasstroms,

Fig. 4b die Teilansicht IV-IV gemäß Fig. 3 bei einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Mittels zum Verwirbeln und Lenken des Sekundärgasstroms und

Fig. 4c die Teilansicht IV-IV gemäß Fig. 3 bei einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Mittels zum Verwirbeln und Lenken des Sekundärgasstroms.

[0020] In Fig. 1 ist eine Turbine 10 in Gestalt einer Dampfturbine im Längsschnitt teilweise veranschaulicht. Die Turbine 10 weist eine Welle 12 auf, die im Betrieb der Turbine 10 um eine Längsachse 14 rotiert. An der Welle 12 sind sich im Wesentlichen radial erstreckende Laufschaufeln 16 angebracht, von denen eine von einer ersten Mitteldruckstufe oder Niederdruckstufe 18 und eine zweite von einer zweiten Mitteldruckstufe oder Niederdruckstufe 20 dargestellt sind.

[0021] Den Laufschaufeln 16 sind jeweils Leitschaufeln 22 zugeordnet, welche sich ebenfalls im Wesentlichen radial erstrecken und an einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse 24 der Turbine 10 angebracht sind.

[0022] Durch das Gehäuse 24 wird im Betrieb der Turbine 10 ein Primärgasstrom bzw. Primärdampfstrom 26 hindurchgeleitet, welcher auch als Hauptdampfstrom bezeichnet werden kann. Der Primärgasstrom 26 strömt dabei im Wesentlichen entlang der Welle 12 in Richtung der Längsachse 14 der Turbine 10.

[0023] Quer zu dieser Primärgasströmung wird an der Turbine 10 zwischen den Mitteldruckstufen oder Niederdruckstufen 18 und 20 ein Sekundärgasstrom 28 zugeleitet, der durch eine Sekundärgaszuführung 30 von außen an die Wandung des Gehäuses 24 zugeführt wird.

[0024] Im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms 28 in den Primärgasstrom 26 ist ein Mittel 32 zum Verwirbeln und Lenken des Sekundärgasstroms 28 bei seinem Eintritt in den Primärstrom 26 vorgesehen. Das Mittel 32 lenkt dabei insbesondere den Sekundärgasstrom 28 in die Strömungsrichtung des Primärgasstroms 26 um, so dass im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms 28 besonders geringe Druckverluste entstehen. Ferner führt das Mittel 32 zu einer Verwirbelung des Sekundärgasstroms 28 im Eintrittsbereich und damit zu einer starken Vermischung der Teilströme. Diese starke Vermischung bewirkt, dass der vergleichsweise heiße Sekundärgasstrom 28 verhältnismäßig schnell im Primärgasstrom 26 verteilt und dadurch eine erhöhte Temperaturbelastung der umliegenden Bauteile vermieden wird.

[0025] Wie insbesondere in den Figuren 2, 3 und 4a bis 4c veranschaulicht ist, weist das Mittel 32 dazu insbesondere eine Strömungsfläche auf, welche teilweise vom Sekundärgasstrom 28 überströmt wird. Die Strömungsfläche ist bei den in den Figuren 4a bis 4c veranschaulichten verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils mit einer Art Klappe 34 gestaltet, welche an dem Gehäuse 24 angelenkt ist. Alternativ zu dieser Klappe 34 können auch Zungen, Laschen oder so genannte Chevrons vorgesehen sein.

[0026] Die Klappen 34 weisen jeweils an ihrem zum Sekundärgasstrom 28 bzw. Primärgasstrom 26 gewandten Randbereich eine Strömungskante 36 auf, welche bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a wellenförmig gestaltet ist. Mit einer solchen Wellenform wird sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung an der Klappe 34 abschnittsweise verschieden viel Sekundärgas in den Primärgasstrom 26 eingeleitet, wodurch es zu einer verstärkten Verwirbelung der Teilströme kommt.

[0027] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4b ist die Strömungskante 36 Zick-Zack-förmig gestaltet. Mit dieser vergleichsweise spitz ausgeformten Zick-Zack-Form wird eine besonders starke Verwirbelung erzielt.

[0028] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4c ist die Strömungskante 36 schließlich stufenförmig ausgebildet, wobei die einzelnen Stufen zusätzlich jeweils mit geneigten Flanken ausgestaltet sind. Mit den geneigten Flanken wird insbesondere eine Umlenkung des Sekundärgasstroms 28 in Umfangsrichtung bzw. eine Art Drall innerhalb des Primärgasstroms 26 erzeugt.

[0029] Bezugszeichenliste

10

Turbine

12

Welle

14

Längsachse

16

Laufschaufel

18

erste Mitteldruckstufe oder Niederdruckstufe

20

zweite Mitteldruckstufe oder Niederdruckstufe

22

Leitschaufeln

24

Gehäuse

26

Primärgasstrom

28

Sekundärgasstrom

30

Sekundärgaszuführung

32

Mittel zum Verwirbeln und Lenken

34

Klappe bzw. Zungen, Laschen, Chevron

36

Strömungskante

Ansprüche

1. Turbine (10) mit einem Gehäuse (24), in dem im Betrieb der Turbine (10) ein Primärgasstrom (26) im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse (14) der Turbine (10) geleitet werden kann und einer Sekundärgaszuführung (30) mit der ein Sekundärgasstrom (28) im Wesentlichen quer zur Längsachse (14) in den Primärgasstrom (26) eingeleitet werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (20) ein Mittel (32) zum Verwirbeln des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (26) hinein vorgesehen ist.

2. Turbine (10), insbesondere nach Anspruch 1, mit einem Gehäuse (24), in dem im Betrieb der Turbine (10) ein Primärgasstrom (26) im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse (14) der Turbine (10) geleitet werden kann und einer Sekundärgaszuführung (30), mit der ein Sekundärgasstrom (28) im Wesentlichen quer zur Längsachse (14) in den Primärgasstrom (26) eingeleitet werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (26) ein Mittel (32) zum Lenken des Sekundärgasstroms (28) in die Strömungsrichtung des Primärgasstroms (26) vorgesehen ist.

3. Turbine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (32) zum Verwirbeln und/oder Lenken mit einer im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) am Gehäuse (24) angeordneten Strömungsfläche (34) gebildet ist, deren vom Sekundärgasstrom (28) überströmte Strömungskante (36) zumindest abschnittsweise wellenförmig gestaltet ist.

4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (32) zum Verwirbeln und/oder Lenken mit einer im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) am Gehäuse (24) angeordneten Strömungsfläche (34) gebildet ist, deren vom Sekundärgasstrom (28) überströmte Strömungskante (36) zumindest abschnittsweise in Zick-Zack-Form gestaltet ist.

5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (32) zum Verwirbeln und/oder Lenken mit einer im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) am Gehäuse (24) angeordneten Strömungsfläche (34) gebildet ist, deren vom Sekundärgasstrom (28) überströmte Strömungskante (36) zumindest abschnittsweise stufenförmig gestaltet ist.

6. Turbine nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungskante (36) zumindest abschnittsweise in einer Ebene ausgebildet ist, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung der Turbine (10) erstreckt.

7. Turbine nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungskante (36) zumindest abschnittsweise in einer Ebene ausgebildet ist, welche sich im Wesentlichen in radialer Richtung der Turbine (10) erstreckt.

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (32) zum Verwirbeln und/oder Lenken mit einer im Bereich der Einleitung des Sekundärgasstroms (28) am Gehäuse (24) angeordneten Strömungsfläche (34) gebildet ist, welche in den Primär- und/oder Sekundärgasstrom (26, 28) bewegbar ist.

9. Turbine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsfläche (34) zumindest abschnittsweise mit mindestens einer am Gehäuse flexibel angelenkten Lasche (34) gebildet ist.

10. Turbine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsfläche (34) zumindest abschnittsweise mit mindestens einer am Gehäuse (24) schwenkbar angelenkten Klappe (34) gebildet ist.

11. Turbine nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsfläche (34) mittels eines Bimetall-Elements bewegbar ist.

12. Turbine nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsfläche (34) mittels eines Formgedächtnismetall-Elements bewegbar ist.

13. Turbine nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der bewegbaren Strömungsfläche (34) ein zum Einleiten des Sekundärgasstroms (28) in den Primärgasstrom (26) vorgesehener Strömungskanal wahlweise vollständig verschließbar ist.

Zeichnung