Einströmungskontur für Einwellenanordnung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Einströmringkanal (3), der strömungstechnisch mit einem Einströmstutzen (9) verbunden ist, wobei der Einströmstutzen (9) derart ausgebildet ist, dass eine ankommende Strömung zunächst verlangsamt wird und anschließend beschleunigt und gleichzeitigt umgelenkt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse und ein zwischen dem Rotor und dem Gehäuse gebildeten Strömungskanal, weiter umfassend einen Einströmbereich, der einen Einströmstutzen aufweist und in einen Einströmringkanal mündet, wobei der Einströmringkanal im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt aufweist und strömungstechnisch mit dem Strömungskanal verbunden ist, wobei der Einströmringkanal um die Rotationsachse ausgebildet ist, wobei der Einströmstutzen einen Einström-Querschnitt aufweist, durch den im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung strömt.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anbindung eines Einströmstutzens an einen Einströmringkanal.

[0003] Strömungsmaschinen wie beispielsweise Dampfturbinen umfassen im Wesentlichen ein um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der Laufschaufeln umfasst sowie ein mit Leitschaufeln ausgebildetes Gehäuse, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungskanal gebildet ist, der die Leit- und Laufschaufeln umfasst. Eine thermische Energie des Dampfes wird in eine mechanische Energie des Rotors umgewandelt. Es sind verschiedene Teilturbinen bekannt, die beispielsweise in Hochdruck-, Mitteldruck- und/oder Niederdruck-Teilturbinen eingeteilt werden. Die Einteilung der Teilturbinen in einen Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckteil ist in der Fachwelt nicht einheitlich definiert. Die Einteilung hängt jedenfalls zwingend vom Druck und der Temperatur des einströmenden und ausströmenden Dampfes ab.

[0004] Des Weiteren sind Ausführungsformen bekannt, bei denen ein Hochdruckteil und ein Mitteldruckteil in einem gemeinsamen Außengehäuse angeordnet sind. Solche Ausführungsformen erfordern zwei Einströmbereiche, die dicht nebeneinander angeordnet sind. Dabei ist es aus rotordynamischen Aspekten erforderlich, dass die Hochdruck- und Mitteldruckeinströmung dicht aneinander liegen, da der axiale Raum begrenzt ist. Des Weiteren ist es kostengünstiger, wenn der Hochdruck- und der Mitteldruckeinströmbereich dicht nebeneinander angeordnet sind.

[0005] Des Weiteren ist es bekannt, den Dampf über Ventile dem Strömungskanal zuzuführen. Dabei strömt ein Dampf durch ein Schnellschluss- und ein Regelventil und anschließend in einen Einströmbereich und von dort in einen Ringkanal. Der Ringkanal ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse ausgebildet. Die Geschwindigkeiten des Dampfes im Ringkanal sollten möglichst gleichmäßig und gering sein. Bei Zweiventilanordnungen, das bedeutet ein Dampf strömt über zwei Ventile und somit über zwei Einströmbereiche in den Einströmkanal sind die Strömungsverhältnisse im Ringkanal anders als in Einventilanordnungen. Bei Einventilanordnungen strömt der Dampf über lediglich einen Einströmbereich in den Ringkanal. Bei Einventilanordnungen ist der Querschnitt des Ringkanals in der Regel größer als der Querschnitt des Ringkanals bei einer Zweiventilanordnung. Dies erfolgt im Wesentlichen deswegen, damit die Strömungsgeschwindigkeiten auf einem niedrigen Niveau gehalten werden.

[0006] Möglich wäre es den Ringkanal in radialer Richtung zu vergrößern, was allerdings innendruckgetriebene Spannungen im Innengehäuse erhöht. Andererseits würde eine Erhöhung der Wandstärke zu einer Spannungsreduktion führen, was wiederum auf eine Erhöhung der Temperatur-getriebenen Spannungen führen würde. Diese beiden Auslegungskonzepte gilt es zu optimieren.

[0007] Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Einströmbereich anzugeben, der zu verbesserten Strömungsverhältnissen führt.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse und ein zwischen dem Rotor und dem Gehäuse gebildeten Strömungskanal, weiter umfassend einen Einströmbereich, der einen Einströmstutzen aufweist und in einen Einströmringkanal mündet, wobei der Einströmringkanal im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt aufweist und strömungstechnisch mit dem Strömungskanal verbunden ist, wobei der Einströmringkanal um die Rotationsachse ausgebildet ist, wobei der Einströmstutzen einen Einström-Querschnitt aufweist durch den im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung strömt, wobei der Querschnitt in Strömungsrichtung sich auf einen Maximal-Querschnitt vergrößert und anschließend auf den Ringkanal-Querschnitt verkleinert.

[0009] Mit der Erfindung wird somit der Ansatz verfolgt, die Strömungsgeschwindigkeiten im Einströmbereich zu ändern, was durch eine Geometrieänderung des Einströmbereichs erfolgt. Im Wesentlichen wird dabei die Anbindung des Querschnitts zwischen dem Einströmstutzen und dem Ringkanal modifiziert, wobei der Querschnitt über den Ringkanal-Querschnitt hinaus vergrößert und nach der Verlangsamung der Strömung eine erneute Beschleunigung, allerdings in einer anderen Richtung erreicht wird.

[0010] In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben. So ist in einer vorteilhaften Weiterbildung das Verhältnis zwischen Maximal-Querschnitt A2 und Einström-Querschnitt A1 folgendermaßen:

[0011] Durch Optimierungsversuche und Strömungsmodelle konnte ermittelt werden, dass die vorgenannte Beziehung zu einer optimalen Strömung führt.

[0012] Des Weiteren sind in einer vorteilhaften Weiterbildung folgende Zusammenhänge dargestellt:


wobei A3 den Ringkanal-Querschnitt darstellt.

[0013] Auch hier wurde durch Modelle und Rechnungen eine optimale Einströmung mit den vorgenannten Werten ermittelt.

[0014] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale 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.

[0015] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wohl zu Erläuterungen dienlich, in schematischer und/oder leicht verzehrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0016] Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Querschnittsansicht eines Einströmbereichs

Figur 2

einen Schnitt B-B aus Figur 1

Figur 3

einen Schnitt A-A aus Figur 1

Figur 4

einen Schnitt A-A aus Figur 1 in einer alternativen Ausführungsform

Figur 5

einen Schnitt A-A aus Figur 1 in einer alternativen Ausführungsform

Figur 6

eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse gemäß dem Stand der Technik

Figur 7

eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse gemäß der Erfindung.

[0017] Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Einströmbereichs 1 einer Strömungsmaschine. Die Strömungsmaschine kann eine Dampfturbine sein. Die Dampfturbine ist in der Figur 1 nicht näher dargestellt. Im Wesentlichen umfasst die Dampfturbine einen drehbar gelagerten Rotor, der um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagert ist. Um den Rotor ist ein Gehäuse, zum Beispiel ein Innengehäuse angeordnet.

[0018] Um das Innengehäuse kann ein weiteres Gehäuse, zum Beispiel ein Außengehäuse angeordnet werden. Zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ist ein Strömungskanal (nicht dargestellt) ausgebildet. Der Rotor umfasst auf seiner Oberfläche mehrere Laufschaufeln. Das Innengehäuse weist auf seiner Innenoberfläche mehrere Leitschaufeln auf. Der Strömungskanal wird somit durch die Leit- und Laufschaufeln gebildet, wobei im Betrieb eine thermische Energie des Dampfes in eine Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird. Die Figur 1 zeigt nunmehr den Einströmbereich einer Dampfturbine, wobei der Strömungskanal in Rotationsachsenrichtung gerichtet ist. Der Einströmbereich 1 umfasst einen Einströmringkanal 3. Dieser ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 2 ausgebildet und weist eine äußere Begrenzung 4 auf. Diese äußere Begrenzung 4 ist zumindest ab der 6-Uhr-Position 5 bis zur 3-Uhr-Position 7 rotationssymmetrisch ausgebildet. Das bedeutet, dass ein Gehäuseradius 8 von der 6-Uhr-Position 6 bis zur 3-Uhr-Position 7 konstant ist.

[0019] Der Einströmbereich weist des Weiteren einen Einströmstutzen 9 auf. Der Einströmstutzen 9 ist im Wesentlichen eine röhrenförmige Verbindung, die eine nicht dargestellte Dampfleitung mit dem Einströmringkanal 3 verbindet. Der Einströmstutzen 9 hat eine individuelle geometrische Form. Diese Form wird nun näher beschrieben. Die Anfangskontur 10 bildet den Anschluss zu einer röhrenförmigen Dampfleitung (nicht dargestellt). Der Querschnitt der Anfangskontur 10 kann somit kreisförmig sein. Es sind aber auch andere geometrische röhrenförmige Konturen möglich. Diese Anfangskontur 10 umfasst eine untere Stutzenbegrenzung 11, die derart ausgebildet ist, dass diese in der 6-Uhr-Position 5 anschließt. Das heisst, dass die untere Stutzenbegrenzung 11 tangential zur Rotationsachse 2 zur äußeren Begrenzung 4 gerichtet ist. Dabei kann die untere Stutzenbegrenzung 11 durchaus so angeordnet sein, dass in der Nähe der Anfangskontur 10 diese unter der äußeren Begrenzung 4 an der 6-Uhr-Position 5 angeordnet ist. Die untere Stutzenbegrenzung 11 an der Anfangskontur 10 ist somit um einen Höhenabstand 12 niedriger als die äußere Begrenzung 4 in der 6-Uhr-Position 5.

[0020] Der Einströmstutzen 9 umfasst des Weiteren eine obere Stutzenbegrenzung 13. Die obere Stutzenbegrenzung 13 beginnt von der Anfangskontur 10 und beschreibt einen halbkreisförmigen Bogen nach oben zur 3-Uhr-Position 7. An der 3-Uhr-Position 7 schließt die obere Stutzenbegrenzung 13 tangential zur äußeren Begrenzung 4 an. Der Einströmstutzen 9 mündet somit in den Einströmringkanal 3. Der Einströmringkanal 3 weist im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt A3 auf (nicht näher dargestellt) und ist strömungstechnisch mit dem Strömungskanal (nicht dargestellt) verbunden. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist in der Figur 1 der Ringkanal-Querschnitt A3 in der 9-Uhr-Position 14, in der 12-Uhr-Position 15 und in der 3-Uhr-Position 7 eingezeichnet.

[0021] Der Einströmstutzen 9 weist bei der Anfangskontur 10 einen Einström-Querschnitt A1 auf. Der Einström-Querschnitt A1 kann kreisförmig oder auch eine ovale Form aufweisen. Im Betrieb strömt ein Strömungsmedium, insbesondere Dampf bei einer Dampfturbine als Ausführungsform der Strömungsmaschine in einer Strömungsrichtung 16 in den Einströmringkanal 3. Die Strömung des Dampfes in den Einströmringkanal ist komplex und wird später in der Figur 6 und Figur 7 näher beschrieben. Für das Verständnis der in Figur 1 gezeigten Kontur wird der Übersichtlichkeit wegen die Strömung durch eine Strömungslinie 17 dargestellt. Die Strömungslinie 17 soll im Wesentlichen die Bewegung des Strömungsmediums im Einströmringkanal darstellen. Die Strömung beginnt somit an der Anfangskontur 10 und wird ca. in der 5-Uhr-Position 18 in Anfangsrichtung umgelenkt. Entlang der Strömungslinie 17 weist der Einström-Querschnitt A1 einen bestimmten Wert auf und vergrößert sich auf einen Maximal-Querschnitt A2. Der Maximal-Querschnitt ist in der Figur 1 durch eine Linie gezeichnet, wobei die Linie auch einen Schnitt A-A darstellt, der in Figur 3, 4 und 5 näher beschrieben wird. Erfindungsgemäß wird somit der Querschnitt in Strömungsrichtung 16 auf einen Einström-Querschnitt A1 und anschließend auf den Ringkanal-Querschnitt A3 verkleinert. Dies führt dazu, dass die Strömung verlangsamt wird und erneut beschleunigt wird, allerdings in eine andere Richtung. Mit anderen Worten: die Strömungsgeschwindigkeit wird im Verlauf des Querschnittseinlasses zum Eintritt in den Ringkanal verlangsamt und anschließend wieder beschleunigt, wobei ein Anteil der Geschwindigkeit in tangentialer Richtung in eine Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung umgewandelt wird. Diese radiale Strömungsgeschwindigkeitskomponente versperrt der umlaufenden tangentialen Strömung den Weg und presst somit dem Dampf axial in den Strömungskanal. Dadurch werden Einströmverluste minimiert.

[0022] Hierbei gilt:

[0023] Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus Figur 1. Dabei zeigt die Linie 19 den Einström-Querschnitt A1 und die Linien 20, 21 und 22 drei verschiedene Ausführungsformen, die wie folgt beschreibbar sind. Die Linie 20 beschreibt eine Kontur bei der das Verhältnis A2/A1 = 1 ist. Die Linie 21 beschreibt eine Kontur, bei der das Verhältnis A2/A1 = 1,25 ist. Die Linie 22 beschreibt eine Kontur, bei der das Verhältnis A2/A1 = 1,55 ist.

[0024] Die Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A aus Figur 1. Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere Querschnitte auf, entlang der Schnittstelle A-A aus Figur 1 für verschiedene Verhältnisse. So zeigt Figur 3 das Verhältnis A2/A1 = 1,55. Die Figur 4 zeigt das Verhältnis A2/A1 = 1,25 und die Figur 5 zeigt das Verhältnis A2/A1 = 1.

[0025] Die Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse im Einströmbereich 1 bei einer verlustbehafteten Strömung. Im Ausschnitt 23 wird eine perspektivische Darstellung des Einströmstutzens des Einströmbereichs 1 gezeigt. Die Figur 6 zeigt hierbei eine Ausführungsform, bei der der Querschnitt nicht vergrößert wird in der Strömungsrichtung. In Figur 6 ist darüber hinaus gezeigt, dass die Strömung im Einströmbereich eine starke Umfangskomponente in einem kritischen Bereich 24 aufweist. Die Figur 7 zeigt hingegen eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Einströmstutzens 9. Der weitere Abschnitt 24 zeigt eine perspektivische Darstellung des Einströmstutzens 9 des Einströmbereichs 1. Es ist zu sehen, dass an einer Anfangskontur 10 der dortige Querschnitt A1 in Strömungsrichtung zu einem Maximal-Querschnitt A2 vergrößert wird und anschließend zu einem konstanten Ringkanal-Querschnitt A3 verkleinert wird. Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform zeigt eine Einventilanordnung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die Kontur einer möglichen zweiten Ventilführung 25 gezeigt.

[0026] 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 umfassend
einen um eine Rotationsachse (2) drehbar gelagerten Rotor, ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse und ein zwischen dem Rotor und dem Gehäuse gebildeten Strömungskanal,
weiter umfassend einen Einströmbereich (1), der einen Einströmstutzen (9) aufweist und in einen Einströmringkanal (3) mündet,
wobei der Einströmringkanal (3) im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt (A3) aufweist und strömungstechnisch mit dem Strömungskanal verbunden ist,
wobei der Einströmringkanal (3) um die Rotationsachse (2) ausgebildet ist,
wobei der Einströmstutzen (9) einen Einström-Querschnitt (A1) aufweist, durch den im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung strömt,
wobei der Querschnitt in Strömungsrichtung sich auf einen Maximal-Querschnitt (A2) vergrößert und anschließend auf den Ringkanal-Querschnitt (A3) verkleinert.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
wobei der Einströmringkanal (3) im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse (2) ausgebildet ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Strömungsrichtung (16) im Bereich des Einströmstutzens (9) im Wesentlichen tangential zum Einströmungsringkanal (3) ausgebildet ist.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei gilt:

5. Strömungsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei gilt:

6. Verfahren zur Anbindung eines Einströmstutzen (9) an einen Einströmringkanal (3),
wobei der Querschnitt des Einströmstutzens (A1) über den Einströmringkanal-Querschnitt (A3) hinaus vergrößert wird und anschließend der Querschnitt des Einströmstutzen (A1) verkleinert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei eine Strömung eines Strömungsmediums im Einströmstutzen (9) zunächst beschleunigt wird und anschließend verlangsamt und in eine andere Richtung abgelenkt wird.

Zeichnung