AUSGANGÖFFNUNG EINER DAMPFTURBINE

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) für eine Dampfturbine, wobei über eine Leitschaufel (6) eine Strömung induziert wird, wodurch die Strömungsverhältnisse geändert werden und Strömungsinstabilitäten verringert werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer letzten Stufe einer Dampfturbine, wobei die Laufschaufeln durch einen Leitschaufelträger umgeben sind, wobei im Leitschaufelträger eine Zuführleitung ausgebildet ist, durch die im Betrieb ein Medium strömt.

[0002] Dampfturbinen umfassen im Wesentlichen einen drehbar gelagerten Rotor, der mit sogenannten Laufschaufeln bestückt ist. Um diesen drehbar gelagerten Rotor ist ein Innengehäuse mit sogenannten Leitschaufeln angeordnet, wobei die Leit- und Laufschaufeln derart angeordnet sind, dass dadurch ein Strömungskanal entsteht. In der Regel wird um das Innengehäuse ein Außengehäuse angeordnet. Das Innengehäuse kann auch als Leitschaufelträger ausgebildet sein.

[0003] Thermische Energie eines Dampfes wird in der Dampfturbine in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Der Druck und die Temperatur des Dampfes werden hierbei verringert. Aus thermodynamischen Gründen werden Dampfturbinen in der Regel zumindest in Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbinen eingeteilt. Die vorgenannten Teilturbinen unterscheiden sich dadurch, dass der einströmende Dampf jeweils unterschiedliche Temperaturen und Drücke aufweist. Eine Hochdruck-Teilturbine ist dadurch charakterisiert, dass diese einen Frischdampf direkt vom Dampferzeuger erhält, wohingegen eine Mitteldruck-Teilturbine dadurch charakterisiert ist, dass diese den Abdampf der Hochdruck-Teilturbine erhält, der in einem Dampferzeuger eine Zwischenüberhitzung erfährt, wobei der Dampf dadurch auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Die Niederdruck-Teilturbine zeichnet sich dadurch aus, dass diese strömungstechnisch unmittelbar mit der Mitteldruck-Teilturbine verbunden ist. Da die Temperaturen und Drücke des Dampfes in der Niederdruck-Teilturbine vergleichweise gering sind, weist die Niederdruck-Teilturbine vergleichsweise groß dimensionierte Bauteile, wie z. B. Leitschaufelträger und Rotorschaufeln auf.

[0004] In der Regel wird die Dampfturbine bei einer vorgegebenen möglichst konstanten Last betrieben. Die Strömungsverhältnisse sind bei diesen Bedingungen vergleichsweise konstant. Beim Anfahren oder Abfahren einer Dampfturbine können Strömungsverhältnisse auftreten, die problematisch sind. Ebenso bei einem Betrieb der Dampfturbine mit geringen Lasten können Strömungsverhältnisse auftreten, die problematisch sind. So können insbesondere in einer Niederdruck-Teilturbine die Strömungsbedingungen derart sein, dass es zu Strömungsabriss-Phänomenen kommt, was zu Schwingungen führen kann. Dies führt zu Instabilitäten, die unerwünscht sind.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu überwinden.

[0006] Gelöst wird dies durch eine Anordnung einer letzten Stufe einer Dampfturbine, wobei die Laufschaufeln durch einen Leitschaufelträger umgeben sind, wobei im Leitschaufelträger eine Zuführleitung ausgebildet ist, durch die im Betrieb ein Medium strömt, wobei die Zuführleitung in eine Leitschaufel mündet und die Leitschaufel eine Ausgangsöffnung aufweist, die strömungstechnisch mit der Zuführleitung verbunden ist, wobei die Ausgangsöffnung derart ausgebildet ist, dass das Medium in einen Strömungsbereich zwischen der Leitschaufel und einer stromab angeordneten Laufschaufel strömt.

[0007] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0008] Die Erfindung schlägt somit vor, ein Medium in den Strömungskanal einzudüsen, um dadurch die Strömungsverhältnisse zu verändern.

[0009] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Ausgangsöffnung im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel angeordnet. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Ausgangsöffnung im oberen Bereich der Leitschaufel angeordnet ist, der zwischen 70 und 80 % der Gesamtlänge beträgt. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Strömugnsinstabilität gerade in den äußeren Bereichen des Strömungskanals auftreten. Durch die Anordnung der Ausgangsöffnung im äußeren Bereich des Strömungskanals, insbesondere im oberen Bereich der Leitschaufeln, der zwischen 70 und 80 % der Gesamtlänge beträgt, kann die Strömungsinstabilität wirksam beeinflusst werden.

[0010] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Ausgangsöffnung derart ausgebildet, dass das Medium in einem Winkel α zur Rotationsrichtung in den Strömungsbereich strömt, wobei α zwischen 0 und 90°, insbesondere zwischen 45 und 75° liegt.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Ausgangsöffnung derart ausgebildet, dass das Medium unter einem Winkel β gegen die Rotationsrichtung der Laufschaufel strömt, wobei die Rotationsrichtung senkrecht zur Rotationsachsenrichtung und der Winkel β zwischen 0 und 90° liegt, insbesondere zwischen 30 und 70° und ganz insbesondere 60° beträgt.

[0012] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Zuführleitung und die Ausgangsöffnung derart ausgestaltet, dass das Medium im Wesentlichen 10% des Volumenstroms ausmacht, der durch den Strömungskanal im Strömungsbereich strömt.

[0013] 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. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0014] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. 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.

[0015] Es zeigen:

Figur 1

eine Querschnittsansicht eines Teils einer Niederdruck-Teilturbine

Figur 2

eine alternative Ausführungsform der Erfindung

Figur 3

eine Draufsicht auf einen Teil der Leit- und Laufschaufeln

Figur 4a, 4b, 4c

Darstellungen der Winkel α und β

[0016] Die Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 einer letzten Stufe einer Dampfturbine. Die Anordnung 1 umfasst Laufschaufeln 2, 2a, die fest an einem nicht näher dargestellten drehbar gelagerten Rotor angeordnet sind und um eine Rotationsachsenrichtung 3 im Betrieb rotieren. Des Weiteren umfasst die Anordnung einen Leitschaufelträger 4. An einer Innenfläche 5 des Leitschaufelträgers 4 sind Leitschaufeln 6 angeordnet. Die Leitschaufeln 6 sind fest mit dem Leitschaufelträger 4 verbunden und können in einem Wartungs- oder Servicefall ausgetauscht werden.

[0017] Im Leitschaufelträger 4 ist eine Zuführleitung 7 ausgebildet, durch die im Betrieb der Dampfturbine ein Medium, wie beispielsweise Wasser, strömt. Das Wasser kann hierbei von externen Quellen herbeigeführt werden. Die Zufuhrleitung 7 mündet in eine Leitschaufel 6. Die Leitschaufel 6 ist hierbei derart ausgebildet, dass diese eine Ausgangsöffnung 8 aufweist, durch die das Medium in einen Strömungskanal 9 strömen kann. Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform zeigt drei Ausgangsöffnungen 8.

[0018] Die Ausgangsöffnung 8 ist hierbei derart ausgebildet, dass das Medium in einen Strömungsbereich 10 zwischen der Leitschaufel 6 und der stromab angeordneten Laufschaufel 2a strömt.

[0019] Die Ausgangsöffnungen 8 sind hierbei in einem Bereich der Hinterkante 11 der Leitschaufel 6 angeordnet.

[0020] Des Weiteren ist die Ausgangsöffnung 8 in einem oberen Bereich 12 der Leitschaufel 6 angeordnet, der zwischen 70 und 80 % der Gesamtlänge beträgt. Der obere Bereich 12 ist hierbei als äußerer Bereich des Strömungskanals 9 aufzufassen. Der obere Bereich 12 ist somit ein Bereich, der von der Rotationsachsenrichtung 3 entfernt ist.

[0021] In der Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform der Anordnung 1 zu sehen. Der Unterschied in der gemäß Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist, dass die Ausgangsöffnung 8 nicht, wie in Figur 1 zu sehen, parallel zur Rotationsachsenrichtung in den Strömungskanal strömt, sondern unter einem Winkel α zur Rotationsachsenrichtung 3 in den Strömungskanal strömt. Der Winkel α liegt hierbei zwischen 0 und 90°, insbesondere zwischen 45 und 75°.

[0022] Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Strömungsbereiches 10, der durch eine Anordnung der Leitschaufeln 6 und Laufschaufeln 2 charakterisiert ist. Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Leitschaufeln 6 und die drehbaren Leitschaufeln 2. Die Leitschaufeln 6 und Laufschaufeln 2 sind daher in einem Profilquerschnitt zu sehen. Die Leitschaufeln 6 sind ortsfest am Leitschaufelträger 4 angeordnet, wohingegen die Leitschaufeln 2 um die Rotationsachsenrichtung 3 in einer Rotationsrichtung 13, die auch als Umfangsrichtung bezeichnet werden kann, rotieren.

[0023] In der Figur 3 ist lediglich eine Leitschaufel dargestellt, bei der eine Ausgangsöffnung 8 zu sehen ist. Die Ausgangsöffnung 8 weist hierbei in der Darstellung gemäß Figur 3 einen Winkel β auf, der einen Winkel darstellt zwischen einer parallelen, zur Rotationsachsenrichtung 3 zur Rotationsachse 3 geneigt. Der Winkel β liegt hierbei zwischen 0 und 90°, insbesondere zwischen 30 und 70° und ganz insbesondere 60°. Die Leitschaufel 6 ist hierbei eine Endstufenleitschaufel 6.

[0024] Zur Verdeutlichung der Winkel α und β dienen die Figuren 4, 4B und 4C. Figur 4A zeigt eine perspektivische Darstellung des Winkels α und des Winkels β. Dargestellt ist die Rotationsachsenrichtung 3. Der Pfeil 14 symbolisiert eine Drehrichtung. Die erste Hilfslinie 15 steht senkrecht auf der Rotationsachsenrichtung 3. Diese erste Hilfslinie 15 entspricht auch einer länglichen Ausdehnung einer Leitschaufel 6. Auf der ersten Hilfslinie 15 ist ein Hilfspunkt 16 angeordnet, der die Ausgangsöffnung 8 symbolisieren soll. Des Weiteren ist in der Figur 4a ein Strömungspfeil 17 dargestellt, der am Hilfspunkt 16 beginnt und die Strömungsrichtung des Wassers aus der Ausgangsöffnung 8 symbolisiert. Durch den Hilfspunkt 16 führt eine zweite Hilfslinie 18, die senkrecht zur ersten Hilfslinie 15 steht. Des Weiteren ist die zweite Hilfslinie 18 parallel zur Rotationsachsenrichtung 3 ausgebildet.

[0025] Um die räumliche Anordnung des Strömungspfeils 17 und der dadurch entstehenden Winkel α und β besser darzustellen, sind Projektionslinien in der Figur 4a eingezeichnet. Zum einen ist eine erste Projektionsfläche 19 dargestellt, die eine Fläche darstellt, die durch die erste Hilfslinie 15 und die zweite Hilfslinie 18 aufgespannt wird. Die erste Projektionslinie 22 entsteht durch eine Projektion des Strömungspfeils 17 auf die erste Projektionsfläche 19. Dadurch entsteht eine erste Linie 20 und eine zweite Linie 21. Die erste Linie 20 ist parallel zur zweiten Hilfslinie 18 ausgebildet. Die zweite Linie 21 ist parallel zur ersten Hilfslinie 15 ausgebildet. Der Winkel α ist hierbei der Winkel zwischen der zweiten Hilfslinie 18 und der ersten Projektionslinie 22.

Erläuterung des Winkels β:

[0026] Der Schnittpunkt der ersten Linie 20 mit der ersten Hilfslinie 15 ist der zweite Hilfspunkt 23. Durch diesen zweiten Hilfspunkt 23 wird eine dritte Linie 24 definiert, die senkrecht auf der ersten Hilfslinie 15 angeordnet ist. Diese dritte Linie 24 zeigt in Rotationsrichtung 13 bzw. in Umfangsrichtung. Durch die dritte Linie 24 und die erste Linie 20 wird eine zweite Projektionsfläche 25 gebildet. Die Pfeilspitze des Strömungspfeils 17 berührt die zweite Projektionsfläche 25 am dritten Punkt 26. Dadurch wird eine vierte Linie 27 gebildet. Die vierte Linie 27 ist hierbei parallel zur ersten Linie 20 ausgebildet. Des Weiteren wird auch eine fünfte Linie 28 ausgebildet, die parallel zur dritten Linie 24 angeordnet ist. Der Strömungspfeil 17 erzeugt dadurch eine zweite Projektionslinie 29 auf der zweiten Projektionsfläche 25. Der Winkel β ist dann definiert durch den Winkel, der zwischen der ersten Linie 20 und der zweiten Projektionslinie 29 gebildet wird.

[0027] Die Figur 4B zeigt eine Draufsicht entlang der ersten Hilfslinie 15, d. h. die erste Hilfslinie 15 zeigt dem Betrachter entgegen und ist dadurch als Punkt symbolisiert. Der Winkel β ist, wie in Figur 4b zu sehen, dann der Winkel, der von der zweiten Projektionslinie 29 und der Rotationsachsenrichtung 3 gebildet wird. Perspektivisch gesehen ist der Strömungspfeil 17 mit der zweiten Projektionslinie 29 identisch.

[0028] Die Figur 4c zeigt eine seitliche Ansicht zur Symbolisierung des Winkels α. Der Betrachter steht hierbei nunmehr so, dass die dritte Linie 24 auf den Betrachter zeigt und daher als Punkt betrachtet werden kann. Der Winkel α entsteht dann durch die zweite Hilfslinie 18 und die erste Projektionslinie 22, die mit dem Strömungspfeil 17 übereinstimmt.

Ansprüche

1. Anordnung einer letzten Stufe einer Dampfturbine, wobei die Laufschaufeln (2,2a) durch einen Leitschaufelträger (4) umgeben sind, wobei im Leitschaufelträger (4) eine Zuführleitung (7) ausgebildet ist, durch die im Betrieb ein Medium strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (7) in eine Leitschaufel (6) mündet und die Leitschaufel (6) eine Ausgangsöffnung (8) aufweist, die strömungstechnisch mit der Zuführleitung (7) verbunden ist, wobei die Ausgangsöffnung (8) derart ausgebildet ist, dass das Medium in einen Strömungsbereich (10) zwischen der Leitschaufel (6) und einer stromab angeordneten Laufschaufel (2,2a) strömt.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
wobei die Ausgangsöffnung (8) im Bereich der Hinterkante (11) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Ausgangsöffnung (8) im oberen Bereich (12) der Leitschaufel (6) angeordnet ist, der zwischen 70% und 80% der Gesamtlänge beträgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder3,
wobei die Ausgangsöffnung (8) derart ausgebildet, dass das Medium unter einem Winkel α zur Rotationsachsenrichtung (3) in den Strömungsbereich (10) strömt, wobei α zwischen 0 und 90°, insbesondere zwischen 45° und 75° liegt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Ausgangsöffnung (8) derart ausgebildet ist, dass das Medium unter einem Winkel β gegen die Rotationsrichtung (13) der Laufschaufel (2,2a) strömt, wobei die Rotationsrichtung (13) senkrecht zur Rotationsachsenrichtung (3) und der Winkel β zwischen 0 und 90°, insbesondere zwischen 30° und 70° liegt und ganz insbesondere 60° beträgt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Leitschaufel (6) eine Endstufenleitschaufel (6) ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Zuführleitung (7) und die Ausgangsöffnung (8) derart gestaltet sind, dass das Medium im Wesentlichen 10% des Volumenstroms darstellt, der durch den Strömungskanal (10) im Strömungsbereich strömt.

Zeichnung