Verfahren zum Auslegen eines Dampfsiebs und Dampfventil mit dem Dampfsieb

Abstract

 Dampfventil (1) sowie Verfahren zum Auslegen eines Dampfsiebs (5) für ein dampfdurchströmtes Gehäuse (2) insbesondere eines Dampfventils (1), mit den Schritten: Bereitstellen des Gehäuses (2) mit einem Zuströmkanal (3) und einem Abströmkanal (4), wobei beim Betrieb des Dampfsiebs (5) ein vorherbestimmter Dampfmassenstrom durch den Zuströmkanal (3) in das Gehäuse (2) zu dem Dampfsieb (5) strömt, einen Dampfsiebmantel (10) des Dampfsiebs (5) durchströmt und durch den Abströmkanal (4) aus dem Gehäuse (2) abströmt; Festlegen des Durchmessers und der Anzahl von Löchern (13), die in dem Dampfsiebmantel (10) vorgesehen werden, so dass das Dampfsieb (5) einen vorherbestimmten Siebdurchgang hat, wobei die Löcher (13) gleichmäßig über die Oberfläche des Dampfsiebmantels (10) verteilt sind und somit ein gleichmäßiges Lochmuster bilden; Simulieren der Dampfmassenstromdichteverteilung des Dampfmassenstroms über den Dampfsiebmantel (10) im Betrieb des Dampfsiebs (5); Verändern des Lochmusters durch eine Variation der Verteilung der Löcher (13) und/oder deren Durchmesser derart, dass die sich zu erwartende Dampfmassenstromdichteverteilung vergleichmäßigt, wodurch die dadurch zu erwartende Dampfdurchströmung der Löcher (13) vergleichmäßigt wird; Fertigauslegen des Dampfsiebs (5).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen eines Dampfsiebs und ein Dampfventil mit dem Dampfsieb.

[0002] Dampfsiebe werden beispielsweise in Dampfturbinenanlagen eingesetzt, um in Zudampfleitungen Fremdkörper, die möglicherweise vom Zudampf mitgerissen werden, auszusieben, da die Fremdkörper ansonsten Lauf- und Leitschaufeln der Dampfturbine beschädigen können. Das Dampfsieb weist einen Dampfsiebmantel auf, in dem Sieböffnungen vorgesehen sind, durch deren Größe der Siebdurchgang des Dampfsiebs definiert ist. Die Sieböffnungen sind in dem Dampfsieb gleichmäßig verteilt angeordnet, so dass der Dampfsiebmantel eine homogene Struktur hat. Die Größe und die Anzahl der Sieböffnungen bestimmt den Strömungswiderstand, der zu überwinden ist, wenn der Dampfsiebmantel von einem vorherbestimmten Dampfmassenstrom durchströmt ist.

[0003] In der Regel herrschen am Dampfsiebmantel inhomogene Strömungszustände, die insbesondere durch eine unsymmetrische Zu- und Abströmung des Dampfs verursacht sein können. Insbesondere an Bereichen des Dampfsiebmantels, an denen ein hoher Druckunterschied zwischen der Zuströmung und der Abströmung herrscht, werden die Sieböffnungen stärker durchströmt, als in Bereichen, an denen der Druckunterschied geringer ist. In den stark durchströmten Bereichen des Dampfsiebs ergibt sich ein hoher von dem Dampfsiebmantel induzierter Strömungswiderstand, so dass der von dem Dampfsiebmantel verursachte Gesamtverlust in der Dampfströmung hoch ist.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Auslegen eines Dampfsiebs und ein Dampfventil mit dem Dampfsieb zu schaffen, wobei das Dampfsieb einen geringen Strömungswiderstand hat. Die Aufgabe wird gelöst mit Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.

[0005] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen eines Dampfsiebs für ein dampfdurchströmtes Gehäuse insbesondere eines Dampfventils weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen des Gehäuses mit einem Zuströmkanal und einem Abströmkanal, wobei im Betrieb des Dampfsiebs ein vorbestimmter Dampfmassenstrom durch den Zuströmkanal in das Gehäuse zu dem Dampfsieb strömt, einen Dampfsiebmantel des Dampfsiebs durchströmt und durch den Abströmkanal aus dem Gehäuse abströmt; Festlegen des Durchmessers und der Anzahl von Löchern, die in dem Dampfsiebmantel vorgesehen werden, so dass das Dampfsieb einen vorherbestimmten Siebdurchgang hat, wobei die Löcher gleichmäßig über die Oberfläche des Dampfsiebmantels verteilt sind und somit ein gleichmäßiges Lochmuster bilden; Simulieren der Dampfmassenstromdichteverteilung des Dampfmassenstroms über den Dampfsiebmantel im Betrieb des Dampfsiebs; Verändern des Lochmusters durch eine Variation der Verteilung der Löcher und/oder deren Durchmesser derart, dass sich die zu erwartete Dampfmassenstromdichteverteilung vergleichmäßigt, wodurch die dadurch zu erwartende Dampfdurchströmung der Löcher vergleichmäßigt wird; Fertigauslegen des Dampfsiebs. Das erfindungsgemäße Dampfventil weist das Dampfsieb auf.

[0006] Bevorzugtermaßen wird durch das Verändern des Lochmusters die Dampfmassenstromdichte im Bereich des Zuströmkanals und im Bereich des Abströmkanals vergleichmäßigt. Der zu erwartende Dampfmassenstrom durch die Löcher ist hierbei bevorzugtermaßen gleich. Ferner ist es bevorzugt, dass das gleichmäßige Lochmuster von nebeneinanderliegenden Lochreihen gebildet wird. Das Verändern des Lochmusters durch die Variation der Verteilung der Löcher wird bevorzugt durch Verändern des Abstands der Lochreihen zueinander bewerkstelligt. Bevorzugtermaßen werden die Lochreihen zu Gruppen gruppiert, wobei die Lochreihen innerhalb einer Gruppe einen gleichen Abstand zueinander haben. Ferner ist es bevorzugt, dass durch eine entsprechend variierte Formgebung der Löcher die Homogenisierung der Durchströmung des Dampfsiebs erreicht wird.

[0007] Bevorzugtermaßen ist der Dampfsiebmantel zylinderförmig oder konusförmig, wobei der Dampfsiebmantel von dem Dampfmassenstrom radial durchströmt wird. Der Zuströmkanal und/oder der Abströmkanal zeigen bevorzugt in Radialrichtung auf den Dampfsiebmantel. Im Bereich des Zuströmkanals und/oder des Abströmkanals haben die Lochreihen bevorzugt einen größeren Abstand zueinander als im Rest des Dampfsiebmantels.

[0008] Das erfindungsgemäß ausgelegte Dampfsieb weist eine graduierte Verteilung der Löcher und/oder variierte Lochgröße auf, wodurch sich vielfältige Lochmuster ergeben können. Die Lochmuster werden erfindungsgemäß so eingestellt, dass in Abhängigkeit vom Strömungsinhomogenitäten ein entsprechend abgestimmter und über dem Dampfsiebmantel sich verändernder Strömungswiderstand ergibt. Die Strömungsinhomogenitäten sind insbesondere von einer zum Dampfsiebmantel asymmetrischen Position des Zuströmkanals und/oder des Abströmkanals verursacht, wodurch sich an dem Dampfsiebmantel eine inhomogene Zuströmung und/oder Abströmung ergibt. Die Veränderung des Lochmusters durch die Variation der Verteilung der Löcher und/oder deren Durchmesser führt zu einer inhomogenen Verteilung des Strömungswiderstands über den Dampfsiebmantel, woraus sich ein homogenes Strömungsfeld über dem Dampfsiebmantel ergibt und damit der Gesamtströmungsverlust über das Dampfventil reduziert ist.

[0009] Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dampfventils mit dem erfindungsgemäß ausgelegten Dampfsieb anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 perspektivische Ansichten des Dampfventils mit einem Dampfsiebmantel, der ein gleichmäßiges Lochmuster aufweist, wobei auf dem Dampfsiebmantel eine Massenstromdichteverteilung mit Isolinien dargestellt ist, und

Figur 3 eine Draufsicht einer Abwicklung des erfindungsgemäß ausgelegten Dampfsiebs.

[0010] Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist ein Dampfventil 1 ein Ventilgehäuse 2 auf, an dem ein Zuströmkanal 3 und ein Abströmkanal 4 angebracht sind. Das Ventilgehäuse 2 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei der Zuströmkanal 3 an der Zylinderoberfläche des Ventilgehäuses 2 radial in dieses mündet und der Abströmkanal 4 von dem Ventilgehäuse 2 axial abgeführt ist. In dem Ventilgehäuse 2 ist ein Dampfsieb 5 angeordnet, das analog wie das Ventilgehäuse 2 zylinderförmig ausgebildet ist, wobei das Dampfsieb 5 mit seiner zylindrischen Außenseite 6 an der Mündung des Zuströmkanals 3 benachbart angeordnet ist. Die Achse des Dampfsiebs 5 fällt mit der Achse des Abströmkanals 4 zusammen, so dass die Mündung des Abströmkanals 4 in das Ventilgehäuse 2 mit der zylindrischen Innenseite 7 des Dampfsiebs 5 benachbart angeordnet ist. Das Dampfsieb 5 ist mit einer vorherbestimmten Dicke ausgelegt, entsprechend der die Innenseite 7 des Dampfsiebs 5 im radialen Abstand von der Außenseite 6 angeordnet ist, wobei axialseitig an dem Dampfsieb 5 Stirnseiten 8 geformt sind. Die Mündung des Zuströmkanals 3 bildet eine Zuströmöffnung 9, durch die Dampf in das Ventilgehäuse 2 strömt.

[0011] Das Dampfsieb 5 ist von einem Dampfsiebmantel 10 gebildet, der als ein gelochtes Blech ausgebildet ist, das abgewickelt einen rechteckigen Umfang hat (siehe Figur 3). An den Kurzseiten des Dampfsiebmantels 10 ist jeweils eine Dampfsiebnahtseite 11 vorgesehen, die, wenn der Dampfsiebmantel 10 zylinderförmig ausgebildet ist, miteinander befestigt sind. Zur Orientierung über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 ist in Figur 3 eine Winkelangabe von 0° bis 360° eingetragen, wobei sowohl die 0°-Marke als auch die 360°-Marke an der Dampfsiebnahtseite 11 angeordnet sind.

[0012] Zum erfindungsgemäßen Auslegen des Dampfsiebs 5 ist wie folgt vorzugehen: In Abhängigkeit eines vorherbestimmten Dampfmassenstroms, der durch den Zuströmkanal 3 in das Ventilgehäuse 2 geführt und durch den Abströmkanal 4 aus dem Ventilgehäuse 2 abgeführt wird, sind Löcher 13 in dem Dampfsiebmantel 10 vorzusehen. Der Durchmesser und die Anzahl der Löcher 13 ergibt sich aus dem vorherbestimmten Dampfmassenstrom, der durch den Dampfsiebmantel 10 zu strömen ist, unter der Maßgabe, dass einerseits ein geforderter Siebdurchgang erreicht ist und andererseits die Durchströmung der Löcher 13 sich bei akzeptablen Strömungswiderständen vollzieht.

[0013] Die Löcher 13 sind in Lochreihen 12 in dem Dampfsiebmantel 10 anzuordnen, wobei die Lochreihen über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 jeweils gleiche Abstände haben. Als Nächstes sind die Strömungsverhältnisse in dem Dampfventil 1 zu simulieren, wobei es insbesondere auf die DampfmassenstromdichteVerteilung durch die Löcher 13 des Dampfsiebmantels 10 ankommt. Dadurch, dass der Zuströmkanal 3 radial zu dem Ventilgehäuse 2 geführt ist, stellt sich im Bereich der Zuströmöffnung 9 (bei 180°) ein Bereich mit höchster Massenstromdichte 18 ein. Das heißt, dass durch die Löcher 13, die im Bereich 18 der höchsten Massenstromdichte angeordnet sind, die höchsten Durchflussraten herrschen. Dadurch ergibt sich eine über den Umfang ungleichmäßige Durchströmung des Dampfsiebmantels 10, so dass sich an der der Zuströmöffnung 9 gegenüberliegenden Seite des Dampfsiebmantels 10 (bei 0° bzw. 360°) ein Bereich 17 mit niedrigster Massenstromdichte ausbildet. Dadurch, dass im Bereich 17 die niedrigste Massenstromdichte und im Bereich 18 die höchste Massenstromdichte herrschen, nimmt die Durchströmung des Dampfsiebmantels 10 von der Zuströmöffnung 9 bis zu der der Zuströmöffnung 9 gegenüberliegenden Seite des Dampfsiebmantels 10 ab. Der Strömungswiderstand beim Durchströmen des Dampfsiebmantels 10 im Bereich 17 mit niedrigster Massenstromdichte ist zwar vergleichsweise niedrig, jedoch ist der Strömungswiderstand im Bereich 18 mit höchster Massenstromdichte überproportional hoch. Die Simulation der Dampfmassenstromdichteverteilung des Dampfmassenstroms über den Dampfsiebmantel 10 kann beispielsweise mit einer CFD-Berechnung (englisch: "computational fluid dynamics", CFD) durchgeführt werden.

[0014] Zur Vergleichmäßigung der Strömungsverhältnisse über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 sind die Lochreihen 12 über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 so zu verschieben, dass im Bereich 17 mit niedrigster Massenstromdichte der Abstand der Lochreihen 12 verringert und im Bereich 18 mit höchster Massenstromdichte der Abstand Lochreihen 12 vergrößert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Durchströmbarkeit im Bereich 17 mit niedrigster Massenstromdichte erhöht und im Bereich 18 mit höchster Massenstromdichte 18 erniedrigt wird. Dies hat zur Folge, dass beim Durchströmen des Ventilgehäuses 2 mit dem Dampfmassenstrom die Strömung sich über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 vergleichmäßigt, wodurch ein homogeneres Strömungsfeld erzeugt wird verglichen mit einem Strömungsfeld, wie es sich beispielsweise bei einer über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 gleichmäßigen Verteilung der Lochreihen 12 ergeben würde (siehe Simulationsergebnisse aus Fig. 1 und 2) .

[0015] Beim Verschieben der Lochreihen 12 über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 sind diese in drei Gruppen zu gruppieren, wobei die erste Gruppe an den Lochreihen 12 einen ersten Lochabstand 14, die zweite Gruppe an den Lochreihen 12 einen zweiten Lochreihenabstand 15 und die dritte Gruppe einen dritten Lochreihenabstand 16 hat. Der erste Lochreihenabstand 14 ist größer als der dritte Lochreihenabstand 16, wobei der zweite Lochreihenabstand 15 zwischen dem ersten Lochreihenabstand 14 und dem dritten Lochreihenabstand 16 liegt. Die erste Gruppe an den Lochreihen 12 ist im Bereich der Zuströmöffnung 9 angesiedelt, so dass in diesem Bereich die Verteilungsdichte der Löcher 13 gering ist. Die dritte Gruppe ist im Bereich des Dampfsiebmantels 10 gegenüberliegend zur Zuströmöffnung 9 angesiedelt, so dass dort die Dichte an den Löchern 13 am höchsten ist. Dadurch ist erreicht, dass die Durchlässigkeit des Dampfsiebmantels 10 im Bereich der Zuströmöffnung 9 am niedrigsten und im Bereich, der der Zuströmöffnung 9 gegenüberliegend angeordnet ist, am höchsten ist.

[0016] Beim Durchströmen des Ventilgehäuses 2 tritt aus der Zuströmöffnung 9 Dampf aus und strömt in das Ventilgehäuse 2 ein. Dadurch, dass im Bereich der Zuströmöffnung 9 die erste Gruppe an den Lochreihen 12 angeordnet ist, ist die Durchlässigkeit des Dampfsiebmantels 10 dort so gering, dass ein Teil der Strömung in Umfangsrichtung an der Außenseite 6 des Dampfsiebmantels 10 ausweicht und in Umfangsrichtung um den Dampfsiebmantel 10 herum geführt wird. Die Lochreihenabstände 14 bis 16 sind derart dimensioniert, dass die Dampfströmung derart in Umfangsrichtung des Dampfsiebmantels 10 verdrängt wird, dass die Dampfmassenstromdichte über den Umfang des Dampfsiebmantels 10 gleichmäßig ist.

[0017] Der Gesamtströmungswiderstand des Dampfsiebmantels 10 wird von den einzelnen Widerständen bestimmt, die beim Durchströmen der Löcher 13 induziert werden. Je höher der Dampfmassenstrom pro Loch 13 ist, desto höher ist der von diesem Loch 13 induzierte Strömungswiderstand, wobei der Strömungswiderstand bei zunehmendem Dampfmassenstrom überproportional zunimmt.

[0018] Durch das erfindungsgemäße Verschieben der Lochreihen 12, so dass in der ersten Gruppe die Lochreihen den ersten Lochreihenabstand 14, in der zweiten Gruppe die Lochreihen 12 den zweiten Lochreihenabstand 15 und in der dritten Gruppe die Lochreihen 12 den dritten Lochreihenabstand 16 haben, wird bewirkt, dass die Strömungsverhältnisse im Ventilgehäuse 2 so vergleichmäßigt werden, dass durch jedes der Löcher 13 im Wesentlichen der gleiche Dampfmassenstrom strömt. Somit ist der Gesamtströmungswiderstand des Dampfsiebmantels 10 herabgesenkt, verglichen mit einem Dampfsiebmantel, an dem insbesondere über den Umfang inhomogene Strömungszustände vorherrschen.

[0019] 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. Verfahren zum Auslegen eines Dampfsiebs (5) für ein dampfdurchströmtes Gehäuse (2) insbesondere eines Dampfventils (1), mit den Schritten:

- Bereitstellen des Gehäuses (2) mit einem Zuströmkanal (3) und einem Abströmkanal (4), wobei beim Betrieb des Dampfsiebs (5) ein vorherbestimmter Dampfmassenstrom durch den Zuströmkanal (3) in das Gehäuse (2) zu dem Dampfsieb (5) strömt, einen Dampfsiebmantel (10) des Dampfsiebs (5) durchströmt und durch den Abströmkanal (4) aus dem Gehäuse (2) abströmt;

- Festlegen des Durchmessers und der Anzahl von Löchern (13), die in dem Dampfsiebmantel (10) vorgesehen werden, so dass das Dampfsieb (5) einen vorherbestimmten Siebdurchgang hat, wobei die Löcher (13) gleichmäßig über die Oberfläche des Dampfsiebmantels (10) verteilt sind und somit ein gleichmäßiges Lochmuster bilden;

- Simulieren der Dampfmassenstromdichteverteilung des Dampfmassenstroms über den Dampfsiebmantel (10) im Betrieb des Dampfsiebs (5);

- Verändern des Lochmusters durch eine Variation der Verteilung der Löcher (13) und/oder deren Durchmesser derart, dass die sich zu erwartende Dampfmassenstromdichteverteilung vergleichmäßigt, wodurch die dadurch zu erwartende Dampfdurchströmung der Löcher (13) vergleichmäßigt wird;

- Fertigauslegen des Dampfsiebs (5).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
wobei durch das Verändern des Lochmusters die Dampfmassenstromdichte in Bereich des Zuströmkanals (3) und im Bereich des Abströmkanals (4) vergleichmäßigt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei der zu erwartende Dampfmassenstrom durch die Löcher (13) gleich ist.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das gleichmäßige Lochmuster von nebeneinander liegenden Lochreihen (12) gebildet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4,
wobei das Verändern des Lochmusters durch die Variation der Verteilung der Löcher (13) durch Verändern des Abstands der Lochreihen (12) zueinander bewerkstelligt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5,
wobei die Lochreihen (12) zu Gruppen gruppiert werden, wobei die Lochreihen (12) innerhalb einer Gruppe einen gleichen Abstand (14, 15, 16) zueinander haben.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6,
wobei der Dampfsiebmantel (10) zylinderförmig oder konusförmig ist, der von dem Dampfmassenstrom radial durchströmt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7,
wobei der Zuströmkanal (3) und/oder der Abströmkanal (4) in Radialrichtung auf den Dampfsiebmantel (10) zeigt.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8,
wobei im Bereich des Zuströmkanals (3) und/oder des Abströmkanals (4) die Lochreihen (12) einen größeren Abstand zueinander haben als im Rest des Dampfsiebmantels (10).

10. Dampfventil mit einem Dampfsieb,
das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgelegt ist.

Zeichnung