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Die
Erfindung betrifft ein Düsensegment für eine Stufe,
insbesondere eine Regelstufe, einer Dampfturbine, mit wenigstens
einer Leitschaufel und einem Befestigungsabschnitt zur Befestigung
des Düsensegments, sowie eine Dampfturbine mit einem Düsensring
mit solchen Düsensegmenten.
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In
einer Stufe einer Dampfturbine wird Dampf durch die Leitschaufeln
eines Düsenringes auf die Laufschaufeln eines nachfolgend
angeordneten Stufenrades gelenkt, das Enthalpie des Dampfes in mechanische
Arbeit umsetzt. Bei einer Düsengruppenregelung kann der
Massendurchsatz durch einzelne Düsen einer Regelstufe verändert
werden, um die Leistung der Turbine zu regeln. Die Düsen
können beispielsweise durch Verstellung der sie definierenden
Leitschaufeln verändert werden. Im Allgemeinen ist die
Regelstufe die erste Stufe einer Dampfturbine, ihr Stufenrad wird
als Regelrad bezeichnet.
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Insbesondere
bei Regelstufen ist eine Abdichtung des Stufen- bzw. Regelrades
an seinem Außenumfang gegen das dampfführende
Innengehäuse der Dampfturbine erforderlich, um eine Leckageströmung
des Dampfes zu verhindern, die den Wirkungsgrad der Turbine reduzieren
würde.
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Hierzu
ist es beispielsweise aus der
DE 10 04 202 A bekannt, radial nach innen
vorragende Dichtbänder am Innengehäuse der Dampfturbine
zu befestigen, die mit radialen Vorsprüngen am Außenumfang
des Regelrades eine Labyrinthdichtung ausbilden. Der Düsenring
ist hier separat aus einzelnen Düsensegmenten zusammengesetzt,
welche axial von der Dichtungsfläche zwischen Innengehäuse und
Stufenrad beabstandet sind.
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Nach
der
DE 34 13 628 C2 ist
es auch bekannt, am Innengehäuse der Dampfturbine einen Einsatz
zu befestigten, an dem Dichtbänder ausgebildet sind. Aus
dieser Druckschrift und der
DE 10 2004 026 503 A1 ist es ebenfalls bekannt,
Dichtbänder nur am Außenumfang eines Stufenrades
vorzusehen, welche mit einer Dichtfläche am Innengehäuse
der Dampfturbine zusammenwirken. In allen be kannten Lösungen
sind die Düsensegmente und die gehäuseseitigen
Dichtflächen somit als separate Bauteile ausgeführt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dichtung am Außenumfang
eines Stufenrades einer Dampfturbine zu verbessern.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist ein Düsensegment nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale
weitergebildet. Anspruch 7 stellt eine Dampfturbine mit einem Düsenring
mit solchen Düsensegmenten unter Schutz, die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, ein oder mehrere Düsensegmente für
eine Stufe einer Dampfturbine, die jeweils einen Befestigungsabschnitt
zur Befestigung beispielsweise an einem Innengehäuse, insbesondere
einem Leitschaufelträger, der Dampfturbine aufweisen, integral
mit einem Dichtungsabschnitt zur Abdichtung eines Stufenrades der
Dampfturbine an dessen Außenumfang auszubilden.
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Durch
die integrale Ausbildung von Düsensegment und Dichtungsabschnitt
kann der Dichtungsabschnittes zusammen mit dem Düsensegment an
der Dampfturbine befestigt werden. Hierdurch kann auf montagetechnisch
einfache Weise ein geeignete Dichtungsfläche am Innengehäuse
ausgebildet werden, die dem Außenumfang des Stufenrades gegenüberliegt
und mit diesem dichtend zusammenwirkt.
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Vorteilhafterweise
ist es nicht mehr nötig, neben den Düsensegmenten
noch weitere separate Einsätze oder Dichtungsbänder
am Gehäuse zu befestigen. Gleichwohl können natürlich
zusätzlich zu dem Dichtungsabschnitt des Düsensegmentes
noch weitere Einsätze und/oder Dichtungsbänder
auch direkt am Innengehäuse der Dampfturbine vorgesehen werden,
um die Dichtwirkung mit dem Außenumfang des Stufenrades
zu verbessern, beispielsweise eine Labyrinthdichtung axial zu verlängern
oder mehrstufig auszubilden.
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Als
weiterer Vorteil kann der Dichtungsabschnitt am einzelnen Düsensegment
häufig einfacher hergestellt oder bearbeitet werden als
in situ in der Dampfturbine.
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Ein
weiterer Vorteil kann darin liegen, dass der axiale Abstand zwischen
dem Düsensegment bzw. -ring und der Dichtfläche
verkürzt werden kann, so dass der a xiale Bauraum zur Aufnahme
von Düsenring und Dichtfläche sich verkürzt
und/oder weniger Totgebiete in der Dampfströmung zum Stufenrad entstehen.
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Vorteilhaft
vergrößert sich auch der Gestaltungsspielraum
bei der Konstruktion des Innengehäuses. So kann vorzugsweise
auf einen schwanenhalsförmigen Abschnitt im Leitschaufelträger
verzichtet werden. Zudem können mit einem Düsensegment nach
einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit integriertem
Dichtungsabschnitt auch kleinste Schaufelhöhen dargestellt
werden.
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Mit
besonderem Vorteil kann die vorliegenden Erfindung bei Düsensegmenten
einer Regelstufe umgesetzt werden. Deren Stufen- bzw. Regelrad wird
insbesondere bei Variationen des Dampfstromes stark wechselnd beaufschlagt,
so dass die Dichtung am Außenumfang erhöhten Belastungen
ausgesetzt ist, die durch ein integral mit einem Düsensegment
ausgebildete Dichtungsabschnitt besser aufgenommen werden. Zudem
kann die Ausbildung des Dichtungsabschnittes am Düsensegment
eine Kompensation wärmebedingter Gestaltsänderungen
des Innengehäuses ermöglichen.
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Die
integrale Ausbildung des Dichtungsabschnittes mit dem Düsensegment
kann insbesondere durch eine einstückige Gestaltung des
Düsensegmentes mit Befestigungsabschnitt, Dichtungsabschnitt
und einer oder mehreren Leitschaufeln realisiert werden. Beispielsweise
kann ein solches Düsensegment urgeformt, etwa gegossen
oder geschmiedet, und/oder spanend bearbeitet, beispielsweise gefräst,
geschliffen oder erodiert werden. Vorteilhaft ist insbesondere in
diesem Fall auch der Dichtungsabschnitt aus dem in der Regel hochwertigen, insbesondere
hochfesten, harten und/oder temperaturbeständigen Material
des eigentlichen Düsensegmentes, und schützt so
zusätzlich das Innengehäuse.
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Gleichermaßen
kann der Dichtungsabschnitt jedoch auch lösbar, beispielsweise
durch Schrauben, oder unlösbar, beispielsweise durch Schweißen,
Verstemmen, Nieten oder dergleichen, mit dem übrigen Düsensegment,
insbesondere dem Befestigungsabschnitt, einem Leitschaufelfuß und/oder
einem Leitschaufeldeckel verbunden werden. Dies erhöht
vorteilhaft die Flexibilität bei der Gestaltung, Materialwahl.
Herstellung und Bearbeitung des Dichtungsabschnittes und des übrigen
Düsensegmentes.
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Der
Dichtungsabschnitt übergreift in der axialen Richtung der
Dampfturbine den Außenumfang des Stufenrades bevorzugt
ganz oder teilweise, wenn das Düsensegment und das Stufenrad
in der Dampfturbine befestigt sind, um am Außenumfang eine
Dichtfläche zur Verfügung zu stellen. Hierdurch kann
das Innengehäuse vorteilhaft gegen Verschleiß oder
Beschädigungen durch einen anstreifenden Außenumfang
des Stufenrades, aber auch gegen mechanische und thermische Beanspruchungen
durch den Dampf geschützt werden. Andererseits kann der Dichtungsabschnitt
zusammen mit dem übrigen Düsensegment einfach
ausgetauscht werden.
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Vorzugsweise
sind auf dem Dichtungsabschnitt ein oder mehrere, insbesondere axial
voneinander beabstandete, Dichtungsbänder angeordnet, welche
sich in radialer Richtung zu dem Außenumfang des Stufenrades
hin erstrecken. Wie im bekannten Stand der Technik kann so eine
wirkungsvolle ein- oder mehrstufige Labyrinthdichtung geschaffen werden.
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Ein
oder mehrere Dichtungsbänder können lösbar
oder unlösbar an dem Dichtungsabschnitt befestigt, beispielsweise
mit diesem verstemmt sein. Gleichermaßen können
ein oder mehrere Dichtungsbänder auch einstückig
mit dem Dichtungsabschnitt ausgebildet sein, beispielsweise als
radiale Absätze. Auch eine Kombination solcher einstückigen,
radialen Absätze und befestigter Dichtungsbänder
ist möglich. In diesem Zusammenhang wird auch ein Düsensegment,
bei dem Leitschaufel, Befestigungs- und Dichtungsabschnitt einstückig
ausgebildet sind, und an dem weitere Elemente, beispielsweise separate
Dichtungsbänder befestigt sind, als einstückig
im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Dampfturbine umfasst ein
Düsensring einer oder mehrerer Stufen, insbesondere einer
Regelstufe, ein oder mehrere der vorstehend erläuterten
Düsensegmente. Beispielsweise kann ein Düsensring
komplett aus erfindungsgemäßen Düsensegmenten
bestehen, wobei dann vorzugsweise ihre Dichtungsabschnitte einen
im Wesentlichen geschlossenen Dichtungsring über den Außenumfang
des entsprechenden Stufenrades bilden. Zur Erhöhung der
Festigkeit des Düsenringes und/oder zur Verbesserung der
Dichtungseigenschaften des Dichtungsringes können benachbarte Dichtungsabschnitte
auf ihren ein ander zugewandten Umfangsstirnseiten komplementäre
Strukturen, beispielsweise Vorsprünge bzw. Aussparungen
in Umfangsrichtung, aufweisen.
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Dementsprechend
ist es gleichermaßen möglich, dass alle Düsensegmente
eines Düsenringes die gleichen oder unterschiedliche Dichtungsabschnitte
aufweisen. Beispielsweise kann der Dichtungsabschnitt eines ersten
Düsensegments in Umfangsrichtung eine größere
Erstreckung aufweisen, derjenige eines angrenzenden zweiten Düsensegments
eine kleinere, so dass sich insgesamt der gewünschte Gesamtumfang
ergibt. Dies zeigt, dass es auch möglich ist, erfindungsgemäße
Düsensegmente mit integrierten Dichtungsabschnitten mit
herkömmlichen Düsensegmente ohne Dichtungsabschnitten
zu einem Düsenring zu kombinieren, indem beispielsweise
die Dichtungsabschnitte der erfindungsgemäßen
Düsensegmente in Umfangsrichtung auf beiden Seiten das übrige
Düsensegment, insbesondere dessen Befestigungsabschnitt,
jeweils um die halbe Umfangserstreckung eines herkömmlichen Düsensegments überragen.
Werden dann abwechselnd erfindungsgemäße und herkömmliche
Düsensegmente zu einem Düsenring zusammengesetzt, stoßen
die Umfangsstirnseiten zweier erfindungsgemäßer
Düsensegmente vor einem zwischen ihnen aufgenommenen herkömmlichen
Düsensegment ohne integrierten Dichtungsabschnitt aneinander
und bilden wiederum einen geschlossenen Dichtungsring.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen
und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise
schematisiert:
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1A, 1B:
jeweils eine Regelstufe einer Dampfturbine nach dem Stand der Technik
im Längsschnitt; und
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2B: ein Düsensegment nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer
Teilansicht.
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1A zeigt
im Längsschnitt eine Regelstufe einer Dampfturbine nach
dem Stand der Technik mit einem Düsensegment 10,
welches in einem separaten schwanenhalsförmigen Leitschaufelträger
bzw. Düsenkasten 30A befestigt ist, der Teil eines
Innengehäuses 30C der Dampfturbine ist. Als Innengehäuse
werden insoweit diejenigen Teile der Dampfturbine bezeichnet, die
den Dampf zu bzw. in der Beschaufelung führen.
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Axial
benachbart ist ein Regelrad 20 eines Läufers 100 der
Dampfturbine angeordnet, das an seinem Außenumfang (oben
in 1A) radiale Vorsprünge aufweist, welche
mit Dichtungsbändern, die in einer Dichtungsfläche 30B des
Innengehäuses 30C der Dampfturbine verstemmt sind,
eine Labyrinthdichtung bilden. Nachteilig ist die Befestigung der
separaten Dichtungsbänder in der Dichtungsfläche 30B schwierig
und erfordert neben der ohnehin erforderlichen Befestigung der Düsensegmente 10 weitere
Montageschritte. Zudem ist der schwanenhalsförmige Leitschaufelträger 30A,
der durch die axiale Beabstandung von Düsensegmenten 10 und Dichtungsbändern
im Bereich 30A bedingt ist, fertigungs- und festigkeitstechnisch
nachteilig.
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1B zeigt
in entsprechender Darstellung eine Regelstufe einer weiteren Dampfturbine
nach dem Stand der Technik. Gleiche Bauteile sind durch dieselben
Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf obige Erläuterungen
verwiesen wird. Die Gestaltung des Innengehäuses, das hier
mit einem integrierten Leitschaufelträger ausgebildet ist,
an dem die Düsensegmente 10 befestigt sind, bedingt
hier nachteilig eine unnötige radiale Schaufelhöhe
der Leitschaufeln der Düsensegmente 10 bzw. der
Laufschaufeln des Regelrades 20.
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An
Stelle separater Dichtungsbänder an der Dichtungsfläche 30B des
Innengehäuses 30C und hiervon baulich getrennter
Düsensegmente 10 schlägt die vorliegende
Erfindung vor, einen Dichtungsabschnitt, mit dem ein Außenumfang
eines Regelrades gegen das Innengehäuse abgedichtet wird, integral
mit dem ohnehin an dem Innengehäuse zu befestigenden Düsensegment
auszubilden. 2 zeigt hierzu in perspektivischer
Teilansicht ein Düsensegment 1 nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung mit integriertem Dichtungsabschnitt 1.3.
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Das
Düsensegment 1 weist einen Befestigungsabschnitt 1.1 zur
Befestigung an der Dampfturbine auf. Mit diesem kann das Düsensegment 1 beispielsweise
an einem separaten Leitschaufelträger 30A, wie
er in 1A dargestellt ist, oder einem
in das Innengehäuse integrierten Leitschaufelträger, wie
er in 1B dargestellt ist, befestigt,
beispielsweise in eine Führungsnut eingeführt
werden (nicht dargestellt).
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Einstückig
mit dem Befestigungsabschnitt 1.1 sind mehrere Leitschaufeln 1.2 ausgebildet.
Zwei benachbarte Leitschaufeln definieren jeweils eine Düse
zur Umlen kung einer Dampfströmung auf Laufschaufeln 2.1, 2.2,
... 2.5 eines nachfolgenden Regelrades 2. Im Ausführungsbeispiel
erstreckt sich das Düsensegment 1 in Umfangsrichtung über
mehrere Düsen und weist dementsprechend mehrere Leitschaufeln 1.2 auf.
In einer nicht dargestellten Abwandlung kann jedes Düsensegment
auch nur jeweils eine Leitschaufel tragen.
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Ebenfalls
einstückig mit dem Befestigungsabschnitt 1.1 ist
ein Dichtungsabschnitt 1.3 ausgebildet. Dieser weist in
Umfangsrichtung die gleiche Breite auf wie der Befestigungsabschnitt 1.1,
und erstreckt sich in axialer Richtung (von links nach rechts in 2) über
den Außenumfang des Regelrades 2, der durch miteinander
verbundene Deckplatten 2A benachbarter Laufschaufeln 2.1, 2.2,
... 2.5 des Regelrades 2 gebildet ist.
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Die
Deckplatten 2A weisen in axialer Richtung radiale Absätze
auf. Diese bilden mit drei Dichtungsbändern 1.4,
die in Umfangsnuten des Dichtungsabschnittes 1.3 verstemmt
sind, eine Labyrinthdichtung. Die aneinander anstoßenden
Umfangsstirnflächen der Dichtungsabschnitte benachbarter Düsensegmente
schließen im Wesentlichen dampfdicht miteinander ab, so
dass die Dichtungsabschnitte 1.3 zusammen einen geschlossenen
Dichtungsring bilden. Hierzu können die Dichtungsabschnitte 1.3 in
Umfangsrichtung ein geringes Übermaß aufweisen,
so dass sie im montierten Zustand gegeneinander verspannt sind,
um die Dichtigkeit des Dichtungsringes zu erhöhen.
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Die
Dichtungsbänder 1.4 können in Umfangsrichtung
dieselbe Breite aufweisen wie der Dichtungsabschnitt 1.3,
und so bereits vor der Befestigung des Düsensegmentes 1 am
Innengehäuse mit dem Dichtungsabschnitt 1.3 verbunden,
beispielsweise verschweißt oder verstemmt werden, oder
integral, beispielsweise als urgeformte oder nachträglich
eingefräste radiale Absätze zusammen mit dem Dichtungsabschnitt 1.3 hergestellt
werden. Gleichermaßen ist es jedoch auch möglich,
zunächst mehrere, insbesondere alle Düsensegmente
mit den integrierten Dichtungsabschnitten am Innengehäuse
zu befestigen und erst anschließend ringförmige
Dichtungsbänder in umlaufende Nuten im Dichtungsring einzuführen.
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- 1
- Düsensegment
- 1.1
- Befestigungsabschnitt
- 1.2
- Leitschaufel
- 1.3
- Dichtungsabschnitt
- 1.4
- Dichtungsband
- 2
- Regelrad
(Stufenrad)
- 2.1,
2.2, ... 2.5
- Laufschaufel
- 2A
- Deckplatte
- 10
- Düsensegment
- 20
- Regelrad
- 30A
- Leitschaufelträger
- 30B
- Dichtungsfläche
- 30C
- Innengehäuse
- 100
- Läufer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1004202
A [0004]
- - DE 3413628 C2 [0005]
- - DE 102004026503 A1 [0005]