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Die Erfindung betrifft eine Eintrittsstufe, insbesondere eine Regelstufe, für eine Dampfturbine, mit einem Düsenring zur Beaufschlagung eines Laufrades mit Dampf, wobei der Düsenring mehrere, in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Düsen aufweist, die in einem Düsenkasten angeordnet sind.
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Beispielsweise aus der
WO 2006/ 024 597 A1 ist eine Dampfturbine mit mehreren Eintrittsstufen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. In für Regelstufen solcher Dampfturbinen typischer Weise weist der Düsenring mehrere Teilringe oder Düsensegmente auf, welche durch Ventile wahlweise ansteuerbar sind, um die Turbine durch Absperren eines oder mehrerer Teilringe zu regeln und so gezielt auch im Teillastbereich zu betreiben.
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Die in der
WO 2006/ 024 597 A1 nur schematisch angedeuteten Teilringe weisen je einen Düsenkasten auf, in dem mehrerer Düsen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
1 zeigt einen linken oberen Düsenkasten
1 mit mehreren Düsen bzw. Düsenabschnitten
1.1 bis
1.4, wie er aus betriebsinterner Praxis bekannt ist. In diesen strömt Dampf im Wesentlichen vertikal ein, wird durch die Innenkontur des Düsenkastens zu den einzelnen Düsen geführt und tritt durch diese in Axialrichtung aus, um hinter dem Düsenring ein Regelrad zu beaufschlagen. Durch gezielte Absperrung einzelner der vier über den Umfang verteilten Düsenkästen wird das Regelrad quadrantenweise beaufschlagt.
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Der hydraulische Durchmesser in Umfangsrichtung ist dabei, wie in der
WO 2006/ 024 597 A1 und
1 zu erkennen, in den Bereichen außerhalb des Dampfeintrittes konstant. Auch die Größe und Abstände der einzelnen Düsen zueinander sind über den Umfang konstant.
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Insbesondere durch Reibungs- und Umlenkverluste sowie Totgebieten und Rückströmungen des Dampfes in solchen herkömmlichen Düsenringen stellt sich eine über den Umfang stark inhomogene Massenstromdichte ein. So gelangt beispielsweise in dem in
1 gezeigten Teilring ebenso wie in den Düsensegmenten der
WO 2006/ 024 597 A1 weniger Dampf zu denjenigen Düsen, welche von dem Dampfeintritt am weitesten entfernt sind, was nachteilig zu einer ungleichmäßigen Belastung der Düsen und des dahinter angeordneten Laufrades führt und den Wirkungsgrad der Dampfturbine senkt.
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Die
US 5 823 742 A offenbart ebenfalls eine Eintrittsstufe für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Dampfturbine zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Eintrittsstufe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet.
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Anspruch 10 stellt eine Dampfturbine mit wenigstens einer solchen Eintrittsstufe unter Schutz.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Eine Eintrittsstufe für eine Dampfturbine weist einen ein- oder mehrteiligen Düsenring zur Beaufschlagung eines in Durchströmrichtung dahinter angeordneten Laufrades mit mehreren, in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Düsen auf, die in einem Düsenkasten angeordnet sind. Die einzelnen Düsen können gleichermaßen integral mit dem Düsenkasten ausgebildet oder lösbar oder unlösbar an diesem befestigt und insbesondere durch Leitschaufeln definiert sein.
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Erfindungsgemäß ist der Düsenring planmäßig derart ausgebildet, dass die Größen und/oder Abstände der Düsen des Düsenringes variieren derart zueinander über seinem Umfang variieren, dass eine Dampfmassenstromdichte durch die Düsen über seinem Umfang im Wesentlichen konstant ist, wobei die Abstände der Düsen des Düsenringes zueinander zu einem Dampfeinritt in den Düsenring hin zunehmen. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Dampfturbine verbessert und eine Belastung von Laufrad und Düsen gleichmäßiger über dem Umfang verteilt werden.
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Die Massenstromdichte hängt von der Dichte des Dampfes, mit dem der Düsenring, beispielsweise von einem Dampfkessel, beschickt wird, seiner Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere deren meridianer Komponente, sowie der Verteilung und Ausbildung der einzelnen Düsen ab. Dementsprechend kann der Fachmann die erfindungsgemäße konstante Dampfmassenstromdichte insbesondere durch entsprechende Auslegung einer oder mehrerer dieser Parameter realisieren.
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Insbesondere können die Größen, i. e. die hydraulischen Durchmesser der Düsen des Düsenringes in Meridianrichtung, zu einem Dampfeinritt in den Düsenring hin, vorzugsweise monoton, insbesondere streng monoton abnehmen. Denn in der Regel liegt in der Nähe dieses Dampfeintritts die höchste Dampfmassenstromdichte in dem Düsenring vor, während diese aufgrund der eingangs genannten Strömungsverluste zu den von dem Dampfeintritt entfernteren Düsen hin abnimmt. Dies kann dadurch kompensiert werden, dass diese entfernteren Düsen einen größeren hydraulischen Durchmesser aufweisen, so dass sich bei verlustbedingt geringerer Dampfgeschwindigkeit bei Multiplikation mit dem größeren hydraulischen Durchmesser wieder dieselbe Dampfmassenstromdichte als Produkt aus Durchtrittsfläche und Strömungsgeschwindigkeit normal zu dieser ergibt.
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Die Abstände der Düsen des Düsenringes zueinander zu einem Dampfeinritt in den Düsenring hin können monoton, insbesondere streng monoton, zunehmen. Hierdurch sind in Bereichen, in denen verlustbedingt geringere Dampfstromgeschwindigkeiten herrschen, mehr Düsen vorhanden, durch die mehr Dampf mit geringerer Geschwindigkeit hindurchtreten und so wiederum im Wesentlichen dieselbe, über dem Umfang konstante Massenstromdichte aufweisen kann.
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Durch entsprechende Variation der Abstände der Düsenabschnitte zueinander kann vorteilhafterweise die Abströmung aus dem Düsenring und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes in dem Düsenring über seinem Umfang im Wesentlichen konstant eingestellt werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann eine Innenkontur des Düsenkastens derart ausgebildet sein, dass eine Dampfmassenstromdichte über seinem Umfang im Wesentlichen konstant ist.
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Beispielsweise kann ein hydraulischer Innendurchmesser des Düsenkastens in Umfangsrichtung, insbesondere im Wesentlichen über seinem gesamten Umfang, von einem Dampfeinritt aus abnehmen, vorzugsweise monoton, insbesondere streng monoton. Als (streng) monoton abnehmend wird dabei in fachüblicher Weise eine Variation eines Parameters, beispielsweise von Düsengröße, -abstand oder Durchmesser der Innenkontur, bezeichnet, bei der der Parameter an einer in Umfangsrichtung hinteren Position stets kleiner (streng monoton) bzw. kleiner oder gleich (monoton) ist als an einer in Umfangsrichtung vorderen Position. Insbesondere bei einem solchen Düsenkasten mit einer sich zu den dampfeintrittsferneren Düsen hin verjüngenden Innenkontur kann vorteilhafterweise die Meridiangeschwindigkeit des Dampfes in dem Düsenring über seinem Umfang im Wesentlichen konstant eingestellt werden.
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Eine erfindungsgemäße Eintrittsstufe kann insbesondere als Regelstufe ausgebildet sein, deren Düsenring wenigstens zwei, insbesondere wenigstens vier wahlweise ansteuerbare Teilringe aufweist. Dann sind bevorzugt wenigstens ein Teilring, vorzugsweise mehrere, insbesondere alle Teilringe derart ausgebildet, dass eine Dampfmassenstromdichte über deren Umfang im Wesentlichen konstant ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
- 1 einen linken oberen Teilring einer Regelstufe nach betriebsinternen Praxis im Querschnitt;
- 2 einen linken unteren Teilring einer Regelstufe nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung;
- 3 einen rechten oberen Teilring einer Regelstufe nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung; und
- 4 einen rechten unteren Teilring einer Regelstufe nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung.
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Die Figuren zeigen als Ganzes die Anordnung von vier Teilringen oder Düsenkästen 1 bis 4 entlang des Umfanges, so dass durch gezielte Absperrung einzelner Teilringe durch (nicht dargestellte) Ventile am jeweiligen Dampfeintritt in den Düsenkasten die Dampfturbine geregelt im Teillastbetrieb gefahren werden kann. Als Regelung wird vorliegend auf eine reine Steuerung ohne Rückführung von Messwerten bezeichnet. Dabei zeigen die einzelnen Figuren Teilringe verschiedener Ausführungen zur besseren Darstellung gemeinsam, wobei in jeder Ausführung die anderen drei Teilringe durch den Teilring der jeweiligen Ausführung ersetzt zu denken sind.
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1 zeigt den eingangs erläuterten linken oberen Teilring 1 einer Regelstufe, wie sie aus betriebsinterner Praxis bekannt ist. Die Regelstufe weist, wie vorstehend ausgeführt, vier baugleiche Teilringe auf, so dass sich durch Ersatz der 2 bis 4 durch entsprechend gespiegelte 1 eine Draufsicht auf die gesamte Regelstufe in Durchströmrichtung ergibt.
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In 1 sind vier Düsen bzw. Düsenabschnitte 1.1 bis 1.4 angedeutet, wobei mit t1.3 = t1.4 die Größe der entsprechenden Düsenabschnitte in Umfangsrichtung bezeichnet ist. Mit a1.1 = a1.2 ist der hydraulische Strömungsdurchmesser in Umfangsrichtung an zwei verschiedenen Stellen außerhalb des Dampfeintritts bezeichnet.
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Man erkennt, dass die Größe aller Düsenabschnitte in Umfangsrichtung und der hydraulische Strömungsdurchmesser außerhalb des Dampfeintritts in dem bekannten Teilring 1 konstant sind. Durch Strömungsverluste stellt sich eine stark inhomogene Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten und damit der Massenstromdichte ein, die die Dampfmenge bezeichnet, die pro Zeiteinheit durch die einzelnen Düsen durchtritt.
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Daher variieren in einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in den vier baugleichen Teilringen 2, von denen ein linker unterer in 2 dargestellt ist, die Düsengrößen. Wie in 2 erkennbar, nehmen die Düsengrößen in Umfangsrichtung, ausgehend von dem Dampfeintritt hin zu den von diesem entfernteren Düsen streng monoton zu, so dass insbesondere t2.4 > 12.3 gilt. Eine größere Düse kann auch dadurch realisiert sein, dass in dem Bereich dieser Düse mehr gleich große Einzeldüsen angeordnet sind als in einem anderen Bereich, so dass die Abstände solcher Einzeldüsen des Düsenringes zueinander zu dem Dampfeinritt hin zunehmen. Da in den vom Dampfeintritt entfernteren Bereichen des Teilringes 2 mehr bzw. größere Düsen angeordnet sind, wird die verlustbedingt geringere Strömungsgeschwindigkeit in diesen Randbereichen kompensiert, so dass sich im Wesentlichen ein konstanter Dampfmassenstrom über dem Umfang einstellt.
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In einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Innenkontur des Düsenkastens der vier baugleichen Teilringe 3, von denen ein rechter oberer in 3 dargestellt ist, derart ausgebildet, dass eine Dampfmassenstromdichte über seinem Umfang im Wesentlichen konstant ist. Hierzu nimmt der hydraulische Innendurchmesser des Düsenkastens in Umfangsrichtung über seinem gesamten Umfang vom Dampfeinritt aus streng monoton ab, so dass insbesondere a3.1 < a3.2 gilt. Hierdurch wird der Dampf in den vom Dampfeintritt entfernteren Bereichen des Teilringes 3 beschleunigt, so dass die verlustbedingte Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit in diesen Randbereichen kompensiert wird und sich im Wesentlichen ein konstanter Dampfmassenstrom über dem Umfang einstellt.
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In einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Ausführung kombiniert, so dass in den vier baugleichen Teilringen 4, von denen ein rechter unterer in 4 dargestellt ist, die Düsengrößen in Umfangsrichtung, ausgehend von dem Dampfeintritt hin zu den von diesem entfernteren Düsen zunehmen, der hydraulische Innendurchmesser des Düsenkastens hingegen abnimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Teilring
- 1.1,...1.4
- Düsen
- 2
- Teilring
- 2.1,...2.4
- Düsen
- 3
- Teilring
- 3.1,...3.4
- Düsen
- 4
- Teilring
- a1.1, a1.2,
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- a3.1, a3.2
- hydraulischer Innendruchmesser
- t1.3, t1.4,
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- t3.4, t3.4
- Düsengröße