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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft ganz allgemein rotierende Maschinen und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Reduzieren von internen Austrittsturbulenzen bei rotierenden Maschinen.
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Dampf- und Gasturbinen dienen unter anderem dazu, elektrische Generatoren anzutreiben. Eine Dampfturbine weist einen Dampfstrompfad auf, zu dem gewöhnlich ein Dampfeinlass, eine Turbine und ein Dampfauslass gehören, die seriell angeordnet sind. Eine Gasturbine weist einen Gaspfad auf, zu dem gewöhnlich eine Luftansaugöffnung (oder Lufteinlass), ein Kompressor, eine Brennkammer, eine Turbine und ein Gasauslass (oder eine Austrittsdüse) gehören, die seriell angeordnet sind. Einige bekannte Dampfturbinen sind an einen Kondensator angeschlossen. Unter normalen Betriebsbedingungen lenkt ein Turbinengehäuse den Austrittsstrom axial durch die Turbine zu einem Austrittsdiffusor, und der Kondensator kondensiert anschließend den Abdampf. Bekannte Gehäuse weisen Kanalöffnungen mit Entlastungsmembranen auf. Unter ungewöhnlichen Betriebsbedingungen kann der Kondensator versagen und einen raschen Druckanstieg in dem Austrittsdiffusor hervorrufen. Die Entlastungsmembran ist so konstruiert, dass sie unter dieser Bedingung reißt und Dampf nach außen entlässt, was dazu beiträgt, eine Beschädigung der Turbine zu verhindern.
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Eine Turbine mit einem solchen Gehäuse ist aus der
DE 25 44 953 A1 bekannt. Dieser Turbinenmotor weist einen Austrittsdiffusor, auf, der sich hinter dem Austrittsgehäuse aus diesem heraus erstreckt. Beim Zusammenbau eines solchen Turbinenmotors wird an dem Austrittsdiffusor eine Entlastungsmembran angebracht. Außerdem wird eine Führungssystems an den Austrittsdiffusor angegliedert, so dass sich das Führungssystem radial innerhalb der Entlastungsmembran befindet und wenigstens einen Abschnitt des Austrittsströmungspfads durch den Austrittsdiffusor definiert.
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Der Wirkungsgrad des Betriebes einer Turbine hängt zumindest teilweise von den dynamischen Strömungsverhältnissen in der Turbine ab, und als solcher kann der Wirkungsgrad der Turbine durch die Geometrie aerodynamischer Komponenten beschränkt sein. Genauer gesagt bedeutet dies, dass ein Verändern der geometrischen Gestalt gewisser aerodynamischer Komponenten, z. B. der Austrittsdiffusoren, dazu beitragen kann, Strömungsstörungen zu vermindern und den Wirkungsgrad einer Turbine zu erhöhen. Da benachbart zum Austrittsströmungspfad Entlastungsmembranen angeordnet sind, ist es allerdings möglich, dass die Kanalöffnungen Turbulenzen in den Austrittsströmungspfad induzieren. Eine derartige Turbulenz ruft gegebenenfalls Strömungsverluste hervor, die den Wirkungsgrad der Turbine reduzieren können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Zusammenbau eines Turbinenmotors mit einem Austrittsdiffusor zu schaffen, an dem eine Entlastungsmembrane angebracht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Aspekt ist ein Verfahren zum Zusammenbau eines Turbinenmotors mit einem Austrittsdiffusor geschaffen, der sich hinter dem Austrittsgehäuse aus diesem erstreckt, bei dem zu dem Verfahren ein Angliedern einer Entlastungsmembran an den Austrittsdiffusor und ein Angliedern eines Führungssystems an den Austrittsdiffusor gehören, so dass das Führungssystem radial innerhalb der Entlastungsmembran angeordnet ist und wenigstens einen Abschnitt des Austrittsströmungspfads durch den Austrittsdiffusor definiert.
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Nach einem anderen Aspekt ist ein Turbinenantrieb geschaffen, wobei zu dem Antrieb gehören: ein Austrittsgehäuse, das einen Teil eines durch den Antrieb hindurch verlaufenden Austrittsströmungspfads definiert, ein an das Austrittsgehäuse angegliederter Austrittsdiffusor, eine an den Austrittsdiffusor angegliederte Entlastungsmembran und ein Führungssystem, das an den Austrittsdiffusor angegliedert ist, so dass sich das Führungssystem radial innerhalb der Entlastungsmembran und zwischen der Entlastungsmembran und dem Austrittsströmungspfad befindet.
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In einem weiteren Aspekt ist ein Turbinenmotor geschaffen, zu dem gehören: ein Austrittsgehäuse, ein Austrittsdiffusor, eine Entlastungsmembran, wobei die Entlastungsmembran einen von dem Gehäuse sich erstreckenden gekappten Kanal aufweist, und konfiguriert ist, um während Turbinenbedingungen überhöhten Drucks zu reißen, und ein Führungssystem, das zwischen der Zwischenwand und einem sich durch das Austrittsgehäuse erstreckenden Austrittsströmungspfad in die Turbine eingegliedert ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Schnittansicht eines exemplarischen Turbinenantriebs.
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2 zeigt eine geschnittene schematische Stirnansicht eines bekannten Austrittsdiffusors, der im Zusammenhang mit der in 1 gezeigten Turbine verwendet werden kann.
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3 zeigt eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht eines exemplarischen Führungssystems, das in Zusammenhang mit dem in 1 gezeigten Austrittsdiffusor verwendet werden kann.
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4 stellt eine geschnittene schematische Stirnansicht des in 3 gezeigten Führungssystems dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines exemplarischen Dampfturbinenantriebs 10 mit einer Rotoranordnung 12, einer Statoranordnung 14 und einem Gehäuse 16. Die Rotoranordnung 12 weist eine Welle 18 und eine Vielzahl von Schaufelanordnungen 20 auf. Jede Schaufelanordnung 20 enthält eine Vielzahl von Schaufeln 22, die in Reihen angeordnet sind, die sich um den Umfang der Welle 18 erstrecken.
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Die Statoranordnung 14 enthält einen Stator 24 und mehrere Düsenvorrichtungen 26. Die Düsenvorrichtungen 26 weisen eine Vielzahl von Düsen 28 auf, die in Reihen angeordnet sind, die sich radial nach innen und um den Umfang des Stators 24 erstrecken. Die Düsen 28 wirken mit den Schaufeln 22 zusammen, um eine Turbinenstufe zu bilden und einen Abschnitt eines Dampfströmungspfads durch die Turbine 10 zu definieren.
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Im Betrieb tritt Dampf 30 in einen Einlass 32 der Turbine 10 ein und wird durch die Düsen 28 hindurch kanalisiert. Die Düsen 28 lenken den Dampf 30 stromabwärts gegen die Schaufeln 22. Der durch die Turbinenstufen strömende Dampf 30 übt auf die Schaufeln 22 eine Kraft aus, die eine Rotation der Welle 18 bewirkt. Der Dampf 30 tritt über ein Austrittsgehäuse 34 und einen Austrittsdiffusor 36 aus der Turbine 10 aus. Auf dem Diffuser 36 sind eine atmosphärische Druckentlastungsmembran 38, eine Öffnung 44 und ein gekappter Kanal 50 angeordnet. Die Entlastungsmembran 38 ist konfiguriert, um beim Auftreten einer Überdruckbedingung des Auslasses zu reißen, und die Abgase bzw.
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der Abdampf werden in diesem Falle über die Öffnung 44, den Kanal 50, und die Entlastungsmembran 38 aus der Turbine 10 geleitet.
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Zumindest das eine Ende der Turbine 10 kann sich axial von der Welle 18 weg erstrecken und kann an eine (nicht gezeigte) Last oder, ohne darauf beschränkt zu sein, an Maschinen, wie z. B. einen Generator und/oder eine weitere Turbine, angeschlossen sein. Eine große Dampfturbineneinheit kann somit tatsächlich einige Turbinen aufweisen, die sämtliche koaxial an dieselbe Welle 18 angeschlossen sind. Eine derartige Einheit kann beispielsweise eine Hochdruckturbine enthalten, die an eine Turbine mittleren Drucks angeschlossen ist, die wiederum an eine Niederdruckturbine angeschlossen ist. In einem Ausführungsbeispiel kann die Dampfturbine 10 im Handel von General Electric Power Systems, Schenectady, New York bezogen werden.
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2 ist eine geschnittene schematische Stirnansicht eines bekannten Austrittsdiffusors 36 der im Zusammenhang mit dem Turbinenantrieb 10 eingesetzt werden kann. Der Diffusor 36 weist eine erste Seite 40 und eine zweite Seite 42 auf, die entgegengesetzt zu der ersten Seite 40 angeordnet ist, so dass zwischen diesen eine Öffnung 44 definiert ist. Ein Vorsprung 46 ragt im Wesentlichen um den Umfang herum von einer Innenfläche 48 des Diffusors 36 her in die Öffnung 44. Eine atmosphärische Druckentlastungsmembran 38 ist an dem Diffusor 36 angegliedert, so dass die Entlastungsmembran 38 in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Austrittsströmungspfad steht. Die Entlastungsmembran 38 ist aus dem Stand der Technik bekannt, und ist an einen gekappten Kanal 50 angegliedert, de sich von dem Diffusor 36 aus radial nach außen erstreckt.
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Während eines normalen Betriebes bleibt die Entlastungsmembran 38 dicht und der Diffusor 36 kanalisiert die Abgase bzw. den Abdampf aus dem Turbinenantrieb 10 axial nach außen. Die Geometrie und Orientierung der Seiten 40 und 42, des Vorsprungs 46 und des gekappten Kanals 50 kann eine Turbulenz in dem Austrittsströmungspfad induzieren und dadurch den Wirkungsgrad der Turbine vermindern. Die Entlastungsmembran 38 ist konfiguriert, um beim Auftreten einer Überdruckbedingung des Auslasses zu reißen und die Abgase bzw. den Abdampf über die Öffnung 44 aus der Turbine 10 zu entlassen, um dazu beizutragen, den übermäßigen Spitzenbetriebsdruck innerhalb des Diffusors 36 auf einen angemessenen Spitzenbetriebsdruck zu reduzieren.
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3 zeigt eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht eines exemplarischen Führungssystems 70, das im Zusammenhang mit der oberen Hälfte des Austrittsdiffusors 36 verwendet werden kann. 4 ist eine geschnittene schematische Stirnansicht des Führungssystems 70. Das Führungssystem 70 weist eine erste Führungselementschale 72 und eine zweite Führungselementschale 74 auf. Die Elementschale 74 ist der Elementschale 72 gegenüberliegend angeordnet, und jede Schale 72 und 74 ist drehgelenkig an dem Diffusor 36 befestigt. Genauer gesagt bedeutet dies, dass die Schalen 72 und 74 über ein Paar Drehgelenke 76 drehgelenkig an dem Diffusor 36 befestigt sind, so dass jede Schale 72 und 74 in der Lage ist, aus einer geschlossenen Position 85 in eine offene Position 102 zu schwenken. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel sind die Schalen 72 und 74 unter Verwendung mindestens eines der Mittel wie einer federvorgespannten Sperrklinke, einer Rückhaltevorrichtung und/oder einem Kabel an dem Diffusor 36 drehgelenkig befestigt. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Drehgelenke 76 an dem Diffusorvorsprung 46 befestigt.
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Die Elementschale 72 weist einen radial außen angeordneten Rand 80, einen radial innenliegenden Rand 82 und einen sich zwischen diesen erstreckenden gekrümmten Grundkörper 84 auf. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Schale 74 identisch zu der Schale 72 und weist einen radial innenliegenden Rand 86 und einen radial äußeren Rand 88 und einen sich zwischen diesen erstreckenden gekrümmten Grundkörper 90 auf. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Grundkörper 84 und 90 im Wesentlichen eben.
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Das Führungssystem 70 weist ferner einen Stützvorsprung 94 und wenigstens einen Scherstift 96 auf. Der Stützvorsprung 94 erstreckt sich über der Öffnung 44 zwischen einem vorderen Diffusorvorsprung 78 und einem hinteren Diffusorvorsprung 92, so dass die Elementschalen 72 und 74 daran gehindert sind, in Richtung eines Diffusorhohlraums 98 nach innen zu schwenken. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Stützvorsprung 94 senkrecht zu der vertikalen Mittelachse 100. Die Elementschale 72 und die Elementschale 74 sind in der geschlossenen Stellung durch wenigstens einen Scherstift 96 gegen den Stützvorsprung 94 gesichert. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel bilden innenliegende Ränder 82 und 86 in der geschlossenen Stellung eine Berührungslinie mit dem Stützvorsprung 94. Der Diffusorhohlraum 98 ist zwischen den Grundkörpern 84 und 90 und der Entlastungsmembran 38 über wenigstens eine in den Grundkörpern 84 und 90 ausgebildete Öffnung 87 in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Austrittsdiffusor 36 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 87 im Wesentlichen zentrisch innerhalb in den Grundkörpern 84 und 90 angeordnet. Die Öffnung 87 ist geeignet dimensioniert, um eine rasche Übertragung von übermäßigen Druck auf die Entlastungsmembran 38 zu ermöglichen, so dass die Entlastungsmembran 38 in der Lage ist zu reißen.
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Während eines normalen Betriebes bleibt die Entlastungsmembran 38 dicht, das Führungssystem 70 bleibt in der geschlossenen Position 85 und isoliert die Entlastungsmembran 38 von dem Austrittspfadstrom, und der Diffusor 36 kanalisiert den Austrittspfadstrom aus dem Turbinenantrieb 10 axial nach außen. Die Geometrie und Ausrichtung des Führungssystems 70 fördert eine Reduzierung turbulenter Strömung 52. Genauer gesagt bedeutet dies, dass die Geometrie der ersten Führungselementschale 72 und der zweiten Führungselementschale 74 im Wesentlichen die Geometrie und Ausrichtung des Diffusors 36 ergänzen und über der Öffnung 44 eine kontinuierliche Strömungsfläche bilden.
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Beim Auftreten einer Überdruckbedingung in dem Auslass reißt die Entlastungsmembran 38, die Stifte 96 scheren ab, und das Führungssystem 70 bewegt sich in eine offene Position 102, so dass die Abgase bzw. der Abdampf aus der Antriebsturbine 10 durch die Öffnung 44 und an der Entlastungsmembran 38 vorbei ausgestoßen werden, um eine Verminderung des Betriebsdrucks innerhalb des Diffusors 36 zu fördern. Insbesondere brechen unter der Bedingung des Überdrucks die Scherstifte 96 und die erste Führungselementschale 72 und die zweite Elementschale 74 drehen sich in die geöffnete Stellung 102. Das Führungssystem 70 ist geeignet dimensioniert, um eine ungehinderte Strömung durch die gerissene Entlastungsmembran 38 zu ermöglichen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Entlastungsmembran 38 konfiguriert, um zu reißen, wenn der Druck innerhalb des Austrittsgehäuses etwa 15 psi Überdruck überschreitet. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Entlastungsmembran 38 konfiguriert, um zu reißen, wenn der Druck innerhalb des Austrittsgehäuses etwa 1 psi Überdruck überschreitet.
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Das oben beschriebene Führungssystem steigert die Leistung und ist effizient. Das Führungssystem verbessert die aerodynamischen Eigenschaften des Austrittsdiffusors, indem es die durch die gekappten Kanäle induzierten Strömungsschwankungen und Verluste vermindert und somit die Verringerung von Austrittsstromturbulenz und Steigerung des Wirkungsgrads der Turbine fördert. Als Folge hiervon verbessert das Führungssystem die Leistung der Turbine erheblich und erhöht den Wirkungsgrad des Betriebs auf kostengünstige Weise.
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Im Vorausgehenden wurden Ausführungsbeispiele des Führungssystems im Einzelnen beschrieben. Die Systeme sind nicht auf die speziellen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können Komponenten des Führungssystems unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet werden. Jede Führungssystemkomponente kann auch in Kombination mit anderen Führungssystem- und Turbinenkomponenten verwendet werden.
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Ein Verfahren zum Zusammenbau eines Turbinenmotors (10) mit einem Austrittsdiffusor (36), der sich hinter dem Austrittsgehäuse (16) aus diesem erstreckt, bei dem zu dem Verfahren ein Angliedern einer Entlastungsmembran (38) an den Austrittsdiffusor und ein Angliedern eines Führungssystems (70) an den Austrittsdiffusor gehören, so dass sich das Führungssystem radial innerhalb der Entlastungsmembran befindet und wenigstens einen Abschnitt des Austrittsströmungspfads durch den Austrittsdiffusor definiert.
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Während die Erfindung anhand vielfältiger spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass es möglich ist, die Erfindung mit Abwandlungen zu verwirklichen, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.
