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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Dampfturbine
und insbesondere eine Dampfturbinenlaufschaufel mit optimierter
Geometrie, die für
erhöhte
Betriebsdrehzahlen geeignet ist.
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Der
Dampfströmungspfad
einer Dampfturbine wird von einem stationären Zylinder und einem Rotor
gebildet. Eine Anzahl stationärer
Leitschaufeln ist in einer umlaufenden Anordnung an dem Zylinder befestigt
und erstreckt sich nach innen in den Dampfströmungspfad. Gleichermaßen ist
eine Anzahl Laufschaufeln in einer umlaufenden Anordnung an dem Rotor
befestigt und erstreckt sich nach außen in den Dampfströmungspfad.
Die stationären
Leitschaufeln und die Laufschaufeln sind in sich abwechselnden Reihen
angeordnet, so dass eine Leitschaufelreihe und die unmittelbar stromabwärts folgende
Laufschaufelreihe eine Stufe bilden. Die Leitschaufeln dienen dazu,
den Dampfstrom so zu leiten, dass er im korrekten Winkel in die
stromabwärtige
Laufschaufelreihe strömt.
Die Laufschaufelblätter
entziehen dem Dampf Energie und entwickeln dadurch die notwendige
Leistung, um den Rotor und die mit ihm verbundene Last anzutreiben.
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Der
von jeder Laufschaufelreihe umgesetzte Energiebetrag hängt von
der Größe und der
Form der Laufschaufelblätter
sowie von der Schaufelanzahl in der Reihe ab. Folglich sind die
Formen der Laufschaufelblätter
ein wichtiger Faktor für
die thermodynamische Leistung der Turbine, und die Festlegung der
Geo metrie der Laufschaufelblätter
ist ein wichtiger Aspekt bei der Turbinenkonstruktion.
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Wenn
der Dampf durch die Turbine strömt, fällt sein
Druck beim Durchströmen
der einzelnen aufeinander folgenden Stufen ab, bis der gewünschte Enddruck
erreicht ist. Die Dampfeigenschaften, d. h. Temperatur, Druck, Geschwindigkeit
und Feuchtegehalt, variieren demnach von Reihe zu Reihe, wenn der
Dampf durch den Strömungspfad
expandiert. Infolgedessen kommen in jeder Laufschaufelreihe Schaufeln
mit einer Schaufelblattform zum Einsatz, die für die Dampfzustände im Zusammenhang
mit der betreffenden Reihe optimiert ist. In einer bestimmten Reihe
sind die Formen der Laufschaufelblätter jedoch identisch – abgesehen
von bestimmten Turbinen, in denen die Schaufelblattformen der einzelnen
Laufschaufeln innerhalb der Reihe variiert werden, um die Resonanzfrequenzen
zu variieren.
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Die
Laufschaufelblätter
erstrecken sich von einem Laufschaufelfuß nach außen, der zum Sichern der Schaufel
am Rotor dient. Üblicherweise
wird dies erreicht, indem durch das Ausbilden von sich ungefähr in Axialrichtung
erstreckenden, sich abwechselnden Zapfen und Nuten an den Seiten
des Laufschaufelfußes
eine Tannenbaumform auf den Fuß übertragen
wird. Im Laufrad werden Schlitze mit passenden Zapfen und Nuten
ausgebildet. Wenn der Laufschaufelfuß in den Laufradschlitz geschoben
ist, wird die an der Laufschaufel angreifende Zentrifugallast, die
aufgrund der hohen Drehzahl des Rotors sehr hoch ist, auf Teile
der Zapfen verteilt, über
welche die Laufschaufel und das Laufrad miteinander in Kontakt stehen.
Wegen der hohen Zentrifugallast sind die Spannungen im Rotorschaufelfuß und im Laufradschlitz
sehr groß.
Es ist deshalb wichtig, die von den Zapfen und Nuten gebildeten
Spannungskonzentrationen zu minimieren und die Lagerbereiche zu
maximieren, in denen die Kontaktkräfte zwischen dem Laufschaufelfuß und dem
Lauf radschlitz auftreten. Von besonderer Bedeutung ist dies in den letzten
Reihen einer Niederdruckdampfturbine wegen des großen Ausmaßes und
Gewichts der Laufschaufeln in diesen Reihen und wegen der vorhandenen
Spannungskorrosion aufgrund von Feuchtigkeit im Dampfstrom.
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Die
Laufschaufeln sind nicht nur der beständigen Zentrifugallast, sondern
auch Schwingungen ausgesetzt.
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Die
Turbinenlaufschaufeln des Niederdruckabschnitts sind in der Regel
für eine
bestimmte Betriebsdrehzahl konstruiert und optimiert, die von den
verschiedenen Anwendungen vorgegeben wird. Die Hauptbetriebsparameter
sind der Ringraumquerschnitt, die Drehzahl, die Massenstromkapazität und, für die Laufschaufeln
der letzten Stufe, der Kondensationsdruck.
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Die
mit der Konstruktion einer Dampfturbinenlaufschaufel verbundene
Schwierigkeit wird durch die Tatsache erhöht, dass die Schaufelblattform
zu einem großen
Teil sowohl die an der Laufschaufel angreifenden Kräfte und
ihre mechanische Festigkeit und Resonanzfrequenzen als auch die thermodynamische
Leistung der Laufschaufel bestimmt. Aufgrund dieser Überlegungen
ist die Wahl der Schaufelblattform Einschränkungen unterworfen, so dass
die optimale Schaufelblattform für
eine bestimmte Reihe notgedrungen einen Kompromiss zwischen ihren
mechanischen und aerodynamischen Eigenschaften darstellt.
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Daher
ist es wünschenswert,
eine Reihe aus Dampfturbinenlaufschaufeln mit einer guten thermodynamischen
Leistung bereitzustellen und gleichzeitig die aufgrund der Fliehkraft
auftretenden Spannungen am Blatt und am Fuß der Laufschaufel zu minimieren
und eine Resonanzanregung zu vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einer exemplarischen Ausführungsform weist
eine Laufschaufel für
eine Dampfturbine einen Fußabschnitt
und einen an den Fußabschnitt
angrenzenden Schaufelblattabschnitt auf. Der Schaufelblattabschnitt
ist so geformt, dass neben optimierter aerodynamischer Leistung
gleichzeitig eine optimierte Strömungsverteilung
sowie minimale Fliehkraftbeanspruchungen und Biegespannungen erreicht
werden. Die Laufschaufel weist zudem einen sich aus dem Schaufelblattabschnitt
fortsetzenden Spitzenabschnitt und eine als Teil des Spitzenabschnitts
ausgebildete Abdeckung auf. Die Abdeckung definiert eine Radialdichtung,
die dazu dient, Schaufelspitzenverluste zu minimieren.
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In
einer weiteren exemplarischen Ausführungsform weist eine Laufschaufel
für eine
Dampfturbine einen Fußabschnitt
und einen an den Fußabschnitt
angrenzenden Schaufelblattabschnitt auf. Der Schaufelblattabschnitt
ist so geformt, dass neben optimierter aerodynamischer Leistung
gleichzeitig eine optimierte Strömungsverteilung
sowie minimale Fliehkraftbeanspruchungen und Biegespannungen erreicht
werden. Die Laufschaufel weist zudem einen sich aus dem Schaufelblattabschnitt
fortsetzenden und eine Spitzenbreite aufweisenden Spitzenabschnitt
und eine als Teil des Spitzenabschnitts ausgebildete Abdeckung auf.
Die Abdeckung ist breiter als die Spitzenbreite, sodass die Abdeckung
beim Drehen in eine benachbarte Abdeckung einer benachbarten Laufschaufel
eingreift. Die Abdeckung definiert zudem eine Radialdichtung, die
dazu dient, Schaufelspitzenverluste zu minimieren. Die Laufschaufel
ist so konfiguriert, dass ein Auslassringraumquerschnitt der Laufschaufel
0,143 m2 beträgt, ein Betriebsdrehzahlbereich
der Laufschaufel zwischen 5.625 und 11.250 Umdrehungen pro Minute liegt
und ein maximaler Massenstrom an der Laufschaufel 30,9 kg/s beträgt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Vorderansicht der Dampfturbinenlaufschaufel;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht;
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3 ist
eine Draufsicht auf die Schaufelabdeckung; und
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4 zeigt
die Schaufelspitze und -abdeckung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
den 1 und 2 weist eine Laufschaufel für eine Dampfturbine
einen Fußabschnitt 2 auf,
der zum Anschluss an den Turbinenrotor mit einem in Axialrichtung
eingesetzten Schwalbenschwanz 3 verbunden ist. Wie gezeigt,
weist der Schwalbenschwanz 3 eine zweihakige Tannenbaumform
auf. Als Gegenstand einer gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung wurde
die Geometrie des in Axialrichtung eingesetzten Schwalbenschwanzes optimiert,
um eine Verteilung mittlerer und lokaler Spannungen zu erreichen,
die einen angemessenen Schutz gegen Überdrehzahl und Kurzzeitermüdung garantiert.
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Ein
Schaufelblatt 10 erstreckt sich vom Fußabschnitt 2 weg,
und ein Spitzenabschnitt 4 setzt sich aus dem Schaufelblattabschnitt 10 fort.
Wie in den 2 und 4 gezeigt,
ist eine Abdeckung 5 als Teil des Spitzenabschnitts 4 ausgebildet.
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Um
Betriebsdrehzahlen in einem Bereich von 5.625 bis 11.250 Umdrehungen
pro Minute bei einem maximalen Massenstrom von 30,9 kg/s und einem
Auslassringraumquerschnitt von 0,143 m2 zu
ermöglichen,
wurden strömungsmechanische
Berechnungen zur Optimierung der Schaufelblattgeometrie durchgeführt. Wie
für den
Fachmann nachvollziehbar ist, sind Massenstrom und Ringraumquerschnitt wichtige
Konstruktionsparameter. Ein „Auslassringraumquerschnitt" ist ein ringförmiger Bereich,
der unten von der Spitze des Laufschaufel-Schwalbenschwanzes und
oben von der Unterseite der Abdeckung gebildet wird. Die optimierte
Geometrie kann die höheren
Betriebsdrehzahlen bewältigen
und gleichzeitig die damit verbundenen Zunahme an Spannungs- und
Frequenzproblemen vermeiden. Der Schaufelblattabschnitt 10 wird
insbesondere mit einem optimalen Verhältnis von Teilung zu Breite ausgeführt. Darüber hinaus
wird eine Dickenverteilung einer konventionellen Konstruktion entlang
dem Schaufelblattabschnitt 10 modifiziert, um die Leistung
zu optimieren. Ferner wird die Krümmung des Schaufelblattabschnitts 10 angepasst,
um infolge des Betriebs mit hoher Drehzahl auftretende Druck- und
Stoßverluste
zu verringern. Die Staffelung der Schaufelblattabschnitte wird optimiert,
um lokale Spannungen am Schaufelfuß zu minimieren, die vom Aufdrehen
der Laufschaufel unter Fliehkraft verursacht werden.
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Die 3 und 4 zeigen
die Schaufelabdeckung 5 in einer Drauf- bzw. Seitenansicht.
Die Abdeckung 5 wird vorzugsweise mit der Laufschaufel gefertigt
und ist folglich integral mit dem Spitzenabschnitt 4 ausgeformt.
Die Abdeckung 5 weist wenigstens eine und vorzugsweise
zwei Spitzendichtungen 12 sowie an der Laufschaufel herausgearbeitete
zylindrische Oberflächen
auf, um eine Leckagekontrolle zu ermöglichen.
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Wie
in 4 gezeigt, ist die Abdeckung 5 mit einer
Breite konstruiert, die die Breite des Spitzenabschnitts 4 übertrifft.
Diese Konstruktion definiert zusammen mit einer Verwindung in der
Schaufel einen anfänglichen
Spalt zwischen den Abdeckungskontaktflächen benachbarter Schaufeln.
Dieser Spalt wird beim Drehen infolge der von der Entwindung der Schaufel
verursachten Rotation der Abdeckung geschlossen. Sobald die Abdeckungen
benachbarter Laufschaufeln ineinander greifen, verhalten sich die Laufschaufeln
wie ein einziges fortlaufend gekoppeltes Bauteil, das im Vergleich
zu einer frei stehenden Konstruktion überlegene Steifigkeits- und
Dämpfungsmerkmale
aufweist, was sehr geringe Schwingungsbelastungen zur Folge hat.
Dies bedeutet, dass die im Eingriff stehenden Abdeckungen zwischen
benachbarten Laufschaufeln ein Abdeckungsband oder Deckband entlang
der äußeren Peripherie des
Turbinenlaufrads bilden, um das Arbeitsmedium in einem gut definierten
Pfad einzuschließen
und die Steifigkeit der Laufschaufeln zu erhöhen.
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Die
hier beschriebene Dampfturbinenlaufschaufel ermöglicht deutlich verbesserte
aerodynamische und mechanische Leistungen und Wirkungsgrade und
bietet zusätzlich
Abdeckungen mit Radialdichtungen zur Minimierung der Schaufelspitzenverluste,
minimale Fliehkraft- und Dampfbiegebeanspruchungen, eine durchgängig gekoppelte
Abdeckungskonstruktion zur Minimierung von Schwingungsbelastungen,
reduzierte Wirkungsgradverluste und eine optimierte Strömungsverteilung.
Die Turbinenlaufschaufeln können
als solche bei höheren
Betriebsdrehzahlen effizienter betrieben werden.
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Während die
Erfindung im Zusammenhang mit den Ausführungsformen beschrieben wurde,
die derzeit für
die praktikabelsten und bevorzugten Ausführungsformen erachtet werden,
versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die dargelegte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige
Anordnungen einschließt,
die dem Geist und dem Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche entsprechen.
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Eine
Laufschaufel für
eine Dampfturbine weist einen Fußabschnitt 2 und einen
an den Fußabschnitt
angrenzenden Schaufelblattabschnitt 10 auf. Der Schaufelblattabschnitt
ist so geformt, dass neben optimierter aerodynamischer Leistung
gleichzeitig eine optimierte Strömungsverteilung
sowie minimale Fliehkraftbeanspruchungen und Biegespannungen erreicht
werden. Die Laufschaufel weist zudem einen sich aus dem Schaufelblattabschnitt
fortsetzenden Spitzenabschnitt 4 und eine als Teil des Spitzenabschnitts
ausgebildete Abdeckung 5 auf. Die Abdeckung definiert eine
Radialdichtung, die dazu dient, Schaufelspitzenverluste zu minimieren. Die
Laufschaufel kann bei Betriebsdrehzahlen zwischen 5.626 und 11.250
Umdrehungen pro Minute betrieben werden.