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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel für eine Dampfturbine
und im Besonderen auf eine Laufschaufel für eine Dampfturbine mit optimierter äußerer Form,
die erhöhte
Betriebsdrehzahlen ermöglicht.
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Der
Dampfströmungskanal
einer Dampfturbine wird von einem stationären Zylinder und einem Rotor
gebildet. An dem Zylinder sind ringsum mehrere stationäre Leitschaufeln
angeordnet, die sich nach innen in den Dampfströmungskanal erstrecken. Auch sind
an dem Rotor ringsum mehrere Laufschaufeln angeordnet, die sich
nach außen
in den Dampfströmungskanalerstrecken.
Die stationären
Leitschaufeln und die Laufschaufeln sind in abwechselnden Reihen
angeordnet, so dass eine Leitschaufelreihe und die unmittelbar dahinter
liegende Schaufelreihe eine Turbinenstufe bilden. Die Leitschaufeln
dienen zur Leitung der Dampfströmung,
so dass diese im richtigen Winkel in die angrenzende Schaufelreihe eintritt.
Die Strömungsflächen der
Schaufel entziehen dem Dampf Energie, und entwickeln dadurch die nötige Kraft,
um den Rotor und die daran befindliche Last anzutreiben.
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Die
Energiemenge, die von jeder Laufschaufelreihe gewonnen wird, ist
abhängig
von Größe und Form
der Schaufelströmungsflächen, als
auch von der Anzahl der Schaufeln in der Reihe. Daher sind die Formen
der Schaufelströmungsflächen ein
wichtiger Faktor für
die thermodynamische Leistung der Turbine, und die Bestimmung der äußeren Form
der Schaufelströmungsflächen ist
ein wichtiger Teil der Turbinenkonstruktion.
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Wenn
der Dampf durch die Turbine strömt, fällt sein
Druck in jeder nachfolgenden Stufe, bis der gewünschte Auslassdruck erreicht
ist. Daher sind die Dampfeigenschaften, – das sind Temperatur, Druck, Geschwindigkeit
und Feuchtigkeitsgehalt – von
Reihe zu Reihe unterschiedlich, während sich der Dampf in dem
Strömungskanal
ausdehnt. Folglich nutzt jede Schaufelreihe Schaufeln mit einer
Strömungsflächenform,
die für
die Dampfbedingungen in Verbindung mit dieser Reihe optimiert sind.
Innerhalb einer bestimmten Reihe sind die Formen der Schaufelströmungsflächen jedoch
identisch, außer
in bestimmten Turbinen, in denen die Strömungsflächenformen der Schaufeln innerhalb
der Reihe variieren, um die Resonanzfrequenzen zu verändern.
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Die
Schaufelströmungsflächen erstrecken sich
von einem Schaufellagerzapfen, der dazu verwendet wird, die Schaufel
an dem Rotor zu sichern. Üblicherweise
wird dies erreicht, indem der Lagerzapfen durch Ausbildung von annähernd axial ausgedehnten
Rillen und Kanten entlang der Seiten des Schaufellagerzapfens eine
Tannenbaumform erhält.
In der Rotorscheibe sind Öffnungen
mit den Gegenstücken
der Rillen und Kanten ausgebildet. Wenn der Schaufellagerzapfen
in die Öffnung
der Scheibe eingeschoben wird, verteilt sich die zentrifugale Spannung
der Schaufel, die aufgrund der hohen Drehzahl des Rotors sehr hoch
ist, entlang der Rillenabschnitte, mittels derer der Lagerzapfen
und die Scheibe verbunden sind. Aufgrund der hohen Zentrifugalkraft
sind die Spannungen im Schaufellagerzapfen und in der Scheibenöffnung sehr
hoch. Es ist daher wichtig, die Belastungskonzentrationen, die von den
Rillen und Kanten ausgehen, zu minimieren und die tragenden Bereiche,
auf denen die Kontaktkräfte zwischen
dem Schaufellagerzapfen und der Scheibenöffnung auftreten, zu maximieren.
Das ist in den hinteren Reihen einer Niederdruckdruckdampfturbine
aufgrund der großen
Größe und Gewicht
der Schaufeln in diesen Reihen und des Auftretens von Spannungskorrosion
aufgrund von Feuchtigkeit im Dampfdurchfluss besonders wichtig.
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Zusätzlich zu
der ständigen
zentrifugalen Spannung unterliegen die Schaufeln auch der Vibration.
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Die
im Niederdruckbereich rotierenden Turbinenschaufeln sind üblicherweise
so konstruiert und optimiert, um eine bestimmte Betriebsdrehzahl
zu erreichen, wie es die verschiedenen Anwendungen erfordern. Hauptsächliche
Betriebsparameter sind Ringabschnitt, Drehzahl, Aufnahmefähigkeit
von Strömungsmasse,
und für
die letzte Stufenschaufel – Kondesationsdruck.
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Die
Schwierigkeit, die mit der Konstruktion einer Dampfturbinenschaufel
verbunden ist, wird durch die Tatsache verschärft, dass die Strömungsflächenform
zum großen
Teil sowohl die auf die Schaufel wirkenden Kräfte sowie ihre mechanische Stärke und
Resonanzfrequenzen, als auch die thermodynamische Leistung der Schaufel
bestimmt. Diese Überlegungen
erzwingen Einschränkungen
bei der Wahl der Schaufelströmungsflächenform,
so dass notwendigerweise die optimale Schaufelströmungsflächenform
für eine
bestimmte Reihe, einen Kompromiss zwischen ihren mechanischen und
aerodynamischen Eigenschaften bedingt.
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Es
ist daher wünschenswert,
eine Reihe von Dampfturbinenschaufeln anzubieten, die gute thermodynamische
Leistung bietet, während
sie die Spannungen auf die Schaufelströmungsfläche und Lagerzapfen aufgrund
von Zentrifugalkraft minimiert und Resonanzerregung vermeidet.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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In
einer exemplarischen Fassung umfasst eine Dampfturbi nenlaufschaufel
einen Sockelabschnitt und einen Strömungsflächenabschnitt, der an den Sockelabschnitt
angrenzt. Der Strömungsflächenabschnitt
ist zur Optimierung der aerodynamischen Leistung geformt, während er
gleichzeitig optimierte Durchflussverteilung und minimale zentrifugale-
und Krümmungsspannung
ermöglicht.
Die Schaufel umfasst auch einen Spitzenabschnitt, der sich mit dem
Strömungsflächenabschnitt
fortsetzt, und eine Ummantelung, die als Teil des Spitzenabschnitts ausgebildet
ist. Die Ummantelung begrenzt eine zentrische Manschette, die dazu
dient, Verluste von Spitzen zu minimieren.
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In
einer weiteren exemplarischen Fassung, umfasst eine Dampfturbinenlaufschaufel
einen Sockelabschnitt und einen Strömungsflächenabschnitt, der an den Sockelabschnitt
angrenzt. Der Strömungsflächenabschnitt
ist zur Optimierung der aerodynamischen Leistung geformt, während er
gleichzeitig optimierte Durchflussverteilung und minimale zentrifugale-
und Krümmungsspannung
ermöglicht. Die
Schaufel umfasst auch einen Spitzenabschnitt der sich an den Strömungsflächenabschnitt
anschließt
und eine Breite der Spitze festlegt, sowie eine Ummantelung, die
als Teil des Spitzenabschnitts ausgebildet ist. Die Ummantelung
ist breiter als die Spitze, so dass unter Drehzahl, die Ummantelung
in eine angrenzende Ummantelung einer angrenzenden Schaufel greift.
Die Ummantelung begrenzt auch eine zentrische Manschette, die dazu
dient, Spitzenverluste zu minimieren. Die Schaufel ist so konfiguriert,
dass ein Ausgangsringabschnitt der Schaufel 0.461 m2 misst,
eine Betriebsdrehzahl der Schaufel zwischen 5625 und 11250 Umdrehungen
pro Minute liegt, und der maximale Massenstrom an der Schaufel 30.9
kg/s beträgt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Vorderansicht der Dampfturbinenlaufschau fel;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht;
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3 ist
eine Draufsicht der Schaufelummantelung; und
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4 zeigt
die Schaufelspitze und Ummantelung.
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Detailbeschreibung der Erfindung
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Mit
Bezug auf 1 und 2, umfasst
eine Dampfturbinenlaufschaufel einen Sockelabschnitt 2, verbunden
mit einer axialen Schwalbenschwanzeinführung 3 zur Verbindung
mit dem Turbinenrotor. Wie dargestellt, besteht Schwalbenschwanz 3 aus
einer zweifach greifenden Tannenbaumform. Der Gegenstand einer ebenfalls
eingereichten U. S. Patentanmeldung, der axialen Schwalbenschwanzeinführungsform,
wurde optimiert, um eine Verteilung der durchschnittlichen und örtlichen
Spannung zu erreichen, die einen angemessenen Schutz gegen Überdrehzahl-
und LCF-(Kurzzeitfestigkeit)Bereiche gewährleistet.
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Eine
Strömungsfläche 10 erstreckt
sich von Sockelabschnitt 2, und ein Spitzenabschnitt 4 setzt den
Strömungsflächenabschnitt 10 fort.
Wie in 3 und 4 dargestellt, ist eine Ummantelung 5 als Teil
des Spitzenabschnitts 4 ausgebildet.
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Um
Betriebsdrehzahlen zwischen 5625 bis 11250 Umdrehungen pro Minute
mit einer maximalen Durchflussmasse von 30.9 kg/s und einem Mantelringabschnitt
von 0.461 m2 aufzunehmen, wurde numerische
Strömungsmechanik
eingesetzt, um den Aufbau der Strömungsfläche zu optimieren. Strömungsmasse
und Ringabschnitt sind wichtige Gestaltungsparameter, von Fachleuten
bei herkömmlicher
Technik anerkannt. Ein "Mantelringabschnitt" ist ein Bereich
mit ringförmiger
Gestalt, der von unten von der Spitze des Schaufelschwalbenschwanzes
und von oben von der Unterseite der Ummantelung gebildet wird. Die
optimierte äußere Form
kann die höheren Betriebsdrehzahlen
aufnehmen, während
sie damit verbundene Spannungserhöhungen und Frequenzunruhen
vermeidet. Insbesondere ist Strömungsflächenabschnitt 10 mit
einem optimalen Neigung- zu Breiten Verhältnis ausgestattet. Darüber hinaus
wird eine Schichtverteilung entlang des Strömungsflächenabschnitts 10 durch
eine gegenläufige
Konstruktion zur Optimierung der Leistung modifiziert. Weiterhin
ist die Biegung des Strömungsflächenabschnitts 10 angepasst,
um Druck- und Stoßverluste
als Ergebnis der hohen Betriebsdrehzahl zu senken. Das Aufeinanderstapeln
von Strömungsflächenabschnitten
wird optimiert, um die örtliche
Spannung des Schaufelsockels zu minimieren, die von der zentrifugalen
Drehung der Schaufel ausgeht.
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3 und 4 zeigen
die Schaufelummantelung 5 jeweils in Draufsicht und Seitenansicht. Die
Ummantelung 5 wird vorzugsweise mit der Schaufel gefertigt
und ist daher mit dem Spitzenabschnitt 4 integral ausgebildet.
Die Ummantelung 5 umfasst wenigstens eine, vorzugsweise
zwei, Spitzenmanschetten 12 und zylindrische Oberflächen, die
auf der Schaufel angebracht sind, um Undichtigkeit unter Kontrolle
zu haben.
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Wie
in 4 dargestellt, ist die Ummantelung 5 in
größerer Breite
aufgebaut als eine Breite des Spitzenabschnitts 4. Dieser
Aufbau, zusammen mit einer Drehung in der Schaufel, bestimmt einen Anfangsabstand
zwischen Kontaktseiten der Ummantelung von angrenzenden Schaufeln.
Dieser Abstand schließt
sich in drehendem Zustand als Ergebnis der Ummantelungsrotation,
die durch das Aufdrehen der Schaufel verursacht wird. Sobald die
Ummantelungen angrenzender Schaufeln ineinander greifen, verhalten
sich die Schaufeln wie ein einziger durchgängig gekoppelter Aufbau, der
im Vergleich zu einer freitragenden Konstruktion hervorragende Steifigkeit
und Dämpfungseigenschaften
aufweist, was zu sehr niedrigen Vibrationsspannungen führt. So
bilden die ineinander greifenden Ummantelungen zwischen angrenzenden
Schaufeln eine Ummantelungskette oder Hülle um die äußere Umrandung des Turbinenrades,
um das Arbeitsmedium innerhalb einer gut abgegrenzten Bahn zu begrenzen
und die Starrheit der Schaufeln zu erhöhen.
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Die
hier beschriebene Dampfturbinenlaufschaufel erbringt deutlich erhöhte aerodynamische und
mechanische Leistung und Effizienz, während sie außerdem Ummantelungen
umfasst, die über zentrische
Manschetten verfügen,
um Spitzenverluste zu minimieren, minimale zentrifugale und Dampfkrümmungsspannung
und Gruppenkrümmungsspannungen
ermöglicht,
sowie eine durchgängig
gekoppelte Ummantelungskonstruktion zur Minimierung von Vibrationsspannungen,
reduzierter Effizienzverluste und optimierter Durchflussverteilung
aufweist. Als solches können
die Turbinenschaufeln effizient bei höheren Betriebsdrehzahlen gefahren
werden.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als
die praktikabelsten und am meisten bevorzugten Fassungen gilt, sollte
die Beschreibung doch so verstanden werden, dass die Erfindung nicht
auf die aufgeführten
Fassungen beschränkt
ist, sondern im Gegenteil, so gedacht ist, verschiedene Modifikationen
und gleichartige Anordnungen abzudecken, die dem Sinn und dem Geltungsbereich
der beigefügten
Ansprüche
umfassen.
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Eine
Laufschaufel für
eine Dampfturbine umfasst einen Sockelabschnitt 2 und einen
Strömungsflächenabschnitt 10,
mit dem Sockelabschnitt zusammenhängend. Der Strömungsflächenabschnitt
ist zur Optimierung der aerodynamischen Leistung ausgebildet, während er
optimierte Strömungsverteilung und
mini male zentrifugale- und Krümmungsspannung
ermöglicht.
Die Schaufel umfasst auch einen sich aus dem Strömungsflächenabschnitt fortsetzenden
Spitzenabschnitt 4 und eine Ummantelung 5, die als
Teil des Spitzenabschnitts ausgebildet ist. Die Ummantelung begrenzt
eine zentrische Manschette, die dazu dient, Spitzenverluste zu minimieren.
Die Laufschaufel kann bei Betriebsdrehzahlen zwischen 5626 und 11250
Umdrehungen pro Minute laufen.
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Eine
Laufschaufel für
eine Dampfturbine umfasst einen Sockelabschnitt 2 und einen
Strömungsflächenabschnitt 10,
der mit dem Sockelabschnitt zusammenhängt. Der Strömungsflächenabschnitt
ist zur Optimierung der aerodynamischen Leistung ausgebildet, während er
eine optimierte Strömungsverteilung
und eine minimale zentrifugale- und Krümmungsspannung ermöglicht.
Die Schaufel umfasst auch einen Spitzenabschnitt 4, der
sich aus dem Strömungsflächenabschnitt
fortsetzt, und eine Ummantelung 5, die als Teil des Spitzenabschnitts
ausgebildet ist. Die Ummantelung begrenzt eine zentrische Manschette,
die dazu dient, Spitzenverluste zu minimieren. Die Laufschaufel
kann bei Betriebsdrehzahlen zwischen 5626 und 11250 Umdrehungen
pro Minute laufen.
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- 2
- Sockelabschnitt
- 3
- axialer
Schwalbenschwanz Einlass
- 4
- Spitzenabschnitt
- 5
- Mantelring
- 10
- Strömungsfläche
- 12
- Spitzenmanschetten