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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Minimierung von Verlusten und die Modifizierung der Leistung von Maschinen, beispielsweise einer Dampfturbine, ist für Betreiber derartiger Anlagen von Interesse. Die Leistung der Schaufeln der letzten Stufe (LSB = Last-Stage Bucket, Ausgangsschaufel) ist von wesentlicher Bedeutung für die Gesamtleistung einer Dampfturbine. Das vollständige Entwerfen und Entwickeln einer vollkommen neuen Ausgangsschaufel kann aufgrund der Gesamtheit der zum Nachweis der Produktionstauglichkeit erforderlichen teuren und aufwendigen Versuche kostspielig sein und Jahre dauern. Daher wird häufig für den Einsatz in neuen Anwendungen oder für den Austausch in bestehenden Anwendungen eine Ausgangsschaufel aus einer Auswahl von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln ausgewählt. In solchen Fällen wählt ein Konstrukteur gewöhnlich diejenige vorkonstruierte Ausgangsschaufel aus, die die kostengünstigste ist. In Niederdruckturbinenanwendungen beinhaltet die Verwendung mehrerer Ausgangsschaufeln den Einsatz von zwei oder mehr übereinstimmenden ausgewählten vorkonstruierten Ausgangsschaufeln. Diese Vorgehensweise kann jedoch zu einer suboptimalen Leistung der Ausgangsschaufeln und somit der Niederdruckturbine insgesamt führen.
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US 4 557 113 A offenbart eine zweiflutige Niederdruck-Dampfturbine mit zwei Strömungspfaden, die von dem zentralen Abschnitt des Turbinengehäuses ausgehen und axial in entgegengesetzte Richtungen bis zu den axialen Enden der Turbine verlaufen. Zur Verbesserung der Wärmerate der Turbine sind die Längen und Ausrichtungswinkel der Laufschaufeln der letzten Schaufelreihen in den beiden Strömungspfaden unterschiedlich gewählt.
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US 5 075 074 A offenbart einen wassergekühlten Kernspaltungsreaktor und beschreibt, dass irreversible Druckverluste entlang des Reaktorkühlmittelzirkulationsweges die Betriebseffizienz des Reaktordruckbehälters und/oder des gesamten Kerndampfversorgungssystems beeinträchtigen. Angesichts der Druckverluste müssen die Kaminhöhe, der Reaktordruckbehälter und das gesamte Reaktorumschließungsgebäude vergrößert werden, was die Kosten erhöht, oder die Pumpleistung muss erhöht werden, um den Kernrezirkulationsfluss zu erreichen, was wiederum höhere Betriebskosten für das Pumpsystem und damit eine schlechtere Nettowärmerate der Anlage zur Folge hat.
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JP S54-67 108 A offenbart eine zweiflutige Dampfturbine, bei der die Längen und/oder die mittleren Radien der Niederdruck-Endstufenschaufeln der Turbine sich voneinander unterscheiden, um den passenden ringförmigen Austrittsbereich und eine optimale Auslassströmungsgeschwindigkeit zu erreichen, um die Turbineneffizienz zu verbessern.
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JP H09-41 906 A beschreibt eine Dampfturbinenanlage mit zwei Dampfturbinen, deren Ausgangswellen mittels einer Kupplungseinrichtung wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können. Im Nennbetrieb ist die Kupplungseinrichtung geschlossen, um die beiden Dampfturbinen gemeinsam zu betrieben, wobei ein Steuerventil zum Zuführen des Dampfstroms zu den Turbinen vollständig geöffnet ist. Im Niederlastbetrieb ist die Kupplungseinrichtung getrennt, um nur eine der Dampfturbinen zu betreiben, wobei das Steuerventil betrieben wird, um die Durchflussrate der einen Dampfturbine auf einen geeigneten Wert einzustellen, um den Auslassverlust zu reduzieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Modifizierung der Leistung an Ausgangsschaufeln einer mehrstufigen Turbine offenbart. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ermitteln eines verfügbaren Einlassstroms für die Ausgangsschaufeln der mehrstufigen Turbine; und Zumessen unterschiedlicher Anteile eines verfügbaren Stroms zu jeder der mehreren vorkonstruierten unterschiedlich bemessenen Ausgangsschaufeln, um dadurch Auslassverluste der Ausgangsschaufeln der mehrstufigen Turbine im Vergleich zu einer Zumessung gleicher Anteile des verfügbaren Gesamteinlassstroms zu jeder von mehreren vorkonstruierten übereinstimmend bemessenen Ausgangsschaufeln zu minimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Mehrstufen-Turbine mit mehreren Ausgangsschaufeln offenbart. Zu der mehrere Ausgangsschaufeln aufweisenden mehrstufigen Turbine gehören: eine erste Ausgangsschaufel, die aus einer Gruppe von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln ausgewählt ist, und wenigstens eine (oder mehrere) zusätzliche, sich von der ersten Ausgangsschaufel unterscheidende Ausgangsschaufel(n), die aus der Gruppe von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln ausgewählt ist oder sind, wobei die erste Ausgangsschaufel und die wenigstens eine oder die mehreren zusätzliche(n) Ausgangsschaufel(n) einen zusammengeführten Auslassverlust aufweisen, der geringer ist als ein zusammengeführter Auslassverlust, der von beliebigen mehreren übereinstimmend bemessenen Ausgangsschaufeln ausgeht, die aus der Gruppe von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln ausgewählt sind.
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Figurenliste
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Die folgende Beschreibung ist in keiner Weise als beschränkend zu bewerten. Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen sind gleichartige Elemente mit denselben Bezugsnummern versehen:
- 1 veranschaulicht einen schematischen Ausschnitt eines Dampfturbinentriebwerks; und
- 2 veranschaulicht einen mehrere Ausgangsschaufeln aufweisenden mehrstufigen Niederdruckturbinenabschnitt, der mehrere Ausgangsschaufeln mit unterschiedlichen Strömungsquerschnittsflächen aufweist, und Kurven, in denen für jede der Ausgangsschaufeln der Auslassverlust gegenüber der Fluidgeschwindigkeit abgetragen ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine detaillierte Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele des offenbarten Systems und Verfahrens werden im Vorliegenden mit Bezug auf die Figuren zur Veranschaulichung und nicht beschränkend erläutert.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Dampfturbinentriebwerk 10 schematisch veranschaulicht. Zu dem Dampfturbinentriebwerk 10 gehören: eine Hochdruckturbine 14, eine Mitteldruckturbine 18 und eine im Vorliegenden offenbarte Doppelstromniederdruckturbine 22. Die Doppelstromniederdruckturbine 22 weist einen verfügbaren Einlassstrom 26 auf, der durch den von dem Auslass der Mitteldruckturbine 18 ausgegebenen Dampf definiert ist. Die Doppelstromniederdruckturbine 22 enthält zwei Ausgangsschaufeln 30, 34. Im Folgenden werden hier offenbarte Verfahren zur Auswahl der beiden Ausgangsschaufeln 30, 34 zur Erzielung einer erwünschten Leistung der Doppelstromniederdruckturbine 22 im Einzelnen erläutert. Obwohl in dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel eine Doppelstromniederdruckturbine offenbart ist, könnten veränderte Ausführungsbeispiele mehrere Niederdruckturbinen mit mehreren Niederdruckströmen verwenden.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist in einem Ausführungsbeispiel der im Vorliegenden offenbarten Erfindung die Doppelstromniederdruckturbine 22 veranschaulicht, die die erste Ausgangsschaufel 30 und die zweite Ausgangsschaufel 34 enthält. Die erste Ausgangsschaufel 30 und die zweite Ausgangsschaufel 34 sind unterschiedlich bemessen, und die Ausgangsschaufeln 30, 34 weisen daher jeweils eine verschiedene Strömungsquerschnittsfläche auf. Der für die Doppelstromniederdruckturbine 22 verfügbare Einlassstrom 26 ist ungleichmäßig aufgeteilt, so dass ein zu der ersten Ausgangsschaufel 30 strömender erster Einlassstrom 54 größer ist als ein zu der zweiten Ausgangsschaufel 34 strömender zweiter Einlassstrom 58. Dementsprechend ist der erste Einlassstrom 54 größer als die Hälfte des verfügbaren Einlassstroms 26 und der zweite Einlassstrom 58 ist kleiner als die Hälfte des verfügbaren Einlassstroms 26. In abgewandelten Ausführungsbeispielen könnten diese Verhältnisse zwischen den Strömen umgekehrt sein, so dass der zu der ersten Ausgangsschaufel 30 strömende erste Einlassstrom 54 kleiner ist als der zu der zweiten Ausgangsschaufel 34 strömende zweite Einlassstrom 58. Die Einlassströme 54, 58 und die Strömungsquerschnittsflächen bestimmen die jeweils durch die Ausgangsschaufeln 30, 34 hindurch vorhandenen Fluidgeschwindigkeiten 64, 68 auf der Grundlage der Gleichung:
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Geschwindigkeit = (Volumetrischer Strom) x (Fläche) (1)
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Jede der Ausgangsschaufeln 30, 34 weist eine wie in den Kurven 74 bzw. 78 dargestellte Beziehung zwischen der Leistung (wie sie mittels des Auslassverlusts gemessen ist) und der Fluidgeschwindigkeit auf. Aus den Kurven 74, 78 ergeben sich basierend auf einer Minimierung von Auslassverlusten 94, 98 Soll-Fluidgeschwindigkeiten 84, 88. Da die bei den Strömen 54, 58 vorhandenen Fluidgeschwindigkeiten 64, 68 für die Ausgangsschaufeln 30, 34, wie den Kurven 74, 78 zu entnehmen, im Wesentlichen gleich den Soll-Fluidgeschwindigkeiten 84, 88 sind, arbeiten die Ausgangsschaufeln 30, 34 bei ihren Soll-Leistungspegeln. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die Auslassverluste 94 und 98 bei einem Minimum der Kurven 74 bzw. 78. Da der erste Einlassstrom 54 die Soll-Fluidgeschwindigkeit 84 bewirkt, ist der erste Einlassstrom 54 auch der Soll-Einlassstrom für die erste Ausgangsschaufel 30. In ähnlicher Weise ist der zweite Einlassstrom 58, da der zweite Einlassstrom 58 die Soll-Fluidgeschwindigkeit 88 bewirkt, auch der Soll-Einlassstrom für die zweite Ausgangsschaufel 34.
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Durch Nutzung der zwei Ausgangsschaufeln 30, 34, die die unterschiedlichen Soll-Einlassströme 54, 58 aufweisen, kann der zusammengeführte Soll-Einlassstrom 52 so gestaltet werden, dass er dem verfügbaren Einlassstrom 26 entspricht. Hier offenbarte Ausführungsbeispiele können es einem Konstrukteur ermöglichen, einen zusammengeführten Soll-Einlassstrom zu einer Ausgangsschaufel einer mehrstufigen Turbine mit einem verfügbaren Einlassstrom genauer in Übereinstimmung zu bringen, als es sich durch herkömmliche Verfahren erzielen lässt, die zwei übereinstimmend bemessene Ausgangsschaufeln aus der Auswahl verfügbarer vorkonstruierter Ausgangsschaufeln verwenden. Diese mangelhafte Anpassung führt dazu, dass die Schaufeln mit Einlassströmen arbeiten, die ober- oder unterhalb ihres Soll-Einlassstroms liegen, was mit einer Fluidgeschwindigkeit für jede der Ausgangsschaufeln korreliert, die entweder größer oder kleiner als deren Soll-Fluidgeschwindigkeiten ist. Dies lässt sich aus den Kurven 74 und 78 als ein Arbeiten mit oberhalb der Soll-Auslassverluste 94 und 98 liegenden Auslassverlusten entnehmen. Da der Betrieb jeder der Ausgangsschaufeln 30 und 34 längs der Linien der Kurven 74 bzw. 78 stattfinden muss, arbeitet die Ausgangsschaufel jedes mal, wenn die Ausgangsschaufel oberhalb der Soll-Auslassverluste 94 und 98 betrieben wird, bei einem von zwei Punkten auf der Linie, wobei der eine sich oberhalb der Soll-Fluidgeschwindigkeiten 84 und 88 befindet, und der andere sich unterhalb der Soll-Fluidgeschwindigkeiten 84 und 88 befindet. Unter einer derartigen Bedingung sind die zusammengeführten Auslassverluste größer als die zusammengeführten Auslassverluste von zwei Ausgangsschaufeln, die bei den Soll-Auslassverlusten 94, 98 arbeiten.
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Da lediglich eine endliche Anzahl von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln vorhanden ist (und als solche für die Auswahl verfügbar ist) und die Zeit, Kosten und Mühe zur Entwicklung neuer Ausgangsschaufeln für einige neue Anwendungen (und viele Anwendungen der Wartung und des Austausches) möglicherweise unerschwinglich sind, schaffen hier offenbarte Ausführungsbeispiele Mittel, die ein Konstrukteur nutzen kann, um Ausgangsschaufeln aus einer endlichen Liste von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln auszuwählen. Konstrukteure von Turbinensystemen können die mehreren unterschiedlich bemessenen Ausgangsschaufeln 30 und 34 (aus einer Liste von vorkonstruierten und verfügbaren Ausgangsschaufeln) auswählen, die gemeinsam einen zusammengeführten erwünschten Einlassstrom 52 aufweisen, der dem verfügbaren Gesamteinlassstrom 26 entspricht, wobei ein geringerer Auslassgesamtverlust auftritt, als sich unter Verwendung mehrerer, vorkonstruierter, übereinstimmend bemessener Ausgangsschaufeln passend wählen ließe. Nachdem die mehreren Ausgangsschaufeln ausgewählt sind, gestaltet der Konstrukteur auf einfache Weise die Strömungsaufteilung basierend auf Niederdruckturbineneinlassflächenverhältnissen oder mittels einer beliebigen sonstigen mechanischen Einrichtung, um den Soll-Einlassstrom 52 so aufzuteilen, dass er die entsprechenden Soll-Einlassströme 54, 58 zu jeder der beiden Ausgangsschaufeln 30, 34 verbessert. Dasselbe lässt sich für Mehrfachniederdruckströme verwirklichen, die in Abhängigkeit von der Größe der Dampfturbine beispielsweise 3, 4, 5 oder 6 Ausgangsschaufeln zugeführt werden.
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Während die Erfindung anhand eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, dass vielfältige Änderungen vorgenommen werden können, und dass Elemente davon durch äquivalente Ausführungen substituiert werden können, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist. Darüber hinaus können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein spezielles Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von dem hauptsächlichen Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Es ist daher nicht beabsichtigt, die Erfindung auf das spezielle Ausführungsbeispiel zu beschränken, das als die am besten geeignete Weise der Verwirklichung der Erfindung erachtet wird, vielmehr soll die Erfindung sämtliche Ausführungsbeispiele einbeziehen, die in den Schutzbereich der Ansprüche fallen. Weiter wurden in den Figuren und in der Beschreibung Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart, und obwohl möglicherweise spezielle Begriffe verwendet wurden, sind diese, wenn nicht anders lautend vermerkt, lediglich in einem oberbegrifflichen und beschreibenden Sinne und nicht als beschränkend zu verstehen, wobei der Schutzumfang der Erfindung daher insofern nicht beschränkt wird. Darüber hinaus legt die Verwendung der Begriffe „erste“, „zweite“, usw. keinerlei Reihenfolge oder Rangfolge fest, sondern dient vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Außerdem bezeichnet die Verwendung der Begriffe „ein“, „eine“ etc. keine Beschränkung der Menge, sondern bedeutet vielmehr, dass mindestens ein betreffendes Element vorhanden ist.
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Im Vorliegenden ist ein Verfahren zum Minimieren von Verlusten an einer Ausgangsschaufel einer mehrstufigen Turbine 22 offenbart. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ermitteln eines verfügbaren Einlassstroms 26 für die mehrstufige Turbine 22; und Auswählen mehrerer Ausgangsschaufeln 30, 34 aus einem Satz von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln. Die mehreren Ausgangsschaufeln 30, 34 weisen sich voneinander unterscheidende Einlassströme 54, 58 auf, die nach Zusammenführung dem verfügbaren Einlassstrom 26 entsprechen, wobei der Auslassgesamtverlust 94, 98 geringer ist als im Falle mehrerer übereinstimmend bemessener Ausgangsschaufeln aus dem Satz von vorkonstruierten Ausgangsschaufeln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Dampfturbinentriebwerk
- 14
- Hochdruckturbine
- 18
- Mitteldruckturbine mp
- 22
- Ausgangsschaufeln einer mehrstufigen Turbine
- 26
- Verfügbarer Einlassstrom
- 30, 34
- Schaufeln der letzten Stufe
- 52
- Gewünschter Einlassstrom
- 54
- Erster Einlassstrom
- 58
- Zweiter Einlassstrom
- 64, 68
- Geschwindigkeiten
- 74, 78
- Kurven
- 84, 88
- Soll-Geschwindigkeiten
- 94, 98
- Soll-Auslassverluste
