DE102019004365A1 - Control stage for a radial-axial steam turbine - Google Patents
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Abstract
Steuerstufe zur Regulierung der Dampfzufuhr bei Teilastbetrieb einer axialen Dampfturbine. Um zusätzliche Energieverluste, die durch thermische und dynamische Spannung im Teillastbetrieb entstehen, zu reduzieren, wird das erste Leitradgitter (4), welches dicht von einer Steuerplatte (2) umgeben ist axial, das heisst senkrecht zu allen folgenden Stufen der Turbine montiert. Die Leitschaufeln (4) der Steuerstufe müssen ungekrümmt sein, damit die profilierte Platte (2) frei vor und zurück entlang der Schaufeln bewegt werden kann, wodurch die Dampfzufuhr reguliert wird und der Dampfstrom in axialer Richtung gedreht wird. Die Steuerstufe kann bei Turbinen mit seitlicher wie auch mit zentraler Dampfzufuhr verwendet werden.Control stage for regulating the steam supply during partial load operation of an axial steam turbine. In order to reduce additional energy losses caused by thermal and dynamic tension in partial load operation, the first stator grille (4), which is tightly surrounded by a control plate (2), is mounted axially, i.e. perpendicular to all subsequent stages of the turbine. The guide vanes (4) of the control stage must be non-curved so that the profiled plate (2) can move freely back and forth along the vanes, thereby regulating the steam supply and rotating the steam flow in the axial direction. The control stage can be used in turbines with lateral as well as central steam supply.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung steht im Zusammenhang mit einflutigen axialen Dampfturbinen, welche eine Steuerstufe für den Teillastbetrieb haben. Normalerweise wird die Eintrittsströmung am Eingang in die Turbine durch das Öffnen, bzw. Schliessen eines Regelventils vor bestimmten Düsengruppen der Steuerstufe geregelt. Jede Düsengruppe nimmt einen Bogen der ersten Stufe ein, wie zum Beispiel im Patent
Doppelflutige Dampfturbinen weisen eine radial-axiale Bauweise auf, das heisst, dass die Leitschaufeln der ersten Stufe axial zum Rotor aufgebaut sind. Die Leitschaufeln beschleunigen den Dampfstrom nach aussen, zunächst radial und dann wird der Strom in axialer Richtung gedreht um Arbeit auf die Laufschaufeln zu verrichten, wie in beispielsweise
Diverse Patente, zum Beispiel
Das Ziel dieser Erfindung ist es die Defizite der Düsengruppenregelung zu eliminieren, indem eine radial-axiale Steuerstufe eingeführt wird, die auf dem ganzen Umfang Dampfzufuhr ermöglicht durch einstellbare Längen der Leitschaufeln.The aim of this invention is to eliminate the deficits of the nozzle group control by introducing a radial-axial control stage which enables steam to be supplied over the entire circumference by means of adjustable lengths of the guide vanes.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Diese Erfindung soll es ermöglichen eine einflutige axiale Dampfturbine mit einer verlässlichen und einfach aufgebauten Steuerstufe zu versehen für effektiven Teillastbetrieb. Die vorgeschlagene Steuerstufe hat eine wohlbekannte radial-axiale Konfiguration, mit axial ausgerichteten, ungekrümmten Leitschaufeln der ersten Stufe. Die axiale Ausrichtung der Leitschaufeln, ermöglicht es die charakteristische Eigenschaft dieser Erfindung einzuführen; die Möglichkeit die Länge der Leitschaufeln einfach zu verstellen. Eine profilierte Wand des Einlassbereiches ist verschiebbar. Eine Platte mit profilierten Hohlräumen in Form der Leitschaufeln kann entlang der Leitschaufeln in axialer Richtung verschoben werden und somit die Länge der Leitschaufeln verändern, wodurch auch die Einlassfläche der Stufe verändert wird. Die Hohlräume der beweglichen Platte sollen optimiert werden, sodass die Abstände zwischen der Platte und den Schaufeln minimal sind um Ausströmungen zu vermindern. Bei einer abgeschlossenen Bauweise wird der Verlust gleich Null sein und bei einer Wellendichtung, wird er den Verlust einer herkömmlichen Steuerstufen mit einer Düsengruppenregelung nicht überschreiten. Die radial-axiale Steuerstufe ermöglicht eine 50% Reaktivität im komplett geöffnet Zustand und kann bis auf 0% reduziert werden im Teillastbetrieb, wie es auch der Fall bei herkömmlichen Steuerstufen ist. Da die Leitschaufeln der Steuerstufe fest verkeilt sind, braucht die Turbine kein Einlassventil am Eingang. Durch das Verändern der Einlassfläche der Leitschaufeln der ersten Steuerstufe ist es möglich die Menge des Arbeitsmediums zu regulieren, welches in die Turbine eintritt.This invention is intended to enable a single-flow axial steam turbine to be provided with a reliable and simple control stage for effective part-load operation. The proposed control stage has a well-known radial-axial configuration, with axially aligned, non-curved first stage vanes. The axial alignment of the vanes enables the characteristic feature of this invention to be introduced; the possibility to easily adjust the length of the guide vanes. A profiled wall of the inlet area can be moved. A plate with profiled cavities in the form of the guide vanes can be moved along the guide vanes in the axial direction and thus change the length of the guide vanes, which also changes the inlet area of the step. The cavities of the movable plate should be optimized so that the distances between the plate and the blades are minimal in order to reduce outflows. With a closed design, the loss will be zero and with a shaft seal, it will not exceed the loss of a conventional control stage with a nozzle group control. The radial-axial control stage enables 50% reactivity when fully open and can be reduced to 0% in part-load operation, as is the case with conventional control stages. Since the guide vanes of the control stage are firmly wedged, the turbine does not need an inlet valve at the entrance. By changing the inlet area of the guide vanes of the first control stage, it is possible to regulate the amount of working medium that enters the turbine.
Im Gegensatz zur konventionellen Düsengruppenregelung, produziert die vorgeschlagene Bauweise keine peripheren Ungleichmässigkeiten des Flusses. Die radial-axiale Steuerstufe mit Längenverstellbaren Leitschaufeln produziert keine Gewindeverluste, keine zusätzliche dynamische Spannung auf die Laufschaufeln und keine thermische Belastung auf das Gehäuse, was typisch für eine Düsengruppenregelung ist. Ein weiterer Vorteil einer solchen Konstruktion ist die Möglichkeit die Turbine schnell zu starten, da sie gleichmässig erwärmt wird. Normalerweise befindet sich eine Steuerstufe mit Düsengruppenregulierung auf einem grösseren Durchmesser als die Folgestufen und besitzt eine Mischkammer zwischen der ersten und der zweiten Stufe. Diese Kammer ist notwendig um den Fluss einzuebnen, bevor er auf die Hauptstufen kommt. Die Austrittsenergie aus der Steuerstufe ist komplett verloren. Eine radial-axiale Steuerstufe benötigt keine Mischkammer, die Stufe ist direkt verbunden mit nachfolgenden Stufen und die Austrittsenergie kann in der nächsten Stufe komplett wiederverwendet werden.In contrast to the conventional nozzle group control, the proposed design does not produce any peripheral irregularities in the flow. The radial-axial control stage with length-adjustable guide vanes produces no thread loss, no additional dynamic tension on the rotor blades and no thermal stress on the housing, which is typical for a nozzle group control. Another advantage of such a design is the ability to start the turbine quickly because it is heated evenly. A control stage with nozzle group regulation is normally on a larger diameter than the subsequent stages and has a mixing chamber between the first and the second stage. This chamber is necessary to level the river before it reaches the main stages. The exit energy from the control stage is completely lost. A radial-axial control stage does not require a mixing chamber, the stage is directly connected to subsequent stages and the exit energy can be completely reused in the next stage.
Als Konsequenz aller vorhin genannten Vorteile einer solchen Bauweise folgen die typischen Anwendungsbereiche einer Dampfturbine mit einer solchen Steuerstufe, nämlich Vorrichtungen mit nicht konstanter Wärmeleistung und dem Bedarf nach einem schnellen Start, zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Notstromanlagen und industrielle Prozessen mit grosser aber nicht konstanter Wärmeentwicklung. As a consequence of all the advantages of such a construction mentioned above, the typical areas of application of a steam turbine with such a control stage follow, namely devices with non-constant heat output and the need for a quick start, for example motor vehicles, emergency power systems and industrial processes with large but not constant heat development.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung, ihre Anwendung und Vorteile sollen anhand der folgenden Zeichnungen verdeutlicht werden, wobei:
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1 zeigt einen Viertel-Querschnitt einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und seitlichem Einlass. -
2 zeigt einen Viertel-Querschnitt einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und zentralem Einlass. -
3 zeigt die orthogonale Anordnung einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und seitlichem Einlass. -
4 zeigt die orthogonale Anordnung einer Dampfturbine mit einer Steuerstufe und zentralem Einlass. -
5 zeigt einen Viertel-Querschnitt der beweglichen Endplatte der Steuerstufe samt axial angebrachten Leitschaufeln sowie die Abdeckung bei seitlichem Einlass. -
6 zeigt einen Viertel-Querschnitt der beweglichen Endplatte der Steuerstufe samt axial angebrachten Leitschaufeln sowie die Abdeckung bei zentralem Einlass. -
7 zeigt eine seitlichen Querschnitt der Endplatte mit axial angebrachten Leitschaufeln und die Abdeckung der Steuerstufe mit zentralem Einlass.
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1 shows a quarter cross section of a steam turbine with a control stage and side inlet. -
2 shows a quarter cross section of a steam turbine with a control stage and central inlet. -
3 shows the orthogonal arrangement of a steam turbine with a control stage and side inlet. -
4 shows the orthogonal arrangement of a steam turbine with a control stage and central inlet. -
5 shows a quarter cross-section of the movable end plate of the control stage with axially attached guide vanes and the cover at the side inlet. -
6 shows a quarter cross-section of the movable end plate of the control stage including axially attached guide vanes and the cover at the central inlet. -
7 shows a side cross section of the end plate with axially attached guide vanes and the cover of the control stage with a central inlet.
Ausführung der ErfindungImplementation of the invention
Die beigefügten Bilder illustrieren eine Dampfturbine mit einer Steuerstufe aus verschiedenen Perspektiven.
Steuerstufe mit seitlichem EinlassControl stage with side inlet
Steuerstufe mit zentralem EinlassControl level with central inlet
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 4780057 A [0001]US 4780057 A [0001]
- US 4948333 A [0002]US 4948333 A [0002]
- EP 0095853 B1 [0003]EP 0095853 B1 [0003]
- WO 2001053679 A1 [0003]WO 2001053679 A1 [0003]
- US 8647056 [0003]US 8647056 [0003]
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