EP0326709B1

EP0326709B1 - Dampfturbine

Info

Publication number: EP0326709B1
Application number: EP88121746A
Authority: EP
Inventors: Jan-Erik Bertilsson
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1993-03-10
Anticipated expiration: 2008-12-28
Also published as: US4979873A; CH675146A5; DE3879170D1; JPH01224401A; EP0326709A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der CH-A-211 167 bekannt ist. Dort können bei einer mehrstufigen Dampf- oder Gasturbine bei Überlast eine oder mehrere Druckstufen durch einen Bypasskanal bzw. durch eine Überbrückungsleitung, in der ein steuerbares Ventil angeordnet ist, überbrückt werden. Dabei durchströmt die überbrückten Druckstufen nur noch der übrige Teil des Dampfes bzw. Gases.
Zur Leistungsregelung werden im Dampfturbinenbau Regelräder mit separat öffnenden Düsengruppen eingesetzt, weil der damit erzielbare Wirkungsgrad für den wesentlichen Leistungsbereich besser ist als bei anderen Systemen. Das Regelrad selbst bewirkt, dass Arbeit aus dem Dampf entzogen wird, dergestalt, dass die Leistungsregelung an sich optimal wirkt.
Um bei den nachfolgenden Stufen eine Vollbeaufschlagung zu erreichen, ist ein Ausgleichsraum vorgesehen, der den Übergang von Teilbeaufschlagung auf Vollbeaufschlagung ermöglicht.
Dies gelingt indessen nur unvollkommen, und es ergibt sich daher eine ungleichförmige Anströmung der Reaktionsstufen. Diese Strömungsinhomogentät bewirkt, dass die Schaufeln der dem Regelrad nachfolgenden Stufen schädlichen Schwingunger ausgesetzt werden, die bisweilen zu Schäden führen können.
Um die erwähnte ungleichförmige Anströmung zu vermeiden, sind verschiedene Vorschläge bekannt geworden:

a) Vergrösserung des Radraumes.
Während bei Dampfturbinen der kleinsten Leistungsklasse dies im engen Rahmen machbar ist, weil zwischen der Austrittsebene des teilbeaufschlagten Regelrades und der Eintrittsebene der ersten vollbeaufschlagten Stufe soviel Raum gewonnen wird, dass sich die Strömung nach dem Regelrad bis zum Eintritt in den folgenden Turbinenteil weitgehend vergleichmässigen kann, ist es bei Dampfturbinen der grösseren Leistung, welche durch grosse Dampfmengen und grossen Rotordurchmesser charakterisiert sind, konstrucktiv nicht möglich, ein vorgesehenes Regelrad gegenüber dem nachfolgenden vollbeaufschlagten Teil viel grösser auszuführen. Damit bleibt der Raum zwischen dem teilbeaufschlaten Regelrad und dem nachfolgenden vollbeaufschlagten Turbinenteil, zur Vergleichmässigung der Strömung über den ganzen Umfang des Strömungskanals, klein, wodurch Strömungsinhomogenitäten erhalten bleiben.
b) Vergrösserung des Durchmesserunterschiedes zwischen Regelrad und nachfolgenden Turbinenteilen.
An sich gilt auch hier die unter a) vorgebrachte Argumentation. Durch die Vergrösserung des Durchmessers des Regelrades gegenüber dem Durchmesser der nachfolgenden Stufen gewinnt man nur bei Dampfturbinen der kleineren Leistungsklasse zwischen der Austrittsebene des teilbeaufschlagten Regelrades und der Eintrittsebene der ersten vollbeaufschlagten Stufe soviel Raum, dass die grössten Strömungsinhomogenitäten abgefangen werden können.
c) Einbau von Drosselelementen wie Prallwand oder Wirbelraum.
Diese Vorkehrungen sind einerseits zu kompliziert, und andererseits wirken sie sich negativer auf den Wirkungsgrad der Anlage aus.
d) Einführung eines Drallraumes nach der ersten Reaktionsleitreihe.
Durch diese Massnahme verlängert sich die Maschine unnötig, mit allen daraus entstehenden konstruktiven und wirtschaftlichen Nachteilen.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, bei einer Dampfturbine, die im Teillastbereich mit Düsengruppenregelung betrieben wird, eine Vergleichmässigung der Strömung beim Uebergang von Teilbeaufschlagung in der Regelstufe auf Vollbeaufschlagung der restlichen Stufen zu bewerkstelligen.
Die Wirkungsweise des Vorschlages geht dahin, dass der Dampfstrom nach der Düsengruppe in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Während ein erster Teilstrom eine erste Stufengruppe beaufschlägt, strömt der andere Teilstrom über einen Bypasskanal direkt zu der zweiten Stufengruppe, welche gleichzeitig nun auch vom ersten Teilstrom beaufschlagt wird und somit eine vollbeaufschlagte Stufengruppe ist, im Gegensatz zur allein vom ersten Teilstrom teilbeaufschlagten Stufengruppe.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die erste teilbeaufschlagte Stufengruppe eben nur durch eine Teilmenge beaufschlagt wird. Dadurch wird die dynamische Anregung der Beschaufelung auf ca. 50 % reduziert. Dadurch, dass diese teilbeaufschlagte Stufengruppe wegen der reduzierten Massenströme eine geringere Schaufelhöhe erhält, kann man mit höheren Schaufeleigenfrequenzen rechnen, womit die Anregungsgefahr wesentlich reduziert wird.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUR

Die einzige Figur zeigt den Abschnitt zwischen Düsengruppenregelung und den ersten Schaufelreihen der Turbine.

BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

In der Figur ist ein Abschnitt einer Dampfturbine ersichtlich, der den Bereich zwischen Regelrad 2, Düse 3 und den ersten Schaufelreihen 11, 12 der Turbine zeigt. Beim vorliegenden Regelteil ist der Durchmesser des Regelrades 2 grösser als der Durchmesser der Nabe 1 dimensioniert. Grundsätzlich muss der Durchmesserunterschied so gehalten werden, dass bei einer vom Bauaufwand her vertretbaren Länge des Ueberströmkanals zwischen Regelstufe und Reaktionsstufe das Kanalvolumen zur vollständigen Homogenisierung der Strömung über den ganzen Kanalumfang ausreicht. Vorliegend kann auf diese Optimierung an sich verzichtet werden, denn die Dampfströmung wird ab Ausgang des Regelrades 2 in zwei Teilströme 4, 5 aufgeteilt, in dem Sinne, dass der Teilstrom 5 einen Bypass-Kanal 8 durchströmt, um dann vor der Beaufschlagung der Stufengruppe der Turbine 11, 12 mit dem anderen Teilstrom 4 zu verschmelzen. Dieser zweite Teilstrom 4 beaufschlagt vorerst eine erste Stufengruppe 9, 10 von Schaufeln, die gegenüber der anderen stromabwärts vorgesehenen Stufengruppe 11, 12 eine geringere Schaufelhöhe hat. Strömungstechnisch ist dies insofern möglich, als diese erste Stufengruppe 9, 10 mit einem reduzierten Massenstrom beaufschlagt wird. Die Vorteile sind eminent: die höheren Schaufeleigenfrequenzen dieser ersten Stufengruppe 9, 10 bewirken eine wesentliche Reduzierung der Anregungsgefahr, wodurch die zweite stromabwärts gelegene Stufengruppe 11, 12 mit einer homogenen Strömung beaufschlagt wird. Im Bypass-Kanal 8 sind Umlenkelemente 7 vorgesehen, welche eine gleichmässige Verteilung des Dampfstromes über den ganzen Umfang bewirken.
Die Aufteilung des Dampfstromes in zwei Teilströme 4, 5, bei welcher die vom Teilstrom 4 vorerst beaufschlagte Stufengruppe 9, 10 vorzugsweise aus zwei Schaufelstufen besteht, bewirkt, dass die dynamische Anregung der Turbinenbeschaufelung auf ca. 50 % reduziert wird. Die Beimischung des Teilstromes 4 nach der ersten Stufengruppe 9, 10 mit dem anderen durch den Bypasskanal 8 strömenden Teilstrom 5 geschieht dergestalt, dass die folgende Stufengruppe 11, 12 durch einen einzigen Dampfstrom 6 annähernd voll beaufschlagt wird. Dies wird unter Mitwirkung der bereits angezogenen Umlenkelemente 7 erreicht. Eine gute Beimischung wird des weiteren erzielt, indem der Bypasskanal 8 spiralförmig ausgestaltet ist. Ein Kanal 13 zur Nabe 1 wird so ausgelegt, dass in einem vierten Ventilpunkt, d.h. wenn keine Teilbeaufschlagung disponiert ist, der Dampfstrom zum grössten Teil vorerst die erste Stufengruppe 9, 10 beaufschlägt. Eine ungleichförmige Anströmung mit Strömungsinhomogenitäten ist bei dieser Betriebsart nicht zu befürchten, denn diesfalls wird der Dampfstrom von der Düsengruppenregelung nicht beeinflusst. In einem zweiten Ventilpunkt wird der Dampfstrom durch den von der Düsengruppenregelung 2, 3 erwirkten Drall nach oben Richtung Bypasskanal 8 abgelenkt, wodurch der angestrebte Ausgleich der aus der Teillast entstehenden Strömungsungleichförmigkeiten bewerkstelligt wird. Eine Verteilung des Teilstromes im Sinne einer Bewerkstelligung einer Strömungshomogenität des Dampfstromes lässt sich auch durch den Einbau von nicht dargestellten Drosselelementen erreichen.

Claims

Dampfturbine für Teillastbetrieb
a) mit einem Düsengruppenregler (2, 3),

b) dem stromabwärts mindestens 2 getrennte Strömungskanäle nachgeordnet sind,

c) welche vor einer 2. Schaufel-Stufengruppe (11, 12) wieder zusammengeführt sind, derart, dass ein durch den Düsengruppenregler (2, 3) eintretender Dampfstrom in mindestens 2 Teilströme (4, 5) aufgeteilt und danach wieder zu einem einzigen Dampfstrom (6) zusammengeführt wird,

d) wobei in einem 1. Strömungskanal eine 1. Schaufel-Stufengruppe (9, 10) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
e) dass ein 2. Strömungskanal (8), der ein Bypasskanal zu dem 1. Strömungskanal ist, ohne variabele Steuerelemente und ständig offen ist.
Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Bypasskanal (8) Umlenkelemente (7) aufweist,

b) insbesondere, dass der Bypasskanal (8) innen spiralförmig ausgebildet ist.
Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhöhe der Schaufeln der 1. Schaufel-Stufengruppe (9, 10) kleiner ist als die Schaufelhöhe der Schaufeln der 2. Schaufel-Stufengruppe (11, 12).